estudio de la distribución en telefonía móvil aplicando

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
ESTUDIO DE LA DISTRIBUCIÓN EN
TELEFONÍA MÓVIL APLICANDO
RADIOFRECUENCIA SOBRE
FIBRA ÓPTICA
T
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I
S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
P
R
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S
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N
T
A
N
DANIEL MARTÍNEZ CRUZ
ANDRÉS NEIRA CÓRDOVA
ASESORES
DR. RAÚL CASTILLO PÉREZ
ING. FABIOLA MARTÍNEZ ZÚNIGA
MÉXICO D.F.
NOVIEMBRE 2007
Agradecimientos
A Dios por permitirme ser la persona que soy.
A mis padres por su amor, apoyo y comprensión. Y darme cada uno de ellos lo mejor
que tienen.
A mi hermano y hermana por la convivencia, cuidado y enseñanza. Me han evitado
muchos golpes en la vida.
A mis amigos y personas que me estiman por la compañía, aprecio y soporte. Me han
hecho pasar buenos momentos y afrontar los malos.
A mis asesores en este trabajo por transmitirme su conocimiento y calidad humana.
Andrés Neira Córdova
i
Agradecimientos
Este trabajo representa el final de una de las etapas más importantes de mi vida y el inicio de
otra que será aún mejor. En este largo trayecto ha habido personas que merecen las gracias por
que sin su valiosa atención hubiera sido imposible llegar hasta este punto y también hay quienes
las merecen por haber marcado mi camino.
A mi madre Martha le agradezco de todo corazón su apoyo incondicional, su confianza, por
tratar de llevarme siempre por el camino correcto, soy afortunado por contar siempre con su
amor y comprensión.
A mi padre Ricardo, quien siempre me apoya, agradezco su guía y confianza en la realización
de mis metas.
Ustedes han enriquecido mi vida con su cariño y alegría.
Agradezco a mis hermanos Ricardo y Erick por el gran apoyo que me brindan, en las buenas
y en las malas, me han enseñado mucho, sin ellos hubiera cometido más errores en mi vida, sé
que cuento con ellos siempre.
A mis grandes amigos y todos los personajes que han dejado huella en mi vida. A todos ellos que
estuvieron conmigo y compartimos tantas aventuras, experiencias, desveladas y triunfos.
Ustedes han sido fuente de alegría y de gran ayuda.
A mis asesores por su disposición y ayuda brindadas.
Daniel Martínez Cruz.
ii
Objetivo General
Explicar el uso de tecnologías ópticas para transmitir radio frecuencia en el
sistema global de comunicaciones móviles (GSM).
Objetivos particulares
Mostrar y diferenciar los sistemas de comunicación alámbricos e inalámbricos así
como lo medios de transmisión usados en cada caso.
Observar el funcionamiento de la transmisión por enlace de radio frecuencia.
Examinar los subsistemas, características y elementos referentes al sistema global
de comunicaciones móviles (GSM).
Exponer el funcionamiento de los dispositivos básicos que forman un enlace óptico
y
detallar
en
los
elementos
involucrados
necesarios
para
transmitir
radiofrecuencia.
Analizar el funcionamiento, configuraciones, aplicaciones, beneficios y limitantes
de la tecnología de radiofrecuencia sobre fibra óptica (RoF).
Proponer posibles configuraciones adecuadas de RoF para GSM.
iii
Justificación
Los avances en la tecnología de fibra óptica han colocado a este medio de
transmisión como el más eficiente y de mayor capacidad, por lo que surge una
tendencia a implementarlo en sistemas ya existentes, con el propósito de mejorar
sus servicios.
Se propone el uso de la tecnología de radio frecuencia sobre fibra (RoF) en
sistemas de redes inalámbricas o sistemas de telefonía móvil a fin de optimizar
recursos, disminuir costos y satisfacer la creciente necesidad de ancho banda
para aplicaciones futuras de voz, datos y multimedia. Un agregado a estos
beneficios es el contar con una administración de recursos centralizada, lo que
implica conocer el estado de estaciones de transmisión remotos sin necesidad de
transportarse a la locación, tratando de agrupar la mayor cantidad de equipo en un
solo punto para compartirlo entre todos las estaciones que conforman el sistema.
Esta idea de centralización plantea que el procesamiento de la señal incluyendo
modulación, demodulación, codificación y enrutamiento sea desempeñado por una
estación controladora dejando como función principal de las estaciones base la
conversión opto-eléctrica y viceversa, y el envío-recepción de la señal por su
antena de radio. Dejando así una estructura del equipo muy simple.
iv
Hipótesis
La implementación de la tecnología de radiofrecuencia sobre fibra óptica (RoF) en
el sistema de telefonía móvil GSM, optimizará el enlace entre las estaciones base
y la controladora de estaciones base, minimizando los costos de operación,
mantenimiento y reduciendo el equipo de las mismas.
Permitirá, satisfacer la creciente demanda de ancho de banda, debido a los
desarrollos en técnicas de transmisión e incremento de servicios. Esta tecnología
permitirá la evolución hacia sistemas de futuras generaciones.
v
Introducción
Este estudio pretende dar una alternativa a la configuración regular en el
subsistema de radio del sistema de telefonía móvil GSM, la forma en que se
pretende realizar es mediante el uso de la tecnología óptica para lograr el envío de
radiofrecuencia sobre fibra óptica (RoF).
Para obtener un panorama general y conocimiento previo hacemos una
descripción del funcionamiento de un sistema de comunicación, realizando una
distinción entre los sistemas cableados y los inalámbricos. Esto permite realizar la
comparación entre características, beneficios, limitantes y costos entre unos y
otros según el medio físico que se utilice.
Dado que este estudio se plantea para su uso en el sistema de telefonía móvil
GSM se han detallado las estructuras y componentes que lo conforman, así como
las características físicas y técnicas necesarias para su funcionamiento. Como se
verá durante el desarrollo de este trabajo el bloque donde se ubica el uso de la
tecnología RoF es el sistema de radio, también conocido como subsistema de
estaciones base e involucra el cambio de la conexión física entre los dos
miembros de este bloque. La estación base y la controladora de estaciones base
cuentan con una conexión mediante interfaz de aire. Tal conexión entre
las
estaciones, según lo propuesto, será sustituida por un enlace de fibra óptica con
todos los dispositivos que esto implica.
Debido al desarrollo y mejoras en la tecnología respecto a los dispositivos
involucrados en el enlace óptico, tales como fuentes luminosas, fotodetectores,
amplificadores, acopladores y la fibra misma es posible hacer este tipo de
transmisión de radiofrecuencia sobre fibra óptica. Se ha dedicado una buena parte
del documento a explicar su funcionamiento, construcción y estructura.
Distinguiendo entre aquellos que por sus características inherentes son de mayor
utilidad o indispensables para la transmisión de señales de radiofrecuencia sobre
fibra óptica.
vi
Como última parte de este tratado se explica la teoría y trabajo de sistemas
basados en RoF. En esta sección son descritos la ubicación y elementos
necesarios para optimizar y hacer más rentable el sistema de radio GSM. Además
de que existen varias configuraciones para realizar un enlace de RoF,se
puntualiza en las configuraciones posibles y la forma en que pueden ser aplicadas
en el sistema GSM. Por último se relaciona con los sistemas de multicanalización
óptica, describiendo la forma en que son aplicados para aprovechar las
capacidades de la fibra óptica.
vii
Índice general
Objetivo general
Objetivos particulares
Justificación
Hipótesis
Introducción
Glosario
iii
iii
iv
v
vi
xiv
Capítulo 1 Sistemas de Comunicación cableados e inalámbricos
1
1.1 Sistemas cableados
1.1.1 Par trenzado
1.1.2 Cable coaxial
1.1.3 Fibras ópticas
1.2 Sistemas inalámbricos
1.2.1 Ondas de radio
1.2.2 Infrarrojos
1.2.3 Microondas
3
4
6
7
10
12
14
15
Capitulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
19
2.1 Sistema de radio básico
2.2 Métodos de acceso múltiple
2.2.1 Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA)
2.2.2 Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA)
2.2.3 Acceso múltiple por división de código (CDMA)
2.3 Sistemas de telefonía móvil
2.3.1 Arquitectura de celdas
2.4 Antecedentes de telefonía móvil
2.5 GSM
2.5.1 Características del sistema
2.5.2 Modulación digital en GSM
2.5.3 Características técnicas de GSM en México
2.5.4 Arquitectura de la red GSM
2.6 Evolución de GSM
2.6.1 UMTS (Servicio universal de telecomunicaciones móviles)
19
21
23
25
27
28
30
31
32
32
33
39
41
50
50
Capitulo 3 Elementos básicos del enlace de fibra óptica
53
3.1 Fibra óptica
3.1.1 Forma de trabajo
3.1.2 Clasificación de las fibras
3.1.3 Efectos indeseables en las fibras ópticas
53
53
55
58
viii
3.1.4 Sistemas de multicanalización
3.2 Fuentes ópticas
3.2.1 LED
3.2.2 Diodo láser
3.3 Fotodetectores
3.3.1 Fotodiodo de vacío y fotomultiplicador
3.3.2 Fotodiodo semiconductor
3.4 Amplificadores ópticos
3.4.1 Amplificadores de fibra Raman
3.4.2 Amplificadores de fibra de Brillouin
3.4.3 Fibras amplificadoras dopadas con erbio (EDFA)
3.5 Elementos extras en el enlace de fibra óptica
3.5.1 Acoplador
3.5.2 Combinador
3.5.3 Splitter
3.5.4 Acoplador de árbol
3.5.5 Acoplador estrella
3.5.6 Acoplador de banda ancha
3.5.7 Acoplador de acceso
3.5.8 Multiplexores y demultiplexores por división de longitud de onda
3.5.9 Atenuador
3.5.10 Filtro de fibra óptica
3.5.11 Terminador de fibra óptica
3.5.12 Empalme
3.5.13 Conector
61
63
64
69
78
79
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94
94
94
94
95
95
95
Capitulo 4 Aplicación de RoF en sistemas GSM
97
4.1 Análisis de la tecnología RoF
4.1.1 Beneficios de la tecnología RoF
4.2 Acoplamiento de radiofrecuencia sobre fibras ópticas
4.3 Métodos de generación y transportación de señal
4.3.1 Modulación de RF por intensidad de luz y detección directa
4.3.2 Generación de la señal por heterodino remoto
4.3.3 Generación de la señal usando Transreceptor Óptico
4.3.4 Usando conversiones de frecuencia
4.3.5 Comparación entre técnicas de generación y trasporte
4.4 Aplicación de RoF en el subsistema de estación base de GSM
4.4.1 Configuración con IM-DD
4.4.2 Configuración con incremento y decremento de frecuencia
4.4.3 Configuración usando técnica heterodina remota
4.4.4 Configuración usando transreceptor óptico
4.4.5 Uso de WDM con RoF
98
98
104
105
105
111
114
115
120
121
124
127
129
130
131
Conclusiones
Bibliografía
135
139
ix
Índice de figuras.
Figura 1.1
Diagrama a bloques de un sistema de comunicación
1
Figura 1.2
Sistema ideal de comunicación
2
Figura 1.3
Propagación en la fibra óptica
10
Figura 1.4
Espectro electromagnético
11
Figura 1.5
Comunicación punto a punto
14
Figura 1.6
Comunicación cuasidifusa
15
Figura 1.7
Comunicación difusa
15
Figura 2.1
Transmisor de radio básico
19
Figura 2.2
Receptor de radio básico
21
Figura 2.3
FDMA, diferentes canales a diferentes bandas de frecuencias
23
Figura 2.4
Esquema de ranura de tiempo que se repite constantemente
25
Figura 2.5
Estructura de una trama TDMA
26
Figura 2.6
Estructura de CDMA
28
Figura 2.7
Organización celular
29
Figura 2.8
Transmisor FSK binario
35
Figura 2.9
Transmisor GMSK usando generación directa de FM
38
Figura 2.10 Bloques e interfaces principales en GSM
41
Figura 2.11 Constitución de la estación base
45
Figura 3.1
Espectro electromagnético (frecuencia vs. Longitud de onda)
54
Figura 3.2
Tipos de fibra
58
Figura 3.3
Estructura de un diodo planar GaAs
66
Figura 3.4
Estructura de un diodo de alto brillo de AlGaAs/GaAs
68
Figura 3.5
Estructura de un diodo de alta luminosidad de InGaAsP/InP
69
Figura 3.6
Características de Luz - Corriente de un diodo láser
70
Figura 3.7
Distribución espectral de LED y diodo láser
71
Figura 3.8
Distribución espacial de LED y diodo láser
71
Figura 3.9
Respuesta del láser Fabry- Perot
72
x
Figura 3.10 Estructura de in láser de banda de óxido
73
Figura 3.11 Estructura de un láser MCRW
74
Figura 3.12 Diagrama de constitución de láser DFB
76
Figura 3.13 Esquema de un diseño modular de un módulo láser
77
Figura 3.14 Fotodiodo de vacío
80
Figura 3.15 Fotomultiplicador
81
Figura 3.16 Fotodiodo de unión de semiconductores
82
Figura 3.17 Fotodiodo PIN
83
Figura 3.18 Fotodiodo de avalancha
84
Figura 3.19 Amplificador de Raman
87
Figura 3.20 Diagrama a bloque de una fibra dopada con erbio
89
Figura 3.21 Espectro óptico de EDFA (dB vs. nm)
90
Figura 3.22 Configuraciones de EDFA
91
Figura 4.1
Arquitectura básica RoF
98
Figura 4.2
Enlace óptico básico
104
Figura 4.3
Configuración IM-DD a) CS a BS (bajada), b) BS a CS (subida)
106
Figura 4.4
Modulación directa
108
Figura 4.5
Modulación externa
109
Figura 4.6
Modulador de electroabsorción
110
Figura 4.7
Bandas de energía de láser y EAM. En transmisión y absorción
110
Figura 4.8
Heterodino remoto en un enlace RoF
112
Figura 4.9
Transreceptor de electroabsorción
115
Figura 4.10 Configuración con EOM, modulando una señal en RF
116
Figura 4.11 Configuración con EOM, modulando una señal en IF
117
Figura 4.12 Configuración con EOM, modulando una señal en banda base
118
Figura 4.13 Configuración con modulación directa en banda base
119
Figura 4.14 Enlace tradicional entre BS y CS
121
Figura 4.15 Simple conexión vía fibra entre BS y CS
122
Figura 4.16 Enlace de fibra entre BS y CS con RoF
123
Figura 4.17 Aplicacion en configuración IM-DD con modulación directa
124
xi
Figura 4.18 Aplicación en configuración IM-DD con modulación externa
126
Figura 4.19 Aplicación en configuración con incremento y decremento
127
Figura 4.20 Aplicación en configuración con heterodino remoto
129
Figura 4.21 Configuración de CS y BS con transreceptor óptico
131
Figura 4.22 Arquitectura de RoF usando WDM
132
xii
Índice de tablas
Tabla 1.1 Bandas satelitales
17
Tabla 2.1 Clases de MS y BS
39
Tabla 3.1 Características de los LEDs
65
Tabla 3.2 Fotodiodos PIN
83
Tabla 3.3 Detectores de unión semiconductora
85
Tabla .3.4 Comparación de λ en EDFA
92
Tabla 4.1 Ventajas y desventajas de técnicas de generación y transportación 120
xiii
GLOSARIO
UTP Par trenzado no blindado
STP Par trenzado blindado
FTP Par trenzado con blindado global
LED Diodo emisor de luz
LASER Amplificación de luz por radiación de emisión estimulada
E/O Convertidor electro-óptico
O/E Convertidor opto-eléctrico
NA Apertura numérica
UIT Unión internacional de telecomunicaciones
VLF Frecuencia muy baja
LF Frecuencia baja
MF Frecuencia media
HF Frecuencias altas
VHF Frecuencias muy altas
UHF Frecuencias ultra altas
SHF Frecuencias súper-altas
EHF Frecuencias extra-altas
LOS Línea de vista
NLOS sin línea de vista
LEO Órbita terrestre baja
MEO Órbita terrestre media
GEO Órbita terrestre geoestacionaria
IEEE Instituto de Ingeniería de Eléctricos y Electrónicos
RF Radiofrecuencia
LO Oscilador local
BB Banda base
LNA Amplificador de bajo ruido
FDMA/FDD Acceso múltiple por división de frecuencia / división de frecuencia
dúplex
xiv
TDMA/TDD Acceso múltiple por división de tiempo / división de tiempo dúplex
TDMA/FDD Acceso múltiple por división de tiempo / división de frecuencia dúplex
AMPS Sistema de servicio telefónico móvil avanzado
TACS Sistema de acceso total a comunicaciones
NMTS Sistema nórdico de telefonía móvil
GSM Sistema Global de comunicaciones móviles
TDMA Acceso múltiple por división de tiempo
GMSK Modulación por desviación mínima Gaussiana
MSK Modulación por desviación mínima
FSK Modulación por desviación de frecuencia
OCV Oscilador controlado por voltaje
PLL Circuito de fase fija
CD Corriente Directa
CPFSK FSK de fase continua
ISI interferencia intersimbólica
FM Frecuencia modulada
FDMA Acceso múltiple por división de frecuencia
CDMA Acceso múltiple por división de código
MSC Central de conmutación móvil
AUC Centro de autenticación
BSS Subsistema de estación base
BTS Estación base
BCF Funciones de control de estación base
CS Estación controladora
EIR Registro de Identificación del Equipo
HLR Registro de Localización de Local
MS Estación Móvil
MSC Centro de conmutación de móvil
NMC Centro de administración de red
NSS Subsistema de red
OMC Centro de O y M
xv
OSS Subsistema de operación
PSTN Red de telefonía pública conmutada
SIM Módulo de Identificación de Subscritor
TRX Transreceptor
VLR Registro de Localización del Visitante
SIM Módulo de identidad del suscriptor
IMEI Identidad móvil internacional del equipo
IMSI Identidad móvil internacional del suscriptor
BS Estación Base
PCM Modulación por codificación de pulsos
DXU Unidad de distribución de conmutación
TRU Unidad de transmisión y recepción
CDU Unidad de combinación y distribución
PSU Unidad de alimentación de potencia
ECU Unidad de control de energía
CS Controlador de estación base
LAPD Procedimiento de Acceso al Enlace Canal-D
HLR Registro de localización de casa
VLR Registro de localización de visitantes
UMTS Servicio universal de telecomunicaciones móviles
ETSI Instituto europeo de estándares de telecomunicaciones
W-CDMA CDMA de banda ancha
MLM Láser de Fabry-Perot
GLD Diodos láser de ganancia guiada
ILD Diodos láser de índice guiado
MCRW guía de onda de cubierta de metal
DFB Láser de retroalimentación distribuida
C3 láser de cavidad acoplada hendida
MSR Relación supresión de modo
FWHM Ancho de pulso a media potencia
VCSEL Láser de superficie emisora por cavidad superficial
xvi
PMT Tubo fotomultiplicador
APD Fotodiodo de avalancha
SOA Amplificadores ópticos de semiconductores
SRS Efecto de dispersión estimulada Raman
SBS Dispersión estimulada Brillouin
EDFA Fibras amplificadoras dopadas con erbio
RoF Radiofrecuencia sobre fibra óptica
OTDM Multicanalización por división de tiempo óptico
DWDM Multicanalización por división de longitud de onda densa
FBG Fibra de rejilla de Bragg
MZI Interferómetro de Mach-Zehnder
SCM Multicanalización de sub-portadora
WDM Multicanalización por división de longitud de onda
SFDR Rango Dinámico libre de impurezas
EOM Modulador óptico externo
EAM Modulador de electroabsorción
xvii
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
Capítulo 1. Sistemas de Comunicación cableados e
inalámbricos
En el estudio que está por desarrollarse se ven involucrados los sistemas guiados
(cableados) y los sistemas no guiados (inalámbricos). En este capítulo
analizaremos ambos casos. Se estudiarán los principales tipos de medios físicos e
inalámbricos que existen para transportar información en un sistema de
comunicación.
Un sistema electrónico de comunicaciones es un sistema que tiene como objetivo
principal enviar información de un lugar a otro en forma de señales eléctricas.
Desde un punto de vista básico, todo sistema de comunicaciones consta de tres
bloques: transmisor, medio de transmisión y receptor, como se ilustra en la Figura
1.1.
Figura 1.1. Diagrama a bloques de un sistema de comunicación
El transmisor contiene como dispositivo de entrada una fuente de información, y el
objetivo del transmisor es procesar la señal generalmente eléctrica proporcionada
por la fuente de información, para que ésta sea acoplada de manera eficiente al
medio de transmisión.
1
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
El medio de transmisión es el canal a través del cual viaja la información en forma
de ondas electromagnéticas, desde el transmisor hasta el receptor.
El receptor tiene como objetivo principal, captar parte de la potencia emitida por el
transmisor y procesarla para que el dispositivo de salida pueda reproducir la
información enviada por el transmisor. Por lo que se puede afirmar que el
dispositivo de salida de todo receptor es el dispositivo reproductor de información.
De forma ideal, la información reproducida por el dispositivo de salida del receptor
tiene que ser una réplica perfecta de la información. Lo anterior requiere que el
sistema de comunicaciones desde la fuente hasta el dispositivo reproductor de
información se comporte como un circuito lineal, invariante en el tiempo, con un
ancho de banda infinito y sin ruido. Una representación en forma de caja negra de
un sistema ideal de comunicación se muestra en la Figura 1.2.
Figura 1.2. Sistema ideal de comunicación.
Este sistema ideal de comunicaciones no se puede obtener físicamente, ya que en
todo transmisor y receptor físico se agrega ruido y se comporta como no lineal.
Además todo medio de transmisión es paramétrico, introduce atenuación y su
ancho de banda es finito.
2
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
Estas degradaciones, que introducen el transmisor y receptor, así como el medio
de transmisión, hacen que la información reproducida por el dispositivo de salida
no sea una réplica fiel de la información proporcionada por la fuente. A causa de
esto al transmisor se le puede agregar otra finalidad importante: procesar a la
señal que contiene la información de forma tal que se reduzca el efecto de las
degradaciones introducidas.
Muchas de las características principales de los sistemas de comunicaciones
están determinadas por el medio de transmisión. Éste se puede clasificar como
guiado (físico) o no guiado (inalámbrico). Si es un canal físico, éste puede ser
conductor de la electricidad o dieléctrico.
1.1 Sistemas cableados
Los sistemas cableados también conocidos como medios guiados, proporcionan
un camino físico a través del cual las ondas electromagnéticas se propagan. Las
características y la calidad de la transmisión están determinadas tanto por el tipo
de señal como por las características del medio.
En el caso de los medios guiados, el medio en sí mismo es lo más importante en
la determinación de las limitaciones de transmisión. La capacidad de transmisión,
en términos de velocidad de transmisión o ancho de banda, depende
drásticamente de la distancia y de si el medio se usa para un enlace punto a
punto, o por el contrario para un enlace multipunto. Analizaremos estas
limitaciones en diferentes medios guiados, por ejemplo, en par trenzado, cable
coaxial y fibra óptica [1].
3
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
1.1.1 Par trenzado
El par trenzado es el medio más económico y a la vez el más usado. Consiste de
dos alambres de cobre aislados, con 1mm de grueso. Los alambres se trenzan de
forma helicoidal, esto para que los alambres constituyan una antena simple. Así
las ondas de diferentes vueltas se cancelan por lo que la radiación del cable es
menos efectiva. El trenzado mantiene estables las propiedades eléctricas a lo
largo de toda la longitud del cable y reduce las interferencias creadas por los hilos
adyacentes en los cables compuestos por varios pares.
La aplicación más común del cable es el sistema telefónico. La distancia que
pueden recorrer estos cables sin amplificar la señal es de varios kilómetros pero si
son muy grandes necesitan de repetidores. En situaciones donde muchos cables
de par trenzado recorren distancias considerables, se atan en haces y se cubren
con una envoltura protectora. Los cables que se encuentran dentro de estos haces
podrían sufrir interferencias si no estuvieran trenzados.
Este tipo de cable se puede usar para transmisión de información analógica y
digital. El ancho de banda depende del grosor del cable y de la distancia que
recorre, en distancias de pocos kilómetros se pueden obtener transmisiones de
varios Mbits/seg. Debido a sus características, el par trenzado es utilizado
ampliamente en redes de comunicaciones.
Existe una clasificación según su constitución física:
Par trenzado no blindado (UTP)
Es el cable más utilizado en las redes, ya que es barato y su instalación es
sencilla. Por él se pueden efectuar transmisiones digitales (datos) o analógicas
(voz). Consiste en 4 pares de conductores de cobre (cada uno protegido por un
4
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
dieléctrico), que están trenzados de dos en dos para evitar la diafonía. Uno de sus
inconvenientes es
la alta sensibilidad
que presenta ante interferencias
electromagnéticas [2].
Existen actualmente 8 categorías dentro del cable UTP, las cuales especifican las
características eléctricas del cable como son: atenuación, capacidad de línea e
impedancia. A continuación se presentan algunas de las características de cada
categoría:
Categoría 1. Se usa para transmisión de voz. Especialmente diseñado para redes
telefónicas. Alcanza velocidades de hasta 4 Mbps.
Categoría 2. Se usa para transmisión de voz y datos hasta 4 Mbps.
Categoría 3. Alcanza velocidades de hasta 16 Mbps y un ancho de banda de
hasta 16 MHz.
Categoría 4. Alcanza velocidades de hasta 20 Mbps y un ancho de banda de
hasta 20 MHz.
Categoría 5. Es un estándar dentro de las comunicaciones en redes LAN. Capaz
de soportar comunicaciones de hasta 100 Mbps, con un ancho de banda de hasta
100 MHz.
Categoría 5e. Es una categoría 5 mejorada. Minimiza la atenuación y las
interferencias. No está estandarizado. La velocidad de transmisión es de 1000
Mbps.
Categoría 6. No está estandarizado aunque ya se está utilizando. Tiene un ancho
de banda de 250 MHz
5
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
Categoría 7. No está definido y mucho menos estandarizado. Se definirá para un
ancho de banda de 600 MHz.
Par trenzado blindado (STP)
En este tipo de cable, cada par va recubierto por una malla conductora que actúa
de blindaje frente a interferencias y ruido eléctrico. Su impedancia es de 150
ohms. El nivel de protección del STP ante perturbaciones externas es mayor al
ofrecido por UTP. El blindado del STP, para que sea más eficaz, requiere una
configuración de interconexión a tierra.
Es utilizado generalmente en las instalaciones de procesos de datos por su
capacidad y buenas características contra radiaciones electromagnéticas, pero el
inconveniente es que es un cable robusto, caro y difícil de instalar.
Par trenzado con blindado global (FTP)
En este tipo de cable como en el UTP, sus pares no están blindados, pero sí
cuenta con un blindado global para mejorar su nivel de protección ante
interferencias externas. Su impedancia característica típica es de 120 ohms y sus
propiedades de transmisión son más parecidas a las del UTP.
1.1.2 Cable coaxial
Es otro medio común de transmisión. Tiene un mejor blindaje que el del par
trenzado, así que puede colocarse en tramos más largos a mayores velocidades.
6
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
Existen dos clases. El cable de 50 ohms, usado para transmisión digital, y el cable
de 75 ohms, usado para transmisión analógica y televisión por cable.
Consiste en un alambre de cobre rígido como núcleo, rodeado por un material
aislante. El aislante está forrado con un conductor cilíndrico, que con frecuencia es
una malla de tejido trenzado, también de cobre. El conductor externo se cubre con
una envoltura protectora de plástico.
La construcción y el blindaje le dan una buena combinación de ancho de banda y
excelente inmunidad al ruido. El ancho de banda depende de la calidad y longitud
del cable, y la relación señal a ruido de los datos. Los cables modernos tienen un
ancho de banda de 1 GHz.
1.1.3 Fibras Ópticas
Debido al espectro de frecuencias limitado de otros medios de comunicación, y a
las grandes desventajas que presentan frente al medio ambiente y otros factores,
la fibra óptica y la tecnología que implica este medio de transmisión, se convierte
en un método eficaz para la transmisión digital. La fibra óptica supera las grandes
desventajas de las microondas, aunque su proceso de fabricación es complicado,
presentan un gran ancho de banda, no son susceptibles ni a las interferencias ni al
debilitamiento y por lo tanto las transmisiones pueden conducirse por este medio
de transmisión casi con la completa garantía de seguridad.
Los cables de fibra óptica también superan por mucho al par trenzado tanto en su
capacidad como en su tamaño, ya que el diámetro es un factor muy importante en
los cables de pares para aumentar la velocidad de transmisión y disminuir las
congestiones, esto se puede evitar sustituyendo un solo cable de cobre por un hilo
de fibra óptica, aumentado en gran proporción la capacidad para prevenir los
incrementos de vías de comunicación en un futuro.
7
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
Un sistema de fibra óptica es muy similar a un sistema de microondas. Las
principales excepciones son: el medio de transmisión para las ondas luminosas y
que la transmisión tiene lugar a frecuencias ópticas, que tienen una longitud de
onda más corta que las microondas. Mientras que a las microondas se les designa
generalmente por su banda de frecuencias, a las ondas luminosas se les
referencia por su longitud de onda, que está relacionada con la frecuencia
mediante la expresión:
f =
c
λ
Donde: λ es la longitud de onda, c es la velocidad de la luz y f es la frecuencia.
A las frecuencias de la luz, la longitud de onda es tan corta que la unidad utilizada
es el nanómetro (nm). En el estado actual de la tecnología, el espectro de
comunicaciones ópticas útil se extiende, aproximadamente, desde los 800 nm
hasta los 1600 nm.
Elementos básicos de un sistema de fibra óptica.
Los sistemas de fibras ópticas están diseñados con fibras separadas, una para
transmisión y otra para recepción, las cuáles tienen en sus extremos un transmisor
y un receptor de luz. El transmisor puede ser, ya sea un LED (diodo emisor de luz)
ó un LASER. A estos elementos se les llama convertidores electro-ópticos (E/O),
los cuales transforman la señal eléctrica en óptica. Los láseres presentan una
mayor ganancia del sistema que los diodos LED debido a su mayor potencia de
salida y a un mejor acoplamiento de la señal luminosa dentro de la fibra. La
principal ventaja del diodo LED es su bajo costo.
8
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
El receptor consiste en un diodo PIN o un APD, que se acopla a la fibra óptica. El
diodo convierte los impulsos de luz en impulsos eléctricos, denominándoseles
convertidor opto-eléctrico (O/E).
Como la señal óptica se propaga a través de la fibra óptica, se ve degradada por
la atenuación y parámetros de la fibra. Por esta razón, es necesario regenerar la
señal transmitida. La forma más apropiada de realizar esta tarea es tratando la
señal en forma eléctrica. De aquí que los convertidores O/E y E/O sean
componentes indispensables en un repetidor óptico. El amplificador e igualador de
la señal eléctrica son similares en los sistemas de transmisión convencionales [3].
Principios Básicos
La fibra óptica consiste en tres partes: la interior, denominada núcleo, la exterior,
llamada
revestimiento
y
un
recubrimiento
de
protección
alrededor
del
revestimiento. Tanto el núcleo como el revestimiento son de vidrio, cada uno con
un índice de refracción (nc y nr para el núcleo y revestimiento, respectivamente). El
núcleo tiene un índice de refracción superior al del revestimiento. Debido a esta
diferencia de índices, la luz transmitida se mantiene y propaga a través del núcleo,
satisfaciéndose el principio de reflexión total interna.
La luz que entra en la fibra óptica se propaga a través del núcleo en modos, que
representan a los diferentes caminos posibles de los rayos de luz, Figura 1.3.
Las ondas luminosas deben entrar en la fibra dentro de cierto ángulo, llamado
ángulo de aceptación. Cualquier onda que entre según un ángulo mayor será
enviado a través del revestimiento. Este ángulo está definido por la apertura
numérica (NA). El concepto de apertura numérica es ampliamente utilizado para
9
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
describir la potencia colectora de luz de la fibra y para calcular la eficiencia de
acople fuente/fibra y esta definido por:
NA = senα mx = n c 2 − nr 2
(1.1)
Como se puede apreciar de la expresión anterior, la apertura numérica es función
de los índices de refracción de los materiales de la fibra.
Figura 1.3 Todos lo rayos entre R1 y R3 se propagarán en la fibra.
1.2. Sistemas inalámbricos
Con la existencia de usuarios de sistemas de comunicación de voz o datos con
necesidades de movilidad además de la disponiblidad del medio, se desarrollaron
los sistemas inalámbricos. La comunicación inalámbrica tiene ventajas sobre los
sistemas cableados, la más importante la accesibilidad, como en lugares de difícil
acceso donde tener cable o fibra es muy difícil y costoso por lo que es más
conveniente el sistema inalámbrico.
Los
sistemas
inalámbricos
se
subdividen
según
el
área
del
espectro
electromagnético en el que trabajen (ver Figura 1.4), es decir su longitud de onda
10
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
o frecuencia de transmisión. Además, según su posición en el espectro adquieren
características que los hacen más aptos para trabajar diferentes sistemas.
Figura 1.4 Espectro electromagnético
Lo que se entiende por frecuencia de una onda electromagnética es el número de
oscilaciones por segundo, y se mide en Hertz (Hz). Por otro lado la longitud de
onda es la distancia entre dos puntos máximos consecutivos y se designa con la
letra griega λ. El principio básico de las comunicaciones inalámbricas es que al
conectarse una antena de tamaño apropiado (λ/2, λ/4, etc.) a un circuito eléctrico
las ondas electromagnéticas pueden ser difundidas de manera eficiente y ser
captadas por un receptor a cierta distancia.
En el vacío, todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad, no
importando su frecuencia. Esta velocidad se conoce como velocidad de la luz, c,
que es aproximadamente 3 x 108 m/s. En el cobre o fibra óptica la velocidad baja a
2/3 de este valor y se vuelve un poco dependiente de la frecuencia. La relación
fundamental en el vacío es:
λf =c
11
(1.2)
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
1.2.1 Ondas de radio
Una onda de radio se origina cuando una partícula cargada se excita a una
frecuencia situada en la zona de radiofrecuencia del espectro electromagnético
que ocupa el rango de frecuencias de 3KHz a 300GHz.
Los siguientes son los nombres oficiales de UIT (Unión internacional de
telecomunicaciones):
VLF (Frecuencia muy baja) con gama de Frecuencias: 10 a 30 KHz. Su longitud
de onda: 10,000 a 30,000 metros. Algunas características de este tipo de ondas
son que se propaga por tierra, tiene atenuación débil y es de características
estables. Su uso es frecuente en enlaces de radio a grandes distancias.
LF (Frecuencia baja) tiene una gama de frecuencias 30 a 300 KHz. La longitud de
onda que abarca es de 1 a 10 Km, algunas características de esta banda son muy
parecidas a la VLF, pero de características menos estables. Los usos frecuentes
que se le dan son para servicio de AM y principalmente para el control de servicio
aeronáutico, como los radio faros.
MF (frecuencia media) tiene una gama de frecuencias de 300 KHz a 3 MHz y
longitud de onda de 1 Km a 100 m. Como es de suponer es similar a las anteriores
pero aquí presenta una absorción elevada durante el día. La propagación
prevalentemente ionosférica durante la noche y se usa en la radiodifusión.
HF (frecuencias altas) abarca una gama de frecuencias de 3 a 30 MHz con
longitud de onda de 100 a 10 m, y su propagación es consistentemente ionosférica
con fuertes variaciones estacionales y en las diferentes horas del día y la noche.
12
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
El uso frecuente es en comunicaciones de todo tipo a media distancia y larga
distancia.
VHF (frecuencias muy altas) con gama de frecuencias de 30 MHz a 300 MHz y
una longitud de onda: de 1 a 10 m. Las características especiales son que su
propagación es prevalentemente directa y esporádicamente presenta propagación
ionosférica o troposférica. Se usa frecuentemente en enlaces de radio a corta
distancia, televisión y en frecuencia modulada.
UHF (Frecuencias ultra altas) usa gama de frecuencias: 300 MHz a 3 GHz y
longitud de onda de 10 cm a 1 m. Su propagación ofrece posibilidad de enlaces
por reflexión o a través de satélites artificiales. El uso que se le da es en enlaces
de radio y radar, ayuda a la navegación aérea y televisión.
Se han alcanzado frecuencias mucho mayores pero es complicado su manejo por
los dispositivos necesarios para producirlas. Éstas se clasifican en:
SHF (frecuencias súper-altas) abarcando la gama de frecuencias de 3 a 30 GHz y
una longitud de onda de 1 a 10cm. Se propaga exclusivamente en forma directa
(LOS) y ofrece enlaces por reflexión a través de satélites artificiales. Los usos
frecuentes son en radar y enlaces de radio.
EHF (frecuencias extra-altas) con gama de frecuencias de 300 a 3000 GHz y
longitud de onda de 0.1 a 1 mm. Son de propagación directa y se usan en radares
y enlaces de radio.
Las ondas de radio viajan aproximadamente a la misma velocidad que la luz (c), y
puesto que su longitud de onda es pequeña, son afectadas por los elementos
pequeños que viajan en el aire. Debido a esto son muy vulnerables a la lluvia y en
general les afecta el medio por lo que se atenúan con la distancia.
13
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
Las características necesarias a conocer acerca de ellas son la amplitud,
frecuencia y fase. Su uso es muy extendido y son la base de las comunicaciones
inalámbricas. Puede decirse que son fáciles de generar y tienen la gran ventaja de
poder atravesar edificios, pues como se mencionó son más afectadas por
obstáculos pequeños que por los grandes [5].
1.2.2 Infrarrojos
La radiación infrarroja es un tipo de radiación electromagnética de mayor longitud
de onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas.
Rango infrarrojo λ
•
Infrarrojo cercano (2,500 nm -780 nm)
•
Infrarrojo medio (50,000 nm- 2,500 nm)
•
Infrarrojo lejano (50,000 nm – 1mm)
Otro factor importante es saber que producen dos tipos de radiaciones: la
ionizante y la no ionizante.
Una forma de clasificar a los infrarrojos es los tres modos que utilizan para lograr
el intercambio de energía óptica, estos caen dentro de los tipos: con línea de vista
(LOS line of sight) y sin línea de vista (NLOS):
* Punto a punto. Lo cual sería en línea directa y por lo tanto con línea de vista
(LOS). Figura 1.5.
Figura 1.5 Comunicación punto a punto.
14
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
•
Cuasi difuso. Con múltiples trayectorias y sin línea de vista (NLOS). Figura 1.6.
Figura 1.6 Comunicación cuasidifusa.
Difuso. El cual llega después de múltiples trayectorias sin un reflector sin línea de
vista (NLOS). Figura 1.7.
Figura 1.7 Comunicación difusa.
1.2.3 Microondas
Las microondas son usadas en radiodifusión, ya que pasan fácilmente a través de
la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda. Usualmente,
las microondas son usadas para transmisión de una señal desde una localización
remota a una estación móvil, claro que este equipada con lo necesario.
15
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
Una característica especial es el hecho de que puede concentrar toda la energía
de emisión en un haz pequeño, lo que da una direccionalidad muy efectiva, es
decir el haz no se dispersa y llega al punto receptor sin interferir con otros enlaces.
A diferencia de las ondas de radio más bajas las microondas no atraviesan
edificios.
Llegan a viajar por el medio de distintas formas pudiendo ser:
* Directa en línea de vista.
* Por tropodifusión, rebotando en la ionosfera.
* Por el suelo.
Dado que el espectro es muy amplio, se han desarrollado variadas aplicaciones
con microondas tales como:
Sistema Satelital
Consiste en uno o más salélites (los cuáles operan en las bandas C, Ku y Ka
regularmente ver Tabla 1.1), una estación en la tierra, para controlar el
funcionamiento del sistema y una red de estaciones usuarias.
Un satélite es una repetidora de microondas en el espacio, formado por la
combinación de un receptor, transmisor, regenerador, filtro, una computadora, un
multiplexor, un demultiplexor, una antena y guía de onda, el cual es puesto en
órbita mediante cohetes espaciales que lo situan circundando la Tierra a
distancias relativamente cercanas fuera de la atmósfera. Los tipos de satélites
según sus órbitas son:
•
Satélites LEO (Low Earth Orbit), de órbita baja. Orbitan la Tierra a una
distancia de 150 a 500 Km. y su velocidad les permite dar una vuelta al
16
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
mundo en dos horas. Se usan para proporcionar datos geológicos sobre
movimiento de placas terrestres, meteorología y cobertura celular.
•
Satélites MEO (Medium Earth Orbit), órbita media. Son satélites que se
mueven en órbitas medianamente cercanas, de unos 9000 a 18000 Km. Se
usa en comunicación en regiones polares.
•
Satélites GEO (Geosynchronous Earth Orbit). Tienen una velocidad de
traslación igual a la velocidad de rotación de la Tierra, es decir que se
encuentran suspendidos sobre un mismo punto del globo terrestre. Por eso
se llaman satélites geoestacionarios. Para que la Tierra y el satélite igualen
sus velocidades es necesario que este último se encuentre a una distancia
fija de 35,800 Km sobre el ecuador. Se destinan a emisiones de televisión y
de telefonía, a la transmisión de datos a larga distancia, y a la detección y
difusión de datos meteorológicos [5]. Generan 2000 watts de potencia y
trabajan en 3 frecuencias.
Tabla 1.1 Bandas satelitales
Banda
Bajada (GHz)
3.7- 4.2
Subida (GHz)
5.925 – 6.425
C
4-6
Ku
11-14
11.7 – 12.2
14 – 14.5
Ka
20- 30
17.7 – 21.7
27.5 – 30.5
Bluetooth
Es el nombre común de la especificación industrial IEEE 802.15.1, que define un
estándar global de comunicación inalámbrica que posibilita la transmisión de voz y
datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia segura,
17
Capítulo 1 Sistemas de comunicación cableados e inalámbricos
de corto rango y sin licencia. Los principales objetivos que se pretende conseguir
con esta norma son:
•
Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos.
•
Eliminar cables y conectores entre éstos.
•
Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la
sincronización de datos entre nuestros equipos personales.
La especificación de Bluetooth define un canal de comunicación de máximo 720
kb/s (1 Mbps de capacidad bruta) con rango óptimo de 10 metros (opcionalmente
100 m con repetidores).
La frecuencia de radio con la que trabaja está en el rango de 2,4 a 2,48 GHz con
espectro disperso y saltos de frecuencia con posibilidad de transmitir en distintas
clases.
Clases
1.- Más potente. Una distancia de hasta 100 metros con una potencia de 100 mW
(20 dBm), alcanza 1 Mbps.
2.- Comunes. Con distancia de 10 metros y potencia de 2.5 mW (5 dBm) y alcanza
10 Mbps.
3. Con distancia de 10 cm, necesita 1 mW (0 dBm).
18
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Capítulo 2. Sistema Global de comunicaciones móviles
GSM
El punto de aplicación de la tecnología que se detalla en este trabajo de tesis
es la telefonía móvil. Hemos escogido al sistema GSM por ser el que se
encuentra más extendido a nivel global e instalado en nuestro país. En un
subsistema de éste, posteriormente analizado, es donde se ubica la aplicación
de radiofrecuencia sobre fibra óptica.
Para comenzar a tratar al sistema de telefonía móvil, será necesario comenzar
con una explicación básica de cómo funciona cualquier sistema de
comunicación inalámbrica y las partes que lo conforman.
2.1 Sistema de radio básico
Las etapas de radiofrecuencia de la mayoría de los sistemas tienen mucho en
común aun cuando en la práctica tienen muchísimas variaciones. El siguiente
es un típico diagrama a bloques de los transmisores inalámbricos.
Antena
Mezclador
Amplificador
Modulador
datos
Filtro pasa
banda
Filtro IF
Oscilador
local
Figura 2.1 Transmisor de radio básico.
19
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
La entrada a un transmisor de radio puede se voz, video, datos u otra
información a ser transmitida a uno o más receptores. A estos datos
usualmente se les conoce como señal de banda base. La función básica del
transmisor es utilizar la información en banda base para modular una señal
portadora de una frecuencia mayor la cual pueda ser radiada por la antena
transmisora. La razón de esto es que las señales a frecuencias más altas
pueden ser radiadas de forma más efectiva y usan el espectro de
radiofrecuencia más eficientemente que la radiación de la señal en banda base.
El transmisor opera en primer lugar usando los datos de banda base y los
modula a una señal de onda senoidal de frecuencia intermedia. A la salida del
modulador la señal que se tiene se conoce como señal de frecuencia
intermedia (IF) y usualmente se encuentra en los rangos entre 10 y 100 MHz.
En enlaces de microondas puede ser de 60 a 80 y la típica de 70 MHz.
Esta señal IF es entonces cambiada a una frecuencia superior usando un
mezclador, obteniendo la señal deseada en radio frecuencia (RF) para
transmitir. El mezclador opera produciendo la suma o diferencia de la señal IF y
una frecuencia diferente producida por un oscilador local (LO). Después existe
un filtro pasabanda el cual permite a la suma de las frecuencias pasar, mientras
rechaza la frecuencia más baja. Si es necesario, un amplificador de potencia se
usa para incrementar la potencia de salida del transmisor. Al último existe la
antena la cual convierte la señal portadora modulada proveniente del
transmisor en una onda plana electromagnética que se propagará.
El receptor (ver Figura 2.2) tiene la función de recobrar los datos en banda
base transmitidos de una forma esencialmente contraria a las funciones de los
elementos del transmisor. La antena recibe ondas electromagnéticas radiadas
de muchas fuentes sobre un rango relativamente amplio de frecuencias. Un
filtro pasabanda en la entrada provee algo de selectividad al rechazar señales
de frecuencias indeseadas y dejando entrar la banda deseada. Este filtro
pasabanda es seguido por un amplificador de bajo ruido (LNA), cuya función es
amplificar lo más posible la débil señal recibida mientras minimiza la potencia
20
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
del ruido que se añade a ella. Colocando un filtro pasabanda antes del LNA se
reduce la posibilidad de que el sensible amplificador se sobrecargue por
interferencias. Después de estos elementos un mezclador se usa para convertir
la señal de RF recibida a una frecuencia más baja, de nuevo IF. Cuando el LO
es puesto en una frecuencia cercana a la de la RF de entrada, la diferencia de
frecuencia de salida del mezclador será relativamente baja (típicamente menor
a 100 MHz), y podrá ser fácilmente filtrada por un filtro pasabanda de IF. Un
amplificador de IF de alta ganancia incrementa el nivel de potencia así que la
señal de banda base puede ser recuperada fácilmente, este es el proceso de
demodulación [6].
Filtro pasa
banda
Amplificador
IF
Mezclador
Amplificador
de bajo ruido
Filtro IF
Demodulador
Oscilador
local
Figura 2.2 Receptor de radio básico.
2.2 Métodos de acceso múltiple
Los esquemas de acceso múltiple son usados para permitir que varios usuarios
móviles compartan simultáneamente un espectro de radio definido. El compartir
el espectro es requerido para lograr alta capacidad asignando el ancho de
banda disponible (o la cantidad de canales disponibles) a múltiples usarios.
Para comunicaciones de alta calidad, esto debe ser hecho sin severas
degradaciones en el rendimiento del sistema.
21
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
En sistemas de comunicaciones inalámbricas, usualmente el suscriptor envía
información simultáneamente a la estación base mientras que recibe
información de la misma estación base. Por ejemplo, en sistemas telefónicos
convencionales, es posible hablar y escuchar el mismo tiempo, y este efecto,
llamado duplexión, es generalmente requerido en sistemas de telefonía
inalámbrica.
La duplexión puede ser realizada usando técnicas en el dominio de la
frecuencia o en tiempo. La duplexión por división de frecuencia (FDD) provee
dos bandas distintas de frecuencias para cada usuario. La banda de subida
lleva el tráfico de la estación base al móvil, y la banda de bajada lleva el tráfico
del móvil a la estación base. En FDD, cualquier canal duplex consiste de dos
canales duplex (de subida y bajada), y un dispositivo llamado duplexor es
usado dentro de cada unidad del suscriptor y estación base para permitir
simultáneamente la transmisión y recepción de radio bidireccional para la
unidad del suscriptor y la estación base en el par de canal duplex. La
separación de frecuencia entre cada canal de subida y bajada es constante a
través del sistema.
La duplexión por división de tiempo (TDD) usa tiempo en lugar de frecuencia
para proporcionar ambos, el enlace de subida y bajada. En TDD, múltiples
usuarios comparten un solo canal de radio tomando turnos en el dominio del
tiempo. Usuarios individuales son permitidos para acceder al canal en ranuras
de tiempo asignadas, y cada canal duplex tiene ambos, una ranura de tiempo
de subida y una ranura de tiempo de bajada para facilitar la comunicación
bidireccional. TDD permite la comunicación en un solo canal y simplifica el
equipo del suscriptor ya que un duplexor no es requerido.
Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), acceso múltiple por división
de tiempo (TDMA) y acceso múltiple por división de código (CDMA) son las tres
técnicas de acceso más usadas para compartir el ancho de banda disponible
en un sistema de comunicación inalámbrico. Estas técnicas pueden ser
22
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
agrupadas como sistemas de banda estrecha o de banda amplia, dependiendo
de cómo el ancho de banda disponible es asignado a los usuarios.
2.2.1 Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA)
El acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) asigna canales
individuales a usuarios individuales. Podemos observar en la siguiente Figura
2.3 que a cada usuario se le asigna una banda de frecuencia o canal único.
Estos canales son asignados en función de la demanda de usuarios que
requieren este servicio. Durante el periodo de la llamada ningún otro usuario
puede compartir el mismo canal. En sistemas FDD (duplexión por división de
frecuencia), los usuarios son asignados a un canal como un par de frecuencias,
una frecuencia es usada para el enlace de subida del canal, mientras que la
otra frecuencia es usada para el enlace de bajada del canal.
Figura 2.3 FDMA, donde a diferentes canales se les asignan diferentes bandas de frecuencias.
Las características de FDMA son las siguientes:
•
El canal FDMA porta solamente un circuito de teléfono a la vez.
23
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
•
Si un canal FDMA no está en uso, se encuentra desocupado y no
puede ser usado por otros usuarios para incrementar la capacidad de
compartir del sistema. Es esencialmente recurso gastado.
•
Después de asignar un canal de voz, la estación base y el móvil
transmiten simultánea y continuamente.
•
El ancho de banda de los canales FDMA es relativamente estrecho (30
KHz). Es por eso que cada canal sólo soporta un circuito por portadora.
Esto es, FDMA usualmente es implementada en sistemas de banda
estrecha.
•
El tiempo por símbolo de una señal de banda estrecha es grande
comparado con el retraso de expansión promedio. Esto implica que la
cantidad de interferencia intersímbolo es baja y, así, la ecualización casi
no es requerida en sistemas FDMA de banda estrecha.
•
Ya que FDMA es un esquema de transmisión continua, muy pocos bits
son requeridos para propósitos de encabezados (tales como bits de
sincronización y bits de trama) comparado con TDMA.
•
Los sistemas FDMA tienen costos más altos en sistemas celulares
comparados con sistemas TDMA, por el diseño de un solo canal por
portadora y la necesidad usar filtros pasabanda costosos para eliminar
radiación espuria en la estación base.
•
La unidad móvil FDMA usa duplexores ya que ambos, el transmisor y el
receptor, operan al mismo tiempo. Esto resulta en un incremento en el
costo de las unidades suscriptoras de FDMA y las estaciones base.
•
FDMA requiere de filtración ajustada de RF para minimizar la
interferencia de canales adyacentes.
24
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Figura 2.4 Esquema donde cada canal ocupa una ranura de tiempo que se repite
constantemente
2.2.2 Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA)
Los sistemas de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) dividen el
espectro de radio en ranuras de tiempo, y en cada ranura sólo un usuario está
permitido para transmitir o recibir. Cada usuario ocupa una ranura de tiempo
repitiendo cíclicamente como se observa en la Figura 2.7, , entonces un canal
puede ser visto como una ranura de tiempo en particular que reaparece cada
trama, donde n ranuras de tiempo comprenden una trama. Los sistemas TDMA
transmiten datos en un método llamado buffer-and-burst (ráfaga de memoria
intermedia), así que la transmisión para cualquier usuario es no continua. Esto
implica que es diferente en sistemas FDMA (el cual provee FM analógica), En
TDMA deben ser usadosdatos digitales y modulación digital. La transmisión de
varios usuarios está entrelazada en una estructura de trama repetitiva como se
muestra en la Figura 2.5. Se puede observar que una trama consiste de un
número de ranuras. Cada trama está compuesta de un preámbulo, un mensaje
de información, y bits de cola. En TDMA/TDD, la mitad de las ranuras de
25
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
tiempo en la trama del mensaje de información serían usadas para los canales
de enlace de subida y la otra mitad serían usadas para los canales de enlace
de bajada. En sistemas TDMA/FDD, la estructura de la trama es idéntica o
similar y sería usada únicamente para transmisión de subida o de bajada, pero
las frecuencias portadoras serían diferentes para los enlaces de subida y
bajada. En general, los sistemas TDMA/FDD intencionalmente inducen muchos
retrasos entre las ranuras de tiempo de subida y bajada de un usuario en
particular, así que los duplexores no son requeridos en la unidad del suscriptor.
Figura 2.5 Estructura de una trama TDMA. La trama se repite en el tiempo.
En una trama TDMA, el preámbulo contiene la dirección y la información de
sincronización, que ambos (la estación base y los suscriptores) usan para
identificarse el uno al otro. Los tiempos de guardia son utilizados para permitir
la sincronización de los receptores entre las diferentes ranuras y tramas.
Diferentes estándares inalámbricos de TDMA tienen diferentes estructuras de
trama TDMA. Las características de TDMA incluyen lo siguiente:
•
TDMA comparte una sola frecuencia portadora con muchos usuarios,
donde cada usuario hace uso de ranuras de tiempo que no se traslapan.
El número de ranuras de tiempo por trama depende de muchos factores,
tales como las técnicas de modulación, el ancho de banda disponible,
etc.
26
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
•
La transmisión de datos en sistemas TDMA no es continua, pero ocurre
en ráfagas. Esto resulta en un consumo mínimo en la batería, ya que el
suscriptor transmisor puede ser apagado cuando no está en uso (lo cual
ocurre la mayoría del tiempo).
•
TDMA usa diferentes ranuras de tiempo para transmisión y recepción,
así los duplexores no son requeridos. Aún si FDD es usado, un switch
(más que un duplexor) dentro de la unidad del suscriptor es todo lo que
se necesita cambiar entre el transmisor y receptor usando TDMA.
•
Una adaptación de ecualización es necesaria usualmente en sistemas
TDMA, ya que la tasa de transmisión es generalmente muy alta
comparado con los canales FDMA.
•
Encabezados de alta sincronización son requeridos en sistemas TDMA
debido a las ráfagas de transmisión. Las transmisiones TDMA son
ranuradas, y esto requiere que los receptores sean sincronizados para
cada ráfaga de datos. Además las ranuras de guardia son necesarias
para separar usuarios, resultando que los sistemas TDMA tienen
grandes encabezados comparados con FDMA.
•
TDMA tiene una ventaja en la que es posible localizar diferentes
números de ranuras de tiempo por trama para diferentes usuarios. Así,
el ancho de banda puede ser abastecido en función de la demanda de
los diferentes usuarios, concatenando o reasignando ranuras de tiempo
basadas en la prioridad.
2.2.3 Acceso múltiple por división de código (CDMA).
Todos los usuarios en sistemas CDMA, como se ve en la Figura 2.6, usan la
misma frecuencia portadora y pueden transmitir simultáneamente. Cada
usuario tiene su propio código de palabra. Para la detección de la señal de
mensaje, el receptor necesita saber el código de palabra usado por el
transmisor. Cada usuario opera independientemente sin el conocimiento de
otros usuarios.
27
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Figura 2.6 Estructura de CDMA.
Las características de CDMA incluyen el que muchos usuarios de los sistemas
CDMA comparten la misma frecuencia.
Incrementar el número de usuarios en sistemas CDMA eleva el ruido de una
forma lineal. Así, no hay un límite absoluto sobre el número de usuarios en
CDMA. Mejor dicho, el rendimiento del sistema gradualmente se degrada para
los usuarios según se incrementan éstos, e incrementa cuando el número de
usuarios decrementa.
2.3 Sistemas de telefonía móvil
La telefonía móvil ofrece acceso vía radio a un abonado de telefonía de tal
forma que pueda recibir y realizar llamadas dentro del radio de cobertura del
sistema (área dentro de la cual la terminal móvil puede conectarse con el
sistema de radio para llamar o ser llamado).
28
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Existen dos tipos de sistemas inalámbricos similares, el sistema de telefonía
móvil y el sstema de telefonía inalámbrico (cordless). La diferencia entre ellos
es que en el primero tiene una cobertura amplia, y el caso de un sistema
inalámbrico supone que la cobertura es limitada (un área de oficinas o los
alrededores de un área residencial).
Los sistemas móviles celulares incorporan la ventaja de dividir el área de
cobertura en células (Figura 2.7), lo cual, limitando convenientemente la
potencia con que se emite cada frecuencia, permite la reutilización de las
mismas a distancias bastante cortas y, por lo tanto, aumentar la capacidad de
los sistemas [7].
Figura 2.7 Organización celular
Entonces, un sistema celular consiste de una serie de células, cubiertas cada
una de ellas por un sistema de radio que permite la conexión de los terminales
móviles al sistema, y un sistema de conmutación (centro de servicios móviles)
que permite la interconexión entre las estaciones radio transmisoras y la
conexión del sistema a la red de conmutación pública.
29
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
2.3.1 Arquitectura de celdas
Celda
Una celda es la unidad básica geográfica del sistema celular: el termino celda
viene de la forma de los panales de abeja y de esta forma es dividida un área
de cobertura. Las celdas son estaciones base transmitiendo sobre áreas
geográficas pequeñas que se representan con forma de hexágonos. Cada
tamaño de celda varía dependiendo de la locación. Las verdaderas celdas no
llegan a tener la verdadera forma de hexágono debido a las condiciones del
terreno o construcciones. Existen tres tipos macroceldas, microceldas y pico
celdas.
Macrocelda
Una red de macroceldas es desarrollada usando relativamente grandes celdas
con diámetro de entre 1 a 10 km. Esto crea una sustancial huella con unos
cuantos sectores. Una central de conmutación regional controla todo el tráfico
entre un mercado y lo interconecta con la red pública. La capacidad puede se
mejorada agregando sectores a los sitios existentes para facilitar el crecimiento
del suscriptor.
Microceldas
Redes de radio de microceldas son usadas en áreas con alta densidad de
tráfico, como áreas suburbanas. Las células tienen un radio de entre 100 m y 1
km. Para esas pequeñas células, es difícil predecir las densidades de tráfico y
el área de cobertura.
30
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Picoceldas
Estas se llaman también celdas internas y tienen un radio de entre 10 y 100m.
Se usan para comunicaciones inalámbricas en oficinas [8].
2.4 Antecedentes de telefonía móvil
Comenzaremos con la llamada primera generación de telefonía móvil, la cual
usa la técnica de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA/FDD), y
además contenía dos frecuencias portadoras distintas para establecer la
transmisión y recepción.
En el caso norteamericano a partir de 1981 comenzó a utilizarse el sistema de
servicio telefónico móvil avanzado (AMPS), el cual ofrecía 666 canales
divididos en 624 canales de voz y 42 canales de señalización de 30 KHz cada
uno. En cambio en Europa se introduce en 1981 el sistema nórdico de telefonía
móvil (NMTS 450) el cual empezó a operar en Dinamarca, Suecia, Finlandia y
Noruega, en la banda de 450 MHz. Para 1985 en Gran Bretaña, basándose en
AMPS, se adoptó el sistema de acceso total a comunicaciones (TACS), el cual
contaba con 1000 canales de 25 KHz cada uno y operaba en la banda de 900
MHz. Finalmente en esta década también aparecen otros sistemas de primera
generación como el estándar japonés, el C-Netz estándar Alemán y French
Radiocom en Francia.
Sólo se podía prestar el servicio de voz con las tecnologías de primera
generación.
El surgimiento de la segunda generación se debió a que con tantos estándares
diferentes, los proveedores europeos sufrieron las consecuencias de una
diversidad de normas incompatibles entre sí. El reconocimiento de este
problema fue un factor que impulsó el desarrollo del estándar GSM para las
comunicaciones móviles. En 1982, cuando aparecieron los primeros servicios
celulares comerciales, la CEPT (Conférence Européenne des Postes et
31
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Télécommunications) tomó la iniciativa de poner en marcha un grupo de
trabajo, llamado el grupo especial móvil (cuyas siglas GSM perduraron pero
con un nuevo significado), quien estuvo encargado de especificar un sistema
de comunicaciones móviles común para Europa en la banda de 900 MHz.
El GSM comenzó como una norma europea para unificar sistemas móviles
digitales y fue diseñado para sustituir a más de diez sistemas analógicos en
uso y que en la mayoría de los casos eran incompatibles entre sí. Tras varias
pruebas en Francia en 1986 y de la selección del método de acceso (acceso
múltiple por división de tiempo TDMA) en 1987, 18 países firmaron en 1988 un
acuerdo de intenciones. En este documento los países firmantes se
comprometían a cumplir las especificaciones, a adoptar este estándar único y a
poner en marcha un servicio comercial GSM, que ofreciera seguimiento
automático de los teléfonos móviles en su desplazamiento por todos los países.
Conforme se desarrolló, GSM mantuvo el acrónimo, aunque en la actualidad
significa sistema global para comunicaciones móviles (Global System for
Mobile communications) [9][10].
2.5 GSM
Por ser el sistema que llevó a extender las comunicaciones móviles en México,
y seguir siendo utilizado en los sistemas actuales o éstos ser una evolución de
él, es necesario analizar la estructura, forma de trabajo y equipo utilizado para
una red de este tipo. A continuación se dará una vista para entender el sistema
ya que posteriormente será necesario recordarlo.
2.5.1 Características del sistema
Es
un
sistema
totalmente
digital,
operando
en
las
bandas
de
800/900/1800/1900 MHz, el cual tiene una arquitectura jerárquica y fue
32
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
diseñado para manejar volúmenes de tráfico razonablemente grandes. A
diferencia de los sistemas analógicos, fue dimensionado para contener al
menos varios cientos de miles de usuarios por red, y la eficiencia del espectro
es mucho mejor que sus antecesores. Esto último debe a la poderosa
capacidad de compresión y el que los sistemas digitales puedan tener tamaños
de célula mas pequeños sin interferencia entre si [11].
2.5.2 Modulación Digital en GSM
Debido a las características del canal de radio, el sistema de modulación usado
en GSM debe tener una alta eficiencia espectral y presentar una fuerte
resistencia frente a los efectos nocivos que introduce el canal de radio. El grupo
de esquemas de modulación con fase continua y envolvente constante se usa
mucho en sistemas con atenuación variable debido a su robustez frente a las
interferencias y la atenuación, mientras mantiene una buena eficiencia
espectral. Cuanto más lentos y suaves sean los cambios en la fase, mejor es la
eficiencia espectral. Un miembro de esta familia es la modulación por
desviación mínima Gaussiana (GMSK). Se deriva de la modulación por
desviación mínima (MSK), en el que los cambios de fase entre bits contiguos
son lineales por trozos, por lo que se tienen cambios instantáneos en la
frecuencia. Esto ensancha el espectro, por lo que se usa GMSK en el que se
suaviza la fase con un filtro Gaussiano.
El parámetro de GMSK que controla el ancho de banda y la resistencia a las
interferencias es el producto del ancho de banda de 3 dB (B) por la duración de
un bit (T). El mejor rendimiento se obtiene para BT = 0.3, aunque éste produce
un solapamiento no despreciable entre canales de frecuencias adyacentes.
Esto
introduce
interferencias
que
se
pueden
geográficamente el uso de frecuencias adyacentes.
33
minimizar
separando
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Estas dos técnicas de modulación digital son derivadas de la modulación por
desviación de frecuencia (FSK) la cual es relativamente simple. A continuación
se explicará cada una de las modulaciones antes mencionadas.
Modulación por desviación de frecuencia (FSK)
Se considera como una forma de modulación en ángulo con envolvente
constante, muy parecida a la modulación en frecuencia convencional con la
diferencia de que la moduladora es un tren de pulsos binarios con amplitud que
varía entre dos niveles discretos de voltaje, en lugar de una forma de onda con
variación continua. Así, la expresión general para la señal FSK binaria es:
⎡⎛
s (t )∆ω ⎞ ⎤
m(t ) = Ac cos ⎢⎜ ωc + m
⎟t⎥
2
⎠ ⎦
⎣⎝
(2.1)
en donde:
m(t ) = onda FSK binaria
Ac = amplitud pico de la portadora sin modular
ωc = frecuencia en radianes/seg de la portadora
sm (t ) = señal modulante digital binaria
∆ω = cambio de frecuencia en la salida.
f m .= frecuencia de modulación
Como podemos observar de la ecuación, la amplitud Ac de la portadora se
mantiene constante con la modulación pero la frecuencia ωc de la portadora
cambia en la cantidad de ±∆ω 2 . Este cambio de frecuencia es proporcional a
la amplitud y polaridad de la moduladora binaria. La velocidad a la que cambia
la frecuencia de la portadora es igual a la velocidad de cambio de la señal
binaria de entrada sm(t). En consecuencia, la frecuencia de la portadora de
salida cambia entre ωc + ∆ω 2 y ωc − ∆ω 2 a la velocidad de f m .
34
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Como en FSK binario la frecuencia de la portadora se desvía en función de los
datos binarios de entrada, la salida de un modulador FSK es una función
escalón en el tiempo. Conforme la señal de entrada cambia de 0 lógico a lógico
1 y viceversa, la salida FSK cambia entre dos frecuencias: la de marca f m y la
de espacio fe respectivamente. Por lo tanto cuando la condición lógica de la
señal binaria de entrada cambia, existe un cambio en la frecuencia de salida de
la señal FSK. En consecuencia, la velocidad de cambio de la salida es igual a
la velocidad de cambio de la entrada. La velocidad de cambio de la entrada del
modulador se conoce como velocidad de bits y se mide en bits por segundo
(bps). La velocidad de cambio a la salida del modulador se conoce como
velocidad de bauds. El baud es la tasa de línea en símbolos por segundo. En la
Figura 2.8 se muestra la relación entre la señal digital de entrada y la salida
FSK analógica.
Figura 2.8. Transmisor FSK binario.
35
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Generalmente, FSK se genera con un oscilador controlado por voltaje (OCV).
Con una entrada binaria, la mayor velocidad de cambio en la entrada se tiene
cuando la entrada está constituida por 1´s y 0´s consecutivamente, es decir un
tren periódico de pulsos. Como la frecuencia fundamental de este tren
periódico de pulsos es la mitad de su tasa de bits, considerando sólo la
frecuencia fundamental de la entrada, la máxima frecuencia moduladora para el
modulador FSK es igual a la mitad de la tasa de bits de entrada.
El circuito para la demodulación de señales FSK es el circuito de fase fija
(PLL). En el demodulador PLL-FSK, a medida que la entrada del PLL cambia
entre fm y fe, el voltaje de error de cd en la salida del comparador de fase
cambia en concordancia. Como sólo existen dos frecuencias de entrada sólo
hay dos voltajes de error de salida, uno representa al 1 lógico y el otro al 0
lógico. Así, la salida es la representación de dos niveles (binaria) de la entrada
FSK [12].
Modulación por desviación mínima FSK (MSK)
MSK es un tipo especial de esquema de modulación FSK, con fase continua en
la señal analógica de salida. Se conoce como FSK de fase continua (CPFSK).
En esencia, MSK es el FSK binario, excepto que las frecuencias fm y fe están
sincronizadas con la tasa bits de la moduladora binaria, por lo tanto, existe una
relación de tiempo precisa entre ambas frecuencias; esto no quiere decir que
sean iguales. En MSK, la fm y fe se seleccionan de forma que estén separadas
de la frecuencia central por un múltiplo impar exacto de la mitad de la tasa de
bits. Esta situación asegura la existencia de una transición de fase continua en
la señal analógica de salida cuando cambia de una frecuencia de marca a una
frecuencia de espacio, o viceversa. El nombre MSK significa la mínima
separación en frecuencia que permite una detección ortogonal.
MSK es una modulación espectralmente eficiente. Posee propiedades como
envolvente constante, eficiencia espectral, buena respuesta ante los errores de
36
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
bits, y capacidad de autosincronización. Una señal MSK genérica se puede
expresar como:
(2.2)
donde mL(t) y mg(t) son los bits pares e impares de la cadena de datos
bipolares que tienen valores de +1 o de -1 y que alimentan los bloques en fase
y en cuadratura del modulador.
Modulación por desviación mínima con filtro gaussiano (GMSK)
GMSK es un esquema de modulación binaria simple que se puede ver como
derivado de MSK. En GMSK, los lóbulos laterales del espectro de una señal
MSK se reducen pasando los datos modulantes a través de un filtro Gaussiano
de premodulación. El filtro gaussiano aplana la trayectoria de fase de la señal
MSK y por lo tanto, estabiliza las variaciones de la frecuencia instantánea a
través del tiempo. Esto tiene el efecto de reducir considerablemente los niveles
de los lóbulos laterales en el espectro transmitido.
El filtrado convierte cada dato modulante que ocupa en banda base un período
de tiempo T, en una respuesta donde cada símbolo ocupa varios períodos. Sin
embargo, dado que esta conformación de pulsos no cambia el modelo de la
trayectoria de la fase, GMSK se puede detectar coherentemente como una
señal MSK, o no coherentemente como una señal simple FSK. En la práctica,
GMSK es muy atractiva por su excelente eficiencia de potencia y espectral. El
filtro de premodulación introduce interferencia intersimbolo ISI (Inter-Symbol
Interference) en la señal transmitida, pero esta degradación no es grave si el
parámetro BT del filtro es mayor de 0.5. Debido que en GSM se tiene que BT
37
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
es 0.3, se tienen algunos problemas de ISI y es por ello la señal no es
totalmente de envolvente constante.
El filtro gaussiano de premodulación tiene una respuesta impulsiva dada por:
(2.3)
y su respuesta en frecuencia viene dada por
(2.4)
El parámetro α está relacionado con el ancho de banda del filtro B, por la
siguiente expresión
(2.5)
y el filtro GMSK se puede definir completamente por B y por la duración de un
símbolo en banda base T o equivalentemente por su producto BT.
La manera más simple de generar una señal GMSK es pasar una cadena de
mensajes a través de un filtro gaussiano pasa bajos como los descritos
anteriormente, seguido de un modulador de FM. Esta técnica de modulación se
muestra en la Figura 2.5 y se usa actualmente en una gran cantidad de
implementaciones analógicas y digitales, entre ellas en GSM.
Datos NRZ
Filtro Gausiano
Pasa Bajas
Transmisor de
FM
Salida GMSK
Figura 2.5 Diagrama de bloques de un transmisor GMSK usando generación directa de FM
38
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Las señales GMSK se pueden detectar usando detectores ortogonales
coherentes, o con detectores no coherentes como los discriminadores
normales de FM. La recuperación de la portadora se puede realizar usando el
método propuesto por Baud donde la suma de las dos componentes en
frecuencia a la salida del doblador de frecuencia se divide por cuatro. El
método de Baud es equivalente al de un PLL con un doblador de frecuencia.
Un método no óptimo pero efectivo de detectar señales GMSK es simplemente
muestrear la salida de un demodulador de FM [10].
2.5.3 Características Técnicas de GSM
Banda de recepción:
1850 a 1910 MHz. Descendente.
Banda de transmisión:
1930 a 1990 MHz. Ascendente.
Método de acceso
TDMA/FDMA/CDMA
Separación de canales:
200 KHz.
Usuarios por portadora
8
Duración de trama:
4.615 ms
Modulación
GMSK
Ancho de banda por canal de voz:
25 KHz (12.5 KHz).
Ancho de banda por canal
200 KHz
Tasa binaria total:
270.833 Kbps
Tasa binaria de voz
13 Kbps (6.5 Kbps).
EIRP máxima en la BS
500W por portadora
Métodos de diversidad
Entrelazado y salto de frecuencia
Potencia nominal de los móviles:
Cinco clases establecidas.
Potencia nominal de transmisión de BS.
Siete clases de potencia se han
definido en pasos de 3 dB.
39
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Canales de tráfico
Consta de dos tipos de canales de tráfico, uno para voz y uno para datos. El
canal de tráfico de voz puede ser un canal de tasa completa que hace uso de
un codificador de voz que resulta en una señal digital de 13 kbps: tras la
codificación del canal se obtiene una tasa binaria de 22.8 kbps. Si es una canal
de media tasa se usa un codificador con velocidad de 6.5 kbps y tasa binaria
obtenida de 11.4 kbps.
Para el canal de tráfico de datos en el caso de canales de tasa completa o de
media tasa, se han definido canales de tipo transparente con tasa binarias de
2.4, 4.8, y 9.6 kbps, con distintos procedimientos de adaptación, codificación e
interpolación. Canales de tipo no transparente están disponibles con una tasa
binaria de 12 kbps. La transparencia ofrece un flujo de datos garantizado, pero
bajo las pobres condiciones del canal de radio, la tasa de error puede ser alta.
Por el otro lado, los servicios no transparentes se adaptan a las pobres
condiciones del canal de propagación reduciendo el flujo de datos para
asegurar la integridad de entrega de los datos[13].
En adición a estas características el sistema GSM ofrece la capacidad de
traspaso de llamadas (hand-over) y de localización de móvil (roaming).
40
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
2.5.4 Arquitectura de la red del GSM
El sistema completo de red GSM está compuesto de los subsistemas de
administración, de conmutación de estación base y de las terminales móviles.
OSS
A
Um
Abis
NMC
VLR
OM
EIR
AUC
HLR
PSTN
BS
MSC
CS
MSC
BSS
TRX
MS
BCF
VLR
NSS
Fig. 2.10 Bloques e interfaces principales en GSM
OSS: ( Operation subsystem): Subsistema de operación.
NMC (Network management center): Centro de administración de red.
OMC (O y M center): Centro de O y M.
NSS (Network subsystem): Subsistema de red.
EIR (Equipment Identity Register): Registro de Identificación del Equipo
AUC (Authentication center): Centro de autenticación.
HLR (Home Location Register): Registro de Localización de Local.
VLR (Visitor Location Register): Registro de Localización del Visitante
[14].
MSC (Mobile switching center): Centro de conmutación de móvil.
BSS (Base station subsystem): Subsistema de estación base.
41
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
CS (Controller station): Estación controladora.
BTS (Base station): Estación base.
BCF (Base station control functions): Funciones de control de estación
base.
TRX (Transceivers): Transreceptor.
MS (Mobile Station): Estación Móvil.
PSTN (Public switched telephone network): Red de telefonía pública
conmutada.
SIM (Subscriber Identity Module): Módulo de Identificación de Subscritor.
Subsistema de estación móvil (MS)
Este subsistema tiene tres funciones básicas:
1. Funciones relacionadas al servicio usado. Como el caso de las
comunicaciones de voz (micrófono, altavoz y teclado). Estas funciones no
están relacionadas con GSM.
2. Funciones relacionadas con los servicios de transmisión GSM, incluyendo la
parte de transmisión de radio.
3. El adaptador de terminal que puede ser requerido para realizar el enlace
entre varias interfaces para las dos primeras funciones.
La estación móvil consiste en el equipo físico, tal como el transmisor/receptor
de radio, procesadores de la exhibición y de la señal numérica, y una tarjeta
llamada módulo de identidad del suscriptor (SIM). El SIM proporciona movilidad
personal, de modo que el usuario pueda tener acceso a todos los servicios
suscritos con independencia de la localización del terminal y del uso de un
terminal específico. Insertando la tarjeta de SIM en otro teléfono portátil del
GSM, el usuario puede recibir llamadas en ese teléfono, hace llamadas de ese
teléfono, o recibe otros servicios suscritos.
El equipo móvil es identificado únicamente por la identidad móvil internacional
del equipo (IMEI). La tarjeta de SIM contiene la identidad móvil internacional del
42
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
suscriptor (IMSI), identificando el suscriptor, la llave secreta para la
autentificación y la demás información del usuario. Los IMEI y los IMSI son
independientes, proporcionando de tal modo movilidad personal. La tarjeta de
SIM se puede proteger contra uso desautorizado por una contraseña o un
número personal de identidad.
Subsistema de la estación base (BSS: Base station subsystem)
El subsistema de la estación base se compone de dos porciones, la estación
base y el controlador de estación base. Éstos se comunican a través de la
interfaz especificada de Abis, permitiendo (como en el resto del sistema) la
operación entre los componentes hechos por diversos proveedores.
Las funciones de este subsistema son las de realizar la comunicación de la red
GSM con las estaciones móviles, realizar el traspaso de llamadas en progreso
entre celdas y administrar los recursos de radio de la red y los datos de
configuración de la celda [13].
Estación base
La estación base (BS) es una entrada a la red para las estaciones móviles.
Para alcanzar esto, la estación desempeña el papel de un concentrador de
infraestructura de radio. Las terminales móviles son enlazadas a la estación
base a través de la interfaz de radio (Um) y las comunicaciones con el
controlador de la estación base son conducidas a través de la interfaz A-bis.
Una estación base controla de una a ocho portadoras de radio, y cada
portadora provee ocho canales de radio de tasa completa, transmitiendo vía
omnidireccional o vía antena direccional (usualmente un sector de 120º). En los
casos de cobertura sectorizada, un simple sitio puede acomodar diversas
43
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
estaciones base, las cuales son sincronizadas con el propósito de incrementar
la eficiencia de cobertura entre células.
Las funciones de la estación base son:
* Transmisión de radio en el formato GSM, empleando técnicas de saltos de
frecuencia y espaciamiento de diversas antenas.
* Implementación de algoritmos de ecualización para tomar en cuenta los
efectos de múltiples trayectorias.
* Codificación y decodificación de canales de radio.
* Encriptación de cadenas de datos de transmisión.
* Control de protocolos de gobierno de mensajería en la capa de enlace de
radio.
* Transmisión de mensajes de señalización
* Operaciones y mantenimiento de equipo de la estación base.
El equipo que incluye la BS junto con las interfaces de radio es el necesario
para realizar la transmisión y proporcionar servicio a una celda. Dentro de los
recursos para el enlace de radio, que proporcionará la comunicación con la MS
sobre una interface de aire, se encuentran la configuración e inicio de sistema,
la transmisión y la recepción de radio. El primer aspecto se refiere a la carga de
software desde la CS y la configuración de los parámetros para que el sistema
pueda iniciar, esto incluye las frecuencias de transmisión y recepción, máxima
potencia de salida y el código de identificación de la estación base. Para la
transmisión se debe asignar la parte del espectro que se va a usar, esto es
necesario para poder transmitir diferentes frecuencias con la misma antena,
esta acción no sería posible sin el uso de un combinador para el cambio de la
frecuencia a radiar. La potencia de radiación viene asignada desde la CS.
En el caso de la recepción se refiere a cómo ocurrirá por canales físicos de
tráfico y a la detección de solicitudes de canal por parte de la MS.
El área de cobertura de una BS es variado dependiendo de las condiciones de
tráfico y accesibilidad del área, es decir condiciones de terrenos y ambientales.
44
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Generalmente el límite es de 35 km de radio de celda. Sin embargo en
localidades escasamente pobladas el área de cobertura puede incrementarse.
Otro deber de la BS es el procesamiento de la señal antes de la transmisión y
después de la recepción, este procesamiento incluye el cifrado, codificación del
canal e intercalado, ecualización adaptable, realización de diversidad,
demodulación.
Cierta administración es llevada acabo en la BS, ya que la demásse hace en la
CS: aquí se administra un enlace de señalización entre CS y MS que aplica los
protocolos necesarios y adecuados para lograr el envío de información.
Además se hace la sincronización extrayendo la información de tiempo de los
enlaces PCM (Modulación por codificación de pulsos) desde la CS y se envía al
modulo de temporización dentro de la BS. Esto permite que la BS se sincronice
con la frecuencia correcta y con el número de trama adecuada.
Por último la BS permite llevar a cabo funciones de operación y mantenimiento
sin tener conexión con la CS.
La siguiente figura muestra los componentes de la estación base, se explicará
la función de cada uno de estos.
CS
TRU/
TRX
CDU
TRU/
TRX
CDU
TRU/
TRX
CDU
DXU
Antena
ECU
PSU
Fig. 2.11 Constitución de la estación base
45
Corriente
externa
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Unidad de distribución de conmutación (DXU)
La funciones de este dispositivo son las de proporcionar la interface con la CS,
manejar los recursos de los enlaces y conectar las ranuras de tiempo de tráfico
provenientes de la CS a las unidades de transmisión y recepción (TRU),
controlar la señalización hacia la CS y la concentración de información, extraer
la información de sincronización desde el enlace y generar el temporizador de
referencia de la BS y almacenar la información referente al hardware en una
base de datos.
Unidad de transmisión y recepción (TRU)
En este dispositivo se harán todas las funciones necesarias para manejar una
portadora de tráfico, es responsable de la transmisión y recepción de la
información, amplificación de potencia y procesamiento de la señal. La BS llega
a contener hasta 12 TRUs.
Unidad de combinación y distribución (CDU)
Esta es la interface entre los TRUs y el sistema de antenas. Lo que hace es
combinar
las
señales
desde
varios
trasmisores–receptores
para
ser
transmitidas y distribuye las señales recibidas. Todas las señales son filtradas
antes de la transmisión y después de la recepción con pasabandas. Si los
filtros son dúplex permiten transmitir y recibir con la misma antena.
Unidad de alimentación de potencia (PSU)
Es una fuente de alimentación que adecua el voltaje al necesario para que
trabaje la BS. Trabaja con +24 V en corriente directa.
46
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Unidad de control de energía (ECU)
Controla y supervisa el equipo de potencia y regula las condiciones
ambientales dentro del gabinete.
Controlador de estación base
El controlador de estación base (CS) es el elemento responsable del
desempeño de la mayoría de las funciones de control relacionadas con un
grupo de BSs. Primero es responsable de la configuración de cada BS
conectada a él, así que cuando alguna reinicia trabajo después de haber
sufrido una avería o después de una interrupción de servicio, obtiene sus
parámetros de configuración de la CS. También es encargado de administrar
los recursos de radio del sistema, asignación de canal, decisión de traspaso de
llamadas entre celdas, etc. Estas funciones que desempeña son de
considerable complejidad. El CS es la conexión entre el centro móvil y móvil de
la conmutación del servicio (MSC).
Las principales funciones del CS son:
– Supervisión de las estaciones base.
– Administración de recursos del sistema BSS. Asignación de canales de
tráfico y de control a cada célula.
– Manejo de las conexiones a los teléfonos móviles. El CS controla el
establecimiento de estas conexiones después de haber sido iniciadas por el
centro MSC.
– Localización de los teléfonos móviles y control de su traspaso.
– Administración de la búsqueda. CS distribuye los mensajes de búsqueda que
se han recibido del centro MSC.
– Operación y mantenimiento del sistema BSS.
–Gestión de la red de transmisión: CS configura, asigna y supervisa los enlaces
a la BS.
47
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
–La trascodificación, incluyendo la multicanalización de cuatro canales de
tráfico de tasa total, en un solo canal de 64 Kbps.
Algunos elementos de administración del CS
Unidad de salto de frecuencia. Esta unidad trae la conmutación entre
generadores de trama y el controlador de frecuencia de portadora.
Unidad de monitoreo de radio. El circuito de monitoreo de radio detecta y
localiza fallas en las cadenas de transmisión y recepción.
Generador de trama. Contiene todo el procesamiento de banda base necesaria
para abastecer los ocho canales de tasa completa, o dieciséis canales de
media tasa. Este controla la señalización de de enlace. Los protocolos para
señalización LAPD m y LAPD1 ara comunicaciones con la terminal móvil y el
controlador de estación base respectivamente. La unidad generadora de trama
gobierna los canales de radio, ajusta la potencia del transmisor y controla la
calidad de la transmisión de radio.
Unidad transmisora de radio. Esta unidad contiene el transmisor y receptor de
la estación base. El transmisor modula, realiza cambios en radio frecuencia y
amplifica la potencia. El receptor desempeña el cambio de frecuencia inverso,
la conversión analógica – digital y calcula la potencia de la señal.
Subsistema de conmutación (NSS: Network and switching Subsystem)
Las BSs están conectadas a este subsistema, en el que existe un centro de
conmutación móvil (MSC) el cual provee la capacidad de conmutación
requerida. Esta unidad controla la sesión de un usuario con otro usuario o
locación. El control se lleva a cabo mediante la conexión de esta MSC a varias
1
LAPD. es un acrónimo para Link Access Procedure-D channel (Procedimiento de Acceso al
Enlace Canal-D). Es un protocolo de capa 2 del modelo OSI.
48
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
BSs, así una simple MSC puede estar a cargo de aproximadamente un millón
de habitantes.
El NSS usualmente utiliza sistema de señalización 7 (SS-7). En este punto se
encuentran dos registros, uno para almacenar a los suscriptores propios y otro
para almacenar temporalmente datos de los visitantes de otras redes. Estos
registros son el registro de localización de casa (HLR) y el registro de
localización de visitantes (VLR). Las áreas de administración son de avería, de
costos, de configuración, desempeño y seguridad. Para poder habilitar estas
tareas este subsistema esta conectado directa o indirectamente a todos los
otros subsistemas en la red.
Subsistema de administración (OSS: Operation subsystem)
El subsistema final es el de administración. Las áreas de administración son
fallos, costo, configuración, desempeño y seguridad. Para habilitar estas
tareas, el OSS está directa o indirectamente conectado a todos los otros
subsistemas de la red.
Las especificaciones de GSM describen interfaces entre los componentes de la
arquitectura.
Interfaces
Interface de radio o Um. Describe el intercambio de datos entre el BSs y el
MSs.
Interface Abis. Describe las comunicaciones entre las BS y el CS. Esta hace
posible componer una red usando equipo de distintos proveedores. Se
encuentra localizada en el BSS. Esta comprende tráfico y control de canales.
49
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
Las funciones implementadas son: Intercambio de tráfico de voz y datos,
intercambio de señalización entre CS y BS y transporte de información de
sincronización desde CS a las BS. Es una interface PCM 30, como las otras
interfaces terrestres en GSM. Es especificada en la serie de recomendaciones
G de la ITU. La tasa de transmisión es de 2.048 Mbps, los cuales son
particionados en 32 canales de 64 kbps cada uno. Las técnicas de compresión
que utiliza GSM empaquetan hasta 8 canales de tráfico en un simple canal de
64 Kbps.
Los recursos en la interface usualmente no son usados eficientemente. La
razón es que la bts, típicamente tiene solo unas cuantas unidades
transmisoras-receptoras, lo cual implica una pequeña capacidad de volúmen de
tráfico. Consecuentemente, la línea entre la BS y la CS es usada solo un
afracción de su capacidad.
Dentro de la trama de capa 2 se encuentran los elementos necesarios para
lograr enlace mediente esta interface alguno de los mas importantes es el
numero de canal. Este es un parametro que identifica el tipo de canal, la ranura
de tiempo y el subcanal usado para la conexión en la interface de aire.
Esta interface utiliza las capas 1 a 3 de la pila del protocolo del modelo OSI. La
capa 1 forma el canal D. El protocolo LAPD esta en la capa 2, y la capa 3 esta
dividida en manejo de transmisor (TRXM), la administración del canal común
(CCM), la administración del enlace de radio (RLM), la administración del canal
dedicado (DCM).
Interface A. Describe el intercambio de datos entre BSS y NSS.
50
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
2.6 Evolución de GSM
2.6.1 UMTS (Servicio universal de telecomunicaciones móviles)
Es un estándar que ha esta en desarrollo desde finales de 1996 bajo el
auspicio del Instituto europeo de estándares de telecomunicaciones (ETSI).
Fue diseñado para proveer un actualización de alta capacidad para GSM.
Cerca de finales del siglo XX muchas propuestas para CDMA de banda ancha
(W-CDMA) fueron mezcladas para obtener un único estándar de WCDMA,
como resultado esta es llamada UMTS.
UMTS también conocido como WCDMA asegura compatibilidad con GSM. La
estructura de la red y empaquetado a nivel de bit de datos de GSM se
mantiene, con capacidad y ancho de banda adicional en la interfaz de aire.
El estándar ha sido diseñado para un servicio inalámbrico siempre disponible,
así que computadoras, dispositivos de entretenimiento y teléfonos puedan
compartir la misma red inalámbrica y conectarse a Internet a cualquier hora y
en cualquier lugar.
Soporta tasa de transmisión por encima de 2.048 Mbps por usuario, por lo que
permite transferencia de multimedia, datos de alta calidad, audio, video y
servicios de multidifusión. Requiere una asignación de espectro mínima de 5
MHz lo cual es una distinción importante de otros estándares. A pesar de ser
diseñado para proveer compatibilidad e interoperabilidad con equipo y
aplicaciones GSM, para poder un ancho de banda en la interfaz de aire mucho
más amplio se requiere un cambio completo en el equipo de RF de cada
estación base.
Tasas de datos de WCDMA desde 8 Kbps hasta 2 Mbps pueden ser llevadas
por un solo canal de radio de 5 MHz, y cada canal puede soportar entre 100 y
51
Capítulo 2 Sistema Global de comunicaciones móviles GSM
350 llamadas de voz simultáneamente, dependiendo de las condiciones del
equipo.
52
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Para llevar a cabo el análisis de este trabajo de tesis será necesario revisar,
conocer y comparar a los dispositivos ópticos que permiten la existencia del
enlace entre la radiofrecuencia y la fibra óptica. Se detallan lo siguientes.
3.1 Fibra óptica
La fibra óptica un elemento de comunicaciones relativamente nuevo se ha
destacado por grandes ventajas que proporciona. A pesar de que no son
perfectas pues tiene limitaciones tanto técnicas como económicas, gana en
meritos a los otros medios tanto guiados metálicos como los no guiados.
El material básico utilizado para la fibra es el dióxido de silicio conocido como
sílice, un material abundante en el planeta. Aunque algunas fibras llegan a
hacerse de plástico transparente u otro material disponible.
El análisis a consideración respecto a un uso más universalizado de la fibra en
los sistemas es el costo. Claro está que esta consideración se debe hacer
detallada y cuidadosamente no solamente a primera vista donde obviamente
resulta más costosa que cualquier otro material. Estas comparaciones
económicas deben incluir la instalación, operación y mantenimiento
3.1.1 Forma de trabajo
La fibra óptica se basa en la transmisión de haces de luz por su núcleo la cual
contiene la información. Para comprender la forma de funcionamiento es
necesario explicar varios fenómenos inherentes a la naturaleza de la luz. Para
explicarlos se realiza la analogía entre luz y ondas electromagnéticas ya que
actúan de forma similar. La luz tiene una frecuencia de oscilación muy alta y
una pequeña longitud de onda. En la figura se puede observar el espectro
electromagnético y comprenderemos a lo que se le considera el rango óptico o
luz. A esto nos referimos con las frecuencias que se encuentran en las
53
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
porciones infrarroja, visible y ultravioleta del espectro. Así que los mismos
análisis, técnicas y dispositivos son aplicables a estos rangos.
Figura 3.1 Espectro electromagnético (frecuencia vs. Longitud de onda)
En el rango visible, que va de aproximadamente 0.4 µm hasta 0.7 µm, es lo
que distinguimos los humanos desde azul hasta rojo. Las fibras de sílice no son
muy buenas para transmitir la luz en la región visible ya que la atenúan y sólo
serviría para enlaces muy cortos. Para la región ultravioleta existen perdidas
que llegan a ser mayores aún. Sin embargo el rango restante, la región
infrarroja, permite una transmisión muy eficiente de luz. Esta región ocurre en
longitudes de aproximadamente 0.85 µm y entre 1.26 y 1.75 µm. A estas
longitudes se les llama ventanas de transmisión.
A pesar de que las ondas luminosas tienen frecuencias mayores que las ondas
de radio, ambas obedecen las mismas leyes y comparten las mismas
características. Todas las ondas electromagnéticas tienen campos eléctricos y
54
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
magnéticos asociados con ellas, y viajan muy rápidamente. En el vacio la
velocidad es de 3 x 108 m/s, esta velocidad indicada por la constante c.
Por otro lado, en un enlace de comunicación existen elementos principales
involucrados en el desempeño del mismo Estos son, partiendo del punto de
inicio de la comunicación al punto donde se recibe: transmisores, la propia fibra
óptica, amplificadores, receptores y algunos elementos extra, como son
conectores, filtros y atenuadores.
3.1.2 Clasificación de las fibras
Dependiendo de las propiedades de las fibras ópticas se les puede clasificar en
dos categorías: monomodo y multímodo.
En las fibras monomodo el haz puede tomar un único camino, a través del
núcleo, que mide alrededor de 10 micras de diámetro. Las fibras multímodo
tienen núcleos de entre 50 y 200 micras de diámetro. Las fibras monomodo son
más eficaces a largas distancias, pero el pequeño diámetro del núcleo requiere
un alto grado de precisión en la fabricación, empalme y terminación de la fibra.
La fibra óptica también se clasifica en función del índice de refracción, siendo
dos los tipos: índice escalonado e índice gradual. En las fibras de índice
escalonado, el índice de refracción es uniforme a lo largo del diámetro del
núcleo. En las fibras de índice gradual, el índice de refracción es inferior en las
proximidades del revestimiento que en el eje de la fibra. Los rayos se propagan
ligeramente más lentos en las proximidades del eje del núcleo que cerca del
revestimiento.
Tres son los tipos básicos de fibras ópticas, y que se engloban dentro de las
dos clasificaciones generales mencionadas anteriormente: a) fibras multímodo
55
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
de índice escalonado, b) fibras multímodo de índice gradual, c) fibras
monomodo de índice escalonado. Ver figura 3.4.
Fibra multímodo de índice escalonado
En este tipo de fibras, los rayos de luz son guiados por reflexión total en la
frontera núcleo-revestimiento. El índice de refracción presenta un perfil
definido, por ejemplo, por la expresión siguiente:
nc = nr (1 + ∆ )
(3.1)
siendo ∆ el índice de refracción relativo.
La apertura numérica1 NA se puede aproximar a la expresión
NA = nc 2∆
(3.2)
Valores típicos de NA se encuentran entre 0,2 y 0,5.
Esta fibra es
económica que los demás tipos, esto no significa que su
funcionamiento no sea adecuando pero si limitado para ciertas aplicaciones:
típicamente los valores existentes [4] se encuentran un diámetro de fibra de
125µm, con núcleo de 50 y 62.5 µm, la capacidad de transmisión es de entre
10 y 100 MHz/Km según condiciones del enlace, con repetidores a 10 Km.
aproximadamente.
Fibra multímodo de índice gradual
En este tipo de fibras, el índice de refracción cambia gradualmente en el
núcleo. Esta variación del índice del perfil de la fibra da lugar a que la luz se
propague según la trayectoria curva, en lugar de a tramos rectos como en las
1
Apertura numérica es una propiedad de las fibras ópticas que se refiere al numero de modos o longitudes
de onda cuya entrada puede aceptar.
56
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
fibras de salto de índice. Mientras más alto es el índice de refracción, más baja
es la velocidad de propagación, según se desprende de la expresión siguiente:
V=
c
n
(3.3)
Donde V es la velocidad del haz luminoso, c representa a la velocidad de la luz
en el vacío y n el índice de refracción. Teniendo en cuenta esta relación es
posible hacer iguales los tiempos de propagación a través de cada trayecto de
luz, controlando el índice de refracción. De lo anterior se desprende que la fibra
del índice gradual actúa como un medio óptico que continuamente enfoca el
haz de luz que viaja a lo largo de la fibra.
La apertura numérica (NA) de las fibras de índice gradual es una función que
depende de la posición a lo largo del núcleo y no es una constante como el
caso de una fibra de salto de índice. Partiendo de la óptica geométrica se
deduce que la luz incidente sobre el núcleo de la fibra en una posición r se
propagará como un modo guiado, sólo si se encuentra dentro de la apertura
numérica NA.
Las medidas físicas de esta fibra son iguales a sus antecesoras, en cambio la
capacidad de transmisión cambia llegando hasta 300MHz/km si se usa una
fuente LED y de 400 hasta 1000MHz/km con fuentes láser. El principal factor
limitante en este tipo de fibra es la dispersión material (adelante se discutirá
acerca de este efecto).
Fibra monomodo de índice escalonado
Estas fibras, en su construcción más simple, son iguales a las multímodo de
salto de índice, sólo que el diámetro del núcleo es mucho más pequeño,
pudiéndose propagar un solo modo. La propagación monomodo se consigue
diseñando fibras con núcleos cuyos tamaños sean equivalentes a pocas
57
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
longitudes de onda, y con pequeñas diferencias entre los índices de refracción,
de tal manera que se mantenga el valor V por debajo de 2,405.
Este tipo de fibra logra evitar la dispersión modal gracias a que solo propaga un
modo. El que su núcleo sea más pequeño, su NA también disminuye siendo
para este caso cerca de 0.11 a diferencia de los 0.22 de la multímodo.
La transmisión en este tipo de fibra es en las ventanas de 1300 y 1500nm,
pues en la ventana de 850, para poder transmitir un solo modo el núcleo
debería ser mas pequeño que el usual de aproximadamente 2.6 nm[3].
Figura 3.2 Tipos de fibra. a) fibra multímodo de índice escalonado; b) fibra multímodo de índice
gradual; c) fibra monomodo
3.1.2 Efectos indeseables en las fibras ópticas
Además de las propiedades modales ya mencionadas, existen otras que
caracterizan a las fibras ópticas. Ahora nos referimos a aspectos relacionados
con la atenuación y la capacidad de transmisión de información, íntimamente
ligada con las propiedades dispersivas y el ancho de banda de la fibra.
58
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Atenuación
La atenuación se produce, en parte por la absorción intrínseca de los átomos
que constituyen la fibra, absorción por defectos atómicos y absorción de
impurezas extrínsecas. Otro factor que también influye en la atenuación es la
dispersión provocada debido a las inhomogeneidades en el índice de refracción
y en la forma de la fibra. Las bandas de absorción intrínseca limitan las
ventanas transparentes del materia (donde no exista absorción)l y establecen
la región espectral de trabajo.
Con el fin de minimizar las pérdidas, en la región intrínseca deben eliminarse
las impurezas tanto como sea posible. La absorción por impurezas es
provocada por iones metálicos y por iones hidróxido. Si se desea que la
contribución a la atenuación debido a estas causas sea pequeña, el nivel de
impurezas no debe ser mayor a 10 impurezas por cada mil millones de átomos.
La atenuación debida a la dispersión se atribuye, principalmente, a la
dispersión de Rayleigh. Un rayo de luz se dispersa parcialmente en muchas
direcciones y se pierde energía luminosa. La atenuación causada por este
efecto decrece cuanto mayor es la longitud de onda. Su magnitud varía de un
tipo de vidrio a otro, haciendo que en unos casos las pérdidas sean menores
que en otros. Entre los 400 nm y 1100nm, la atenuación en la fibra se debe
principalmente a la dispersión de Rayleigh, lo que favorece la utilización de
longitudes de onda lo mayores posibles.
Dispersión
La capacidad de información de las fibras ópticas está limitada por la distorsión
de la señal, que se presenta como el ensanchamiento del pulso transmitido. Tal
ensanchamiento es el resultado de las características del material de la fibra,
de la estructura de las imperfecciones mecánicas dentro de ella. Este
ensanchamiento se denomina dispersión del pulso.
59
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Hay tres causas principales de dispersión en una fibra: efectos en la guía de
onda, dispersión en el material y dispersión modal.
Dispersión de guía de onda
Esta causa de dispersión en una fibra óptica surge del hecho de que el número
de modos depende de la longitud de onda. La dispersión en la guía de onda
para modos guiados en una fibra multímodo es sensiblemente pequeña para
todos los modos alejados del corte (la longitud de corte es aquella a partir de la
cual se transmite más de un modo). Ya que los modos próximos al corte,
generalmente, transportan una fracción pequeña de la potencia total y suelen
sufrir pérdidas más elevadas, la contribución a la dispersión por esta causa
puede ser omitida.
Dispersión material
La dispersión en el material, denominada también dispersión intramodal, es
particularmente insignificante en las fibras monomodo. Este tipo de dispersión
se debe al conjunto de longitudes de onda contenido en un pulso. Puesto que
el índice de refracción varía con la longitud de onda, la velocidad de grupo de
un modo será función de la longitud de onda. Ya que las fuentes de luz tienen
diferentes componentes en su espectro, cada una tardará distinto tiempo en la
transmisión, debido a las diferentes velocidades a las que viajan, lo que
producirá un ensanchamiento del pulso emitido.
Dispersión modal
La dispersión modal, o dispersión intermodal, determina la capacidad de ancho
de banda de las fibras multímodo. Las velocidades de grupo de los diferentes
60
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
modos varían y conducen a un ensanchamiento del retardo de grupo o
dispersión intermodal [4].
3.1.3 Sistemas de multicanalización en fibra óptica
La existencia del inmenso ancho de banda que puede proporcionar la fibra
óptica, ha ocasionado la creación de sistemas que exploten de la forma más
eficiente este recurso, esto junto con la necesidad de transmitir información de
distintas fuentes hacia un mismo destino o destinos intermedios, dio como
resultado los distintos tipos de mutlicanalización y empaquetamiento para el
envío de datos sobre fibra óptica.
Los principales sistemas son la multicanalización óptica por división de tiempo
(OTDM)
,
multicanalización
por
subportadora
óptica
(SCM)
y
la
multicanalización por división de longitud de onda (WDM) con sus variantes
según el número de longitudes de onda utilizadas: sencilla (CWDM) y densa
(DWDM).
OTDM
OTDM se basa en el principio de asignación de ranuras de tiempo, sobre las
cuales es posible que una fuente transmita la parte correspondiente de su
mensaje sobre la fibra, destinando el uso completo del ancho de banda a cada
fuente por turnos o por prioridades. El sistema por su composición depende de
instrucciones de control de sincronía o de direccionamiento del mensaje
enviado, lo que presenta una desventaja pues reduce la transparencia del
canal y aumenta el tiempo de envío de mensaje.
61
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
SCM
La multicanalización por suportadota óptica es un esquema donde múltiples
señales son multicanalizadas en el dominio de radio frecuencia y transmitidas
por una simple longitud de onda. Una ventaja significativa de SCM es que los
dispositivos de microondas son mas maduros que los dispositivos ópticos.
WDM
Por su parte WDM aprovecha la posibilidad de enviar la información de
distintas fuentes por diferentes longitudes de onda sobre la misma fibra y
asegura la recepción integra de cada una de éstas, con un límite de
distanciamiento entre las longitudes de onda. En el sistema mas extendido
DWDM llega a agrupar una cantidad de 64 hasta 128 longitudes de onda en
una sola banda con distanciamientos de 0.4 nm o 0.8 nm.
Con esta gran capacidad de transmisión se hace necesario añadir elementos
que puedan asegurar y hacer útil un sistema de comunicación de tal magnitud.
Tales como amplificadores, concentradores y multicanalizadores que permitan
el retiro e inserción de longitudes de onda específica.
Multiplexores ópticos inserción-extracción (OADM)
Este tipo de multiplexores surge por la necesidad de poder retirar una señal en
un punto de la red que no es el extreme terminal, y si este se retira en el
camino Habrá otra señal que se quiera insertar para viajar por el mismo medio.
Dado el hecho de que este tipo de tecnología maneja tasas inmensas de bits
es lógico pensar que no toda esa información se dirige al mismo sitio. Esta es
la función de un OADM.
62
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Una característica particular de este dispositivo es que no tiene la necesidad de
convertir la señal óptica a electrónica para poder hacer su trabajo. Además
realiza la función para una longitud específica, y la removerá mientras las otras
siguen su hacia destino. El dispositivo puede incluir dentro de si un preamplificador o post- amplificador si es requerido.
3.2 Fuentes ópticas
El rol de los transmisores ópticos es el de convertir una señal de entrada
eléctrica en una correspondiente señal óptica y después lanzarla dentro de la
fibra óptica que funciona como canal de comunicación. El componente más
importante de los transmisores ópticos es la fuente óptica. Los sistemas de
comunicación
de
fibra
óptica
usualmente
usan
fuentes
ópticas
de
semiconductor tales como diodos de emisión de luz (LEDs) y láser de
semiconductor porque ofrecen muchas ventajas inherentes. Algunas de estas
ventajas son el pequeño tamaño, la alta eficiencia, buen rendimiento, el rango
de longitudes de onda, la pequeña área de emisión compatible con las
dimensiones del núcleo de la fibra y la posibilidad de modulación directa
relativamente a altas frecuencias.
Para obtener emisión espontánea o estimulada para irradiar fotones, las
portadoras con exceso de carga deben ser introducidas al semiconductor. Esto
es logrado inyectando portadores de carga vía una unión pn. Si la unión pn es
operada en la dirección correcta, electrones adicionales son inyectados en la
capa p y huecos adicionales en la capa n, los cuales pueden ser usados para
irradiar fotones.
El proceso de inyección de portadores de carga junto con la emisión que sigue
es llamado inyección de luminiscencia. Su uso se encuentra en transmisores
(emisores), típicamente en LEDs y diodos láser.
63
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
3.2.1 LED
Un diodo semiconductor el cual irradia luz por emisión espontánea es llamado
diodo emisor de luz (LED).
La calidad de la conversión de corriente eléctrica en luz es descrita por la
eficacia externa cuántica, la cual describe el número de fotones emitidos por
unidad de tiempo relativo al número de portadoras de carga cruzando la unión
pn en el diodo semiconductor (para GaAs esto es típicamente de 0.5 a 1.0 por
ciento).
Debido a que la eficacia cuántica disminuye a medida que la temperatura
aumenta, el calentamiento de la zona de recombinación debe evitarse, es decir,
la correspondiente disipación de calor se debe garantizar. Esta es posible a
través de una adecuada construcción del LED.
La longitud de onda de la luz emitida es también importante para la operación
del LED. Está determinada principalmente por la banda de energía intermedia
donde se aplica la siguiente relación:
(3.4)
donde:
Longitud de onda en µm
: Banda de energía intermedia en eV (1 eV = 1.60218x10-19 J)
= 1.2398
Para el valor de
en Diodos de Arseniuro de Galio, el valor de 1.43 eV aplica
y es por eso que para el valor de λ es 0.87 µm. Para fósforo de Indio (InP) con
=1.35 eV, el valor correspondiente es λ = 0.92 µm.
64
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
El ancho espectral (∆λ) de un LED es aproximadamente proporcional al
cuadrado de la longitud de onda λ; es por eso que incrementa a lo largo de las
diferentes longitudes de onda.
El tiempo de respuesta de un LED es una característica muy importante. Está
relacionada con el tiempo de subida del diodo. El tiempo de vida promedio de
las portadoras con exceso de carga nombra un factor determinante en la
emisión de luz después de que la corriente deja de circular. Los tiempos de
vida mínimos típicos oscilan en el rango de unos pocos nanosegundos, el cual
corresponde a una modulación de ancho de banda del orden los 100 MHz. El
tiempo de subida y la eficacia cuántica dependen de la concentración de
huecos, ambos no pueden ser optimizados al mismo tiempo. Particularmente
los LEDs “rápidos” emiten, relativo a la inyección de corriente, muy pocos
fotones.
Estructura y características
A continuación, tres ejemplos de LEDs que consideran algunas posibilidades.
Valores típicos están listados en la tabla siguiente:
Tabla 3.1 Características de los LEDs.
Tipo
LED
LED de alto
LED de alto
brillo
brillo
Longitud de onda
nm
900
830
1310
Ancho espectral
nm
40
40
120
Material semiconductor
GaAs
AlGaAs/GaAs
InGaAsP/InP
Estructura
Plano
Doble
Doble
heteroestructura
heteroestructura
Emisión
Espontánea Espontánea
65
Espontánea
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Potencia de la luz lanzada
dentro de una fibra con
un diámetro del núcleo
de 50 µm
µW
Máxima tasa de bits en
5
5
20
20
60
100
Mbit/s
Diodo GaAs para longitudes de onda cerca de 900 nm
Los diodos GaAs tienen la estructura más simple de los diodos transmisores. El
diodo está compuesto de substrato de GaAs tipo n con una delgada área tipo p
de unos 200 µm en la parte superior. La parte de la luz infrarroja generada
principalmente en el área P, la cual es emitida en la superficie P, es usada para
lanzarla dentro de la fibra óptica.
Figura 3.3 Esquema de la estructura de un diodo planar GaAs.
66
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Diodo de alta luminosidad AlGaAs/GaAs para longitudes de onda cerca de
los 830 nm
El diodo está compuesto de un cristal semiconductor. Una heteroestructura
doble compuesta de tres capas de AlGaAs con diferente espesor y dopajes
creciendo epitaxialmente en un substrato de GaAs dopado tipo N. Con estas
capas revistiendo hacia abajo y la intervención de refuerzo de oro como
disipador de calor, el diodo es soldado a un chip de silicio con un contacto
conductor y un aislamiento de SiO2. En la parte inferior del diodo de cristal, una
capa de aislamiento de Al2O3 limita el flujo de corriente hacia el contacto tipo P
con su pequeña área de superficie.
El espesor y en particular el nivel de dopaje por encima de la capa de cubierta
de AlGaAS son escogidos ya que la corriente no es disipada calculadamente.
El resultado es que la capa de cobertura activa de AlGaAS es excitada a la
emisión dentro de un área de sólo un diámetro ligeramente más grande que el
del contacto tipo P, así asegurando la pequeña área de emisión deseada.
La luz infrarroja irradiada hacia arriba, hacia el sustrato de GaAs es utilizada
para ser lanzada hacia dentro de la fibra óptica. Esta radiación es sólo
insignificantemente autoabsorbida en la capa activa, porque esta capa es muy
delgada, y pasa a través de la capa de AlGaAs sin absorción, aunque sería
completamente absorbida en el sustrato de GaAs dentro de sólo unos pocos
micrómetros. Por lo tanto, un bien el cual se ajusta concéntricamente sobre el
contacto tipo P es grabado en el sustrato de GaAs por encima de la región de
emisión. El contacto tipo N se aplica a los restantes materiales GaAs. Esta
construcción tiene la ventaja que, con la ayuda del contacto tipo P con su
pequeña área de superficie, una correspondiente superficie pequeña de
emisión de luz puede ser creada.
67
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Figura 3.4 Esquema de la estructura de un diodo de alto brillo de AlGaAs/GaAs.
Diodos de alta luminosidad de InGaAsP/InP para longitudes de onda
cerca de 1310 nm
Para diodos transmisores de la segunda ventana (1310 nm), se les debe hacer
un cambio de materiales de semiconductor de tres elemetos de AlGaAs a un
semiconductor de cuatro elementos de InGaAsP y a los cristales de sustrato de
InP. Básicamente, la estructura de los diodos cuaternarios de alta luminosidad
corresponde a los diodos de AlGaAs/GaAs.
68
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Figura 3.5 Esquema de la estructura de un diodo de alta luminosidad de InGaAsP/InP
Un semiconductor hecho de InGaAsP emite a una longitud de onda de 1310
nm. Por eso la doble heteroestructura, la cual es altamente efectiva para diodos
transmisores puede ser realizada otra vez, en la cual el InP toma el rol de
barrera. La capa dopada tipo P de InGaAsP funciona como capa de contacto.
El material de sustrato toma la forma de un lente integrado para mejorar el
lanzamiento de la luz dentro de la fibra óptica.
3.2.2 Diodo láser
Un diodo láser es una fuente de radiación, la cual utiliza emisión estimulada.
Láser es la abreviación de las siglas en inglés de amplificación de luz por
69
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
emisión estimulada de radiación. Por medio de una alta densidad de corriente,
un gran exceso de portadoras de carga es generada en la banda de
conducción en el láser, tomando lugar así una fuerte emisión estimulada. Este
efecto de amplificación es debido a una avalancha de fotones que aumenta con
un resonador óptico, el cual está compuesto usualmente de dos espejos planos
paralelos parcialmente transparentes. Estas superficies de espejos en los
diodos láser son superficies de cristales naturales creados por la división de los
cristales semiconductores y provistos con una capa adicional protectora.
Para mostrar la diferencia entre un LED y un diodo láser, la Figura 3.5 muestra
la curva característica de luz-corriente. A medida que la corriente del diodo
incrementa, el umbral es alcanzado en el cual la amplificación de luz en el
cristal promedia pérdidas debido a la atenuación y radiación. Por encima de
este umbral, una fuerte emisión láser comienza. En contraste al LED con su
amplia distribución espectral, la emisión en la operación láser se reduce a una
o sólo a unas pocas líneas espectrales.
Figura 3.6. Características de Luz - Corriente de un diodo láser.
70
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Figura 3.7. Distribución espectral de la emisión de (1) un LED y (2) de un diodo láser.
En contraste a la emisión de un LED, la radiación de un diodo láser es
espacialmente coherente debido a la emisión estimulada. El haz irradiado es
notablemente más angosto que el de un LED, el cual facilita, particularmente,
un lanzamiento efectivo de la luz dentro de la fibra óptica.
Figura 3.8. Distribución espacial de la emisión de (1) un LED y (2) un diodo láser.
71
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Láser de Fabry-Perot (MLM)
Este láser emite un patrón multimodal, es decir que, Este láser tendrá una línea
espectral dominante en la longitud de onda deseada donde usualmente el
modo principal se centra en la ventana de 1310 nm y líneas subsidiarias
separadas aproximadamente 1 nm con menores amplitudes. La amplitud
máxima a media potencia de modo es de 4 o 5 nm. La siguiente es una figura
que ilustra la respuesta de este láser.
Figura 3.9 Respuesta del láser Ferry- Perot
Diodos láser de ganancia guiada (GLD)
Láser de banda oxidante para rangos de longitudes de onda de 800 a 900 nm
(Figura 3.10). La concentración de las portadoras inyectadas en la franja activa
causa que el índice de refracción tome un perfil lateral, el cual – en particular,
con anchos de franjas muy angostas – proporciona una guía estable del modo
fundamental lateralmente limitado. Este perfil de índice de refracción
corresponde a un perfil de amplificación óptica, también conocida como
72
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
ganancia. Por eso, los diodos láser de esta familia también son conocidos
como diodos láser de ganancia guiada.
Figura3.10. Estructura de in láser de banda de óxido.
Diodos láser de índice guiado (ILD)
Un GaInAsP/InP-MCRW (guía de onda de cubierta de metal) es un láser para
rangos de longitudes de onda de 1300 a 1600 nm.
Los diodos láser con guías de onda integradas son llamados diodos láser de
índice guiado (ILD) porque tienen un perfil permanente de índice de refracción
[15].
73
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Figura 3.11 Estructura de un láser MCRW.
Láser de retroalimentación distribuida (DFB)
Aunque los diodos láser irradian luz en un rango de longitudes de onda mucho
más angosto que los LEDs, para aplicaciones especiales en transmisiones
ópticas de datos, por ejemplo, para tasas de bits muy altas, para transmisión
coherente o para transmisión de señales de televisión en amplitud modulada,
se necesitan láseres de una sola frecuencia. Para este propósito es necesario
exactamente el control longitudinal de los modos de oscilación del láser y, en
consecuencia, limitar su propagación de onda.
Un método para la reducción del número de modos longitudinales es de
integrar una estructura periódica en la capa activa del láser, que puede
acoplarse dinámicamente al campo de radiación del láser. En contraste a los
láser de Fabry-Perot de uso general, que reflejan la luz del láser hacia adelante
y hacia atrás en un área de resonancia entre dos superficies espejo del láser,
los láseres de retroalimentación distribuida (DFB) emplean una serie de
elevaciones de ondulaciones en el sustrato de semiconductores para reflejar
74
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
sólo la longitud de onda de luz específica y, por tanto, ampliar una sola longitud
de onda resonante. El ancho espectral de un láser DFB es más pequeño que 1
nm.
Un láser C3 (láser de cavidad acoplada hendida) hace posible limitar los modos
de un láser a un sólo un modo longitudinal. Se compone de dos láseres FabryPerot electrónicamente separados, que se unen ópticamente por un espacio de
aire. Sólo las longitudes de onda que ambos resonadores tienen en común
serán amplificadas, de manera que un rayo de luz monocromática se genera.
Técnicamente estos láseres C3 son producidos por una simple división del
diodo láser semiconductor a lo largo de una superficie paralela de cristal que al
final se encuentran.
La estructura de los DFB ha sido construida con selectividad de longitud de
onda por medio de un mecanismo de retroalimentación. La retroalimentación
no esta localizada en los extremos sino que está distribuida a lo largo de la
cavidad. Este tipo de láser contiene una rejilla periódica entre las dos capas de
la estructura del láser para proveer retroalimentación a una longitud de onda
específica que se determina por el espacio del enrejado. Esto corresponde a
una variación periódica en el índice modal.
Una característica importante que hay que tener en cuenta es la sensibilidad
que tiene la luz reflejada, particularmente en el conector donde el láser se
enlaza con la fibra principal. Incluso pequeñas cantidades como el 0.1% de la
luz emitida, si se refleja, puede desestabilizar el láser y afectar el desempeño
del sistema. Para reducir estos efectos de luz reflejada se pueden tomar varias
soluciones, una de ellas es la colocación de capas antireflejantes. Otra forma
sería cortar la punta de la fibra con un ángulo inclinado para que la luz reflejada
no golpee la región activa del láser. Algo más drástico será el colocar un
aislador entre el láser y el conector de la fibra.
75
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Un parámetro importante de un láser DFB es la relación supresión de modo
(MSR). Ya que el principal objetivo de este tipo de láser es atenuar modos de
longitud subsidiarios y obtener la potencia máxima en el modo dominante. Se
puede esperar una MSR > 30 dB para un DFB operando de manera continua.
El ancho de pulso a media potencia (FWHM) esperado en condiciones ideales
será menor a 0.2 nm. El gran uso de este dispositivo se debe a que la
dispersión cromática se incrementa cuando se hacen más amplios los anchos
de pulso, lo cual es indeseable para sistemas con tasa de transmisión por
encima de de 1 Gbps. Así que el DFB tiene el ancho de pulso más angosto.
Se tiene en consideración que es un dispositivo costoso y que su operación es
vital en los enlaces de altas tasas de transmisión [3].
Enrejado
Tipo p
Región activa
Tipo-n
Figura 3.12 Diagrama de constitución de láser DFB
Láser de superficie emisora por cavidad superficial (VCSEL)
El diseño básico de un diodo láser en la mayoría de los dispositivos de
comunicación de fibra óptica es tal que la luz láser generada sale por el borde
del encapsulado láser, es decir la luz de los llamados láseres de emisión de
borde deja al semiconductor por una superficie lateral (borde), perpendicular a
la dirección del flujo de corriente.
También han sido desarrollados laseres en los que la radiación sale
perpendicular a la estructura de la capa (en dirección al flujo de corriente) a
través de una de las superficies principales. Láseres de este tipo son llamados
láser de emisión de superficie de cavidad vertical (VCSEL). Estos requieren
76
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
espejos, por encima y por debajo de la zona activa, de modo que el resonador
puede formarse perpendicular a la estructura de la capa. Estos láseres fueron
originalmente desarrollados para transmisión cerca de los 850 nm. La
investigación se concentra en la transferencia de las emisiones de onda a 650
nm para fibras ópticas de plástico y más hacia la longitud de onda de 1300 nm
para fibras monomodo y tasas de bits más altas.
Módulo láser
La operación práctica de los diodos láser requiere de varios grupos funcionales.
Estos se encuentran en un dispositivo herméticamente sellado. La unidad
completa se llama módulo láser.
La Figura 3.13 muestra un esquema del módulo láser. El diseño modular
asegura que el diodo láser puede ser fácilmente adaptado a la vía de
transmisión.
Figura 3.13 Esquema de un diseño modular de un módulo láser.
77
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
La unión óptica se lleva a cabo en el módulo, es decir, el conector es acoplado
óptimamente a la superficie de emisión del diodo (es necesario la alineación de
la fibra) y se alimenta, manteniendo el cierre hermético del módulo.
El grupo funcional para el control de la temperatura es especialmente
importante. Refrigerantes, entre otros, se utilizan para este fin [15].
3.3 Fotodetectores
Es el término aplicado a aquellos detectores de luz, cuya función se compara a
la del ojo ya que traducen la percepción de ondas luminosas a diferentes
longitudes. En el sistema de comunicaciones óptico difiere mucho el tipo de luz,
ya que ésta no puede ser percibida por el ojo, como ya consideramos, el rango
utilizado es el infrarrojo, para el cual habrá detectores que distingan y trabajen
mejor en este rango. Por tanto el propósito de los dispositivos será el de
convertir la radiación óptica a señales eléctricas y además responder
rápidamente a los cambios en el nivel de potencia óptico.
Existen dos mecanismos de fotodetección [15]. El primero llamado por efecto
fotoeléctrico externo, en el que se liberan electrones de una superficie de algún
metal gracias a la energía absorbida de una cadena de fotones incidentes. Los
dispositivos basados en este efecto son el fotodiodo de vacío y el tubo
fotomultiplicador.
Otro
mecanismo
es
provocado
por
la
unión
de
semiconductores a veces llamado efecto fotoeléctrico interno. Aquí sucede que
se generan portadores libres de carga por la absorción de fotones incidentes,
Existen tres dispositivos de este tipo, el fotodiodo de unión pn, el fotodiodo PIN
y el fotodiodo de avalancha.
Para poder comparar el funcionamiento de entre todos los detectores ópticos
se toman en cuenta diversos parámetros, los más importantes son la
responsividad, la respuesta en el espectro y el tiempo de subida. La
78
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
responsividad, ρ, es la relación entre la corriente de salida del detector y la
potencia óptica de entrada. Sus unidades son ampere por watt.
ρ=
i
P
(3.1)
La respuesta en el espectro se refiere a la curva de la responsividad del
detector contra la longitud de onda, de aquí que existan distintos detectores
según las longitudes de trabajo. Y el tiempo de subida, tr, es el tiempo que
tarda el detector en cambiar su salida de corriente de 10% a 90% de su valor
de salida cuando existen variaciones en la potencia óptica de entrada. Con esto
en cuenta es posible dar un vistazo a cada detector óptico.
3.3.1 Fotodiodo de vacío y fotomultiplicador
A pesar de que estos no se utilizan en los sistemas de comunicaciones por
fibra óptica, son útiles para probar los componentes de forma independiente,
además que el revisar su funcionamiento es más sencillo y facilitará el análisis
posterior de los dispositivos semiconductores.
Un fotodiodo de vacío como se ve en la figura siguiente funciona al recibir un
voltaje nivel de referencia, lo que provoca tener un ánodo positivo y un cátodo
negativo. Cuando no le incide luz, la corriente que pasa a través de la
resistencia de carga es cero y el voltaje de salida también. Al irradiarse luz
sobre el cátodo, los fotones incidentes son absorbidos, liberando energía a los
electrones del metal. Algunos de estos ganan suficiente energía como para
escapar del cátodo y alcanzar el ánodo. Durante este movimiento se provoca
flujo de corriente.
79
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
FOTONES INCIDENTES
CÁTODO
ÁNODO
-
+
i
Rl
V
V
Figura 3.14 Fotodiodo de vacío
Para liberar a un solo electrón se necesita una cantidad de energía llamada
función de trabajo. Entonces un fotón incidente debe tener por lo menos esta
cantidad de energía para causar la emisión un electrón. La función de trabajo
se denota con φ y h es la constante de Planck.
hf ≥ φ
(3.1)
La frecuencia óptica más baja que puede ser detectada es f= Φ /h. Lo que
corresponde a una longitud de onda de λ = hc / Φ.
El tubo fotomultiplicador (PMT) de la Figura 3.15 tiene una responsividad
mucho más grande que el fotodiodo, debido a su mecanismo de ganancia
interno. La forma de trabajo ocurre en que electrones emitidos desde el cátodo
son acelerados hacia un electrodo llamado dinodo. El primer dinodo atrae
electrones pues está colocado en un voltaje más alto que el cátodo,
típicamente 100 V o mas. Los electrones que golpean al dinodo llevan una
cierta energía cinética que al chocar es liberada y provoca que ocurra un
proceso secundario de liberación de electrones, pero esta vez liberando cada
electrón incidente a más de un electrón del dinodo, lo que provoca una
amplificación de la corriente de detección. Así, si se coloca una serie de
dinodos antes de llegar al ánodo, cada dinodo subsiguiente tendrá un voltaje
80
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
mayor que su predecesor. Aquí se llegan a obtener ganancias de entre 2 y 6
comúnmente.
FOTONES INCIDENTES
CÁTODO
ÁNODO
DINODO
-
+
ELECTRONES
SECUNDARIOS
i
Rl
V
V
Figura 3.15 Fotomultiplicador
3.3.2 Fotodiodo semiconductor
Lo fotodiodos de unión semiconductora son pequeños, sensibles a la luz y
rápidos, y pueden operar con unos cuantos volts de alimentación mínima. Son
casi ideales para sistemas de fibra.
Al considerar un fotodiodo de unión pn se puede ver el mecanismo de
detección de los fotodiodos de unión. Estos recibir un voltaje de nivel de
referencia invertido, se provoca que la barrera de energía potencial entre las
regiones p y n se incremente. Los electrones libres (generalmente en la región
n) y los espacios libres (normalmente en la región p) no pueden rebasar esa
barrera, por lo que no hay corriente. Esta unión se refiere a la región donde la
barrera existe, por que no hay cargas libres en la unión. Debido a que no
existen cargas libres en la unión, esta se llama zona de agotamiento. Al no
tener cargas libres, su resistencia es alta por lo que casi todo el voltaje a través
del diodo aparece en la unión.
La forma en que trabaja este dispositivo es recibiendo un fotón el cual será
absorbido en la unión tras pasar por la capa de alguno de los materiales. La
energía absorbida levanta un electrón que se halle al límite a través de la
81
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
banda intermedia de la banda de valencia a la de conducción. El electrón
adquiere libertad de moverse. De este efecto un agujero queda en la banda de
valencia en la posición antes ocupada por el electrón. Se crean portadores de
carga libre. Ocurrirá un reacomodo entre hueco y electrón lo que a su vez
ocasiona flujo de corriente.
fotón
i
a)
V
Banda de conducción
Electrón libre
creado
fotón
b)
Energía
del
electrón
Agujero libre
creado
Unión
Banda de valencia
Figura 3.16 Fotodiodo de unión de semiconductores. a) Alimentación inversa del diodo. b)
Diagrama de nivel de energía
Si los fotones son absorbidos por las capas p o n, se crea un par electrónagujero pero las cargas libres se moverán muy lentamente por lo que
difícilmente alcanzan la unión, no ocurrirá flujo de corriente. Este efecto
disminuye la responsividad del detector, lo que lo hace ineficiente.
Fotodiodo PIN
Este tipo es el más común en los sistemas de comunicaciones ópticos. Es
similar al detector anterior, sin embargo este tiene una amplia capa intrínseca
82
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
de semiconductor entre las regiones p y n. la capa intrínseca no tiene cargas
libres, así que su resistencia es alta. El voltaje de diodo cruza casi en si
totalidad por la capa. Además el hecho de que sea tan grande incrementa la
probabilidad de que los fotones incidentes sean absorbidos en ella en vez de
en las delgadas regiones p y n. Esto mejora la eficiencia y la velocidad con
respecto a su predecesor.
Capa intrínseca
i
p
n
V
Figura 3.17 Fotodiodo PIN
Los materiales de construcción son diversos. El mas común es el silicio, y sus
longitudes de trabajo están entre 800 nm y 900 nm. Para longitudes mas
grandes existen otros materiales como son el germanio y el InGaAs, que
aunque introducen un mayor ruido, responden bien en el rango de 1200 nm a
1700 nm.
Tabla 3.2 Fotodiodos PIN
Rango de
Longitud de onda
longitud de onda
de respuesta pico
(µm)
(µm)
Silicón
0.3 – 1.1
0.8
0.5
Germanio
0.5 – 1.8
1.55
0.7
InGaAs
1.0 – 1.7
1.7
1.1
Material
83
Responsividad
pico (A/W)
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Fotodiodo de avalancha
El fotodiodo de avalancha (APD) es un detector de unión semiconductora que
tiene ganancia interna, lo que incrementa su responsividad respecto a los
dispositivos pn o PIN. Teniendo ganancia, el APD es similar a tubo
fotomultiplicador pero su ganancia es menor, llegando a unos cientos o menos.
Sin embargo con estas ganancias es un dispositivo más sensible que el diodo
PIN.
La existencia de la multiplicación de la corriente de avalancha viene de que al
recibir un fotón, éste es absorbido en la región de agotamiento, creando un par
electrón-hueco libre. Entonces las grandes fuerzas en la región de agotamiento
causan que estas cargas se aceleren, ganado energía cinética. Cuando las
cargas aceleradas chocan con átomos neutros, se crean pares adicionales
usando parte de su energía cinética en empujando electrones a través de la
banda de energía. Así que una carga acelerada puede crear varias cargas
secundarias. A su vez estas cargas secundarias podrían acelerase y crear
nuevos pares, esta es la razón de l proceso de multiplicación por avalancha. En
la figura observamos a las capas p+ y n+, las cuales están altamente dopadas,
con regiones de baja resistencia teniendo voltajes pequeños. La región π está
ligeramente dopada, la mayoría de los fotones son absorbidos en esta capa, y
creando allí los pares [4].
Creación de
pares electrónagujero
Región de
multiplicación
i
p
V
+
p
π
n
+
Región de
agotamiento
Figura 3.18 Fotodiodo de avalancha
Se puede decir que los APD son usualmente variaciones de los PIN.
84
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
La siguiente es una tabla de características de los fotodiodos de unión
semiconductora, usados en los sistemas de comunicación.
Tabla 3.3 Detectores de unión semiconductora
Material
Estructura
Tiempo de subida
(ns)
Responsividad
Ganancia
Silicio
PIN
0.5
300 -1100
1
Germanio
PIN
0.1
500 – 1800
1
InGaAs
PIN
0.3
900 – 1700
1
Silicio
APD
0.5
400 – 1000
150
Germanio
APD
1
1000 – 1600
50
InGaAs
APD
0.25
1000 - 1700
20
3.4 Amplificadores ópticos
Los amplificadores ópticos han sido diseñados con el propósito de evitar
procesos innecesarios y que hacían vulnerable a la red óptica, pues el no tener
este dispositivo significaba que para una amplificación era necesario convertir
la señal al dominio eléctrico. El avance en las fuentes luminosas impulso el
mismo en los amplificadores ópticos al notar que los mismos efectos físicos y
atómicos que se producen en las fuentes ópticas, pueden aplicarse en los
elementos intermedios de la red óptica para reducir las atenuaciones y sin ser
estos completamente fuentes ópticas.
El fenómeno físico responsable de la amplificación óptica es el ya antes citado
por parte de las fuentes ópticas, aquel introducido por Albert Einstein en 1917
conocido por emisión estimulada. Los fotones emitidos por emisión estimulada
tienen las mismas características que los fotones estimuladores, lo que los
hace indistinguibles de estos. Por ello un haz de luz puede amplificarse, al
pasar por un medio material en el que se provoquen más emisiones
85
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
estimuladas que absorciones. Para ello, es preciso excitar a los átomos que
componen el medio material, mediante lo que se llama energía de bombeo,
parte de la cual se transfiere al haz de luz que se amplifica. Si uno de tales
medios se encierra en una cavidad formada por dos superficies reflejantes
enfrentadas, se puede producir un haz de luz láser, originado por el fenómeno
de amplificación de la fluorescencia emitida por los átomos excitados, cuando
éste pasa múltiples veces por el medio amplificador.
Respecto a su aplicación se puede decir que los amplificadores ópticos son
componentes de gran importancia estratégica en el desarrollo de enlaces
ópticos a gran distancia y alta velocidad, su objetivo es compensar las perdidas
de distribución. Más claramente su función es aumentar los diferentes niveles
de potencia a las señales débiles en los enlaces muy largos, para asegurar la
entrega de una señal que pueda entender el receptor.
Las tecnologías existentes y usadas son las siguientes: amplificadores ópticos
de semiconductores (SOA), amplificadores de efecto dispersivo de Raman y
Brillouin y de fibras dopadas con tierras raras. A continuación se analiza cada
uno de éstos con sus aplicaciones comunes.
3.4.1 Amplificadores de fibra Raman
Un amplificador de este tipo se llama así al usar el efecto de dispersión
estimulada Raman (SRS) y ocurre en fibras de sílice cuando un bombeo
intenso se propaga a través de ella. Las principales características de la SRS
difieren de la emisión estimulada en un aspecto fundamental. Donde, como en
el caso de emisión estimulada un fotón incidente estimula la emisión de otro
fotón idéntico sin perder su energía, en el caso de SRS, el fotón incidente
bombeado, da su energía para crear otro fotón de energía reducida a
frecuencia más baja (dispersión inelástica); la energía que queda es absorbida
por el medio en forma de vibraciones moleculares. Así, los amplificadores de
86
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
fibra Raman deben ser bombeados ópticamente a diferencia de los SOA que
pueden ser bombeados eléctricamente para proveer ganancia. Se concluye
que SRS es un fenómeno no lineal no resonante, que no requiere transferencia
de población (intercambio entre electrones y huecos) entre niveles de energía.
La Figura 3.17 muestra esquemáticamente un amplificador de fibra de Raman y
el esquema de los niveles de energía.
ωp
ωs
ωs
ωp
ωs
Figura 3.19 Amplificador de Raman
El bombeo y los haces de la señal a frecuencias wp y ws se inyectan a la fibra a
través de un acoplador. La energía es transferida del bombeo del haz a la señal
del haz por la SRS. Los amplificadores Raman pueden brindar una ganancia de
30 dB a una potencia de bombeo de cerca de 1.5 W para una fibra de 1.3 Km
de longitud. La fuente de bombeo mas práctica es un diodo de neodimio
operando a 1.06 µm.
3.4.2 Amplificadores de fibra de Brillouin
El principio de operación de las fibras amplificadoras de Brillouin es
esencialmente el mismo que los amplificadores Raman excepto por que la
87
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
ganancia óptica se provee por dispersión estimulada Brillouin (SBS) en vez de
SRS. Los amplificadores Brillouin son bombeados también, y una parte de la
potencia de bombeo es transferida a la señal a través de la SBS. Físicamente
cada fotón de energía bombeado usa la mayoría de su energía en crear el
fotón de señal de energía, mientras que la energía restante es usada para
excitar un fonón acústico. A pesar de la similitud entre SBS y SRS, SBS difiere
de SRS en tres aspectos importantes los cuales afectan la operación de los
amplificadores Brillouin: 1) la amplificación ocurre sólo cuando el haz se
propaga en dirección opuesta al haz de bombeo, 2) el cambio para SBS es
más pequeño (de aproximadamente 10 GHz) por tres ordenes de magnitud
comparado con SRS y depende de la frecuencia de bombeo; y 3) el espectro
de ganancia de Brillouin es en extremo angosto, con un ancho de banda menor
a 100 MHz.
Pueden ser usados como preamplificadotes para mejorar la sensibilidad de los
receptores. Generalmente provee una amplificación de 16 dB dependiendo la
longitud de la fibra amplificadora. Una ventaja que permite una amplificación
especial es su ancho de banda estrecho pues lo hace ideal para sistemas
coherentes y multicanal.
3.4.3 Fibras amplificadoras dopadas con erbio (EDFA)
Se dice que estos amplificadores dominan el mercado. El elemento de erbio es
usado como dopante y el amplificador se llama fibra amplificadora dopada con
erbio. La competencia, los amplificadores de diodo láser, han sido eclipsados
por los EDFA, debido a su costosa manufactura y el acoplamiento de luz dentro
de la fibra pigtail, su sensibilidad de polarización y su
alto nivel de
interferencia.
Este tipo de amplificadores contiene un elemento activo, el bombeador (Figura
3.20). Éste es usualmente una fuente de luz basada en láser parecida a la de
88
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
los transmisores láser. El bombeo produce una salida en ambas longitudes 980
nm y 1480 nm.
El EDFA no es el amplificador más práctico para usar por estar limitado a la
banda de 1550 nm. Su difusión se debe a que hace posible la multicanalización
por división de longitud onda.
La amplificación tiene lugar en cierta longitud de fibra de baja perdida dopadas
con tierras raras. Muchos diferentes iones de tierras raras, como el erbio,
holmio, neodimio, samario, talio e yterbio, pueden ser usados para producir
amplificadores que operen a distintas bandas de longitud de onda, desde 0.5
µm hasta 3.5 µm.
Funcionamiento
El EDFA consiste de dos elementos activos: la fibra activa dopada con Er3+ y
un bombeador adecuado. El bombeador no es más que un transmisor láser–
semiconductor. Por lo menos un acoplador es requerido para acoplar la señal
de bombeo dentro de la fibra.[3]
Fibra dopada con erbio
1550nm
1550nm
Separador
Óptico
Acoplador
Separador
Óptico
Bombeo
óptico
980nm o 1480 nm
Figura 3.20 Diagrama a bloques de una fibra dopada con erbio
89
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
El típico espectro operacional de los amplificadores dopados con erbio es el
siguiente:
Figura 3.21 Espectro óptico de EDFA (dB vs. nm)
Existen una cantidad considerable de configuraciones de EDFA. Una de ella es
donde los haces de bombeo y de señal se propagan en la misma dirección,
otra con bombeo en dirección contraria al flujo de la señal. El desempeño es
casi el mismo que en las configuraciones de los láseres de bombeos
individuales, cuando la potencia de la señal es lo suficientemente pequeña para
que el amplificador permanezca sin saturación. En el régimen de saturación la
eficiencia de conversión de potencia es generalmente mejor en el bombeo en
dirección opuesta, principalmente por el importante rol que juega la
amplificación por emisión espontánea. Para evitar la mayor cantidad de ruido
es más recomendable la configuración de bombeo según el flujo de la señal.
También hay una configuración bidireccional, con dos fuentes de bombeo,
donde el amplificador es bombeado en ambas direcciones simultáneamente.
Un bombeador opera a 1480 nm, usualmente en dirección opuesta al flujo y el
otro en 980 nm en la misma dirección de flujo. Esto hace el mejor uso de las
fortalezas de cada uno. El bombeo en 1480 nm tiene una mayor eficiencia
cuántica pero también una mayor figura de ruido, mientras que en 980 nm se
puede proveer una figura de ruido limitada.
90
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Figura 3:22 Configuraciones de EDFA
91
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
Una simple etapa de bombeo provee típicamente una amplificación de potencia
de 16 dBm en la región de saturación y provee una figura de ruido de 5 a 6 dB
en la región de nivel pequeño Cuando se usan ambos bombeos
simultáneamente se espera una salida mucho más alta, arriba de los 26 dBm.
Para limitar la figura de ruido, lo cual se necesita en muchas aplicaciones de
preamplificación, se usa un diseño multietapas. Con este diseño, un separador
se coloca inmediatamente después de la primera etapa amplificadora (la cual
determina la figura de ruido), para prevenir la degradación del desempeño de la
primera etapa debido a una que la amplificación por emisión espontánea pueda
propagarse de regreso en la segunda etapa [3][16].
Una consideración mayor en el diseño de los EDFA es la selección de la
longitud de onda que se empleará para el bombeo. Puede usarse alguna de las
dos 980nm o 1480nm. La tabla siguiente hace una comparación entre el
desempeño de las dos:
Tabla .3.4 Comparación de λ en EDFA
Comparación de bombeo en longitudes de onda para EDFA
Longitud de onda
1480 nm
980 nm
Fuente luminosa
Diodo láser InGaAs /InP Diodo laser InGaAs de
superficie apretada
Eficiencia de ganancia
5dB/mW
10dB/ mW
Índice de ruido
5.5dB
3- 4.5 dB
Salida en saturación
+20dBm
+5 dBm
Rango de longitud de
Ancho(1470- 1490 nm)
Estrecho (979-981 nm)
bombeo
División de haz
Difícil
Simple
Salida de bombeo
50- 200 mW
10 – 20 mW
3.5 Elementos extras en el enlace de fibra óptica
3.5.1 Acoplador
Es un término usado para referirse como sinónimo de dispositivo de enramado.
Es el término que define una estructura para transferir potencia óptica entre dos
92
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
fibras o entre un dispositivo activo y una fibra. Se conocen de este tipo al
divisor (splitter) y al combinador.
Se les llama componentes ramificados dividen una señal de luz en trayectorias
separadas o toman varias señales de luz y las combinan en una sola
trayectoria. Algunos de estos dispositivos que llevan a cabo esta función son
llamados acopladores. Diferentes tipos de componentes ramificados con una
breve descripción de sus funciones se listan a continuación. Los acopladores
tienen amplia aplicación en redes de área local donde el medio de transmisión
es la fibra óptica.
3.5.2 Combinador
Típicamente tiene un puerto de salida y dos o más puertos de entrada. Puede
ser usado para operación unidireccional o bidireccional.
3.5.3 Splitter
Es un dispositivo que típicamente tendrá una entrada y muchas salidas. Puede
ser usado para transmisión bidireccional o para distribuir una señal a dos o más
dispositivos o terminales de usuarios.
3.5.4 Acoplador de árbol
Es aquel que acepta una sola entrada y distribuye la señal a muchas salidas o
viceversa. Es comúnmente usado para distribuir señales de una sola fuente a
varios recipientes.
3.5.5 Acoplador estrella
Es un dispositivo multipuertos con al menos dos puertos de entrada y dos o
más puertos de salida. Puede distribuir o combinar señales de múltiples
puertos de entrada a un solo puerto de salida, o puede aceptar una sola señal
de luz y distribuirla a múltiples puertos de salida.
93
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
3.5.6 Acoplador de banda ancha
También llamado acoplador insensible de longitud de onda opera en ambas
ventanas de longitud de onda, 1310 y 1550 nm. Todos los componentes
ramificados deberían tener esta capacidad de banda dual. Otra capacidad
deseable es que los componentes ramificados deberían ser insensibles a
variaciones de longitud de onda dentro de una sola ventana. En otras palabras,
pérdidas de inserción deberían ser lo mismo para cualquier longitud de onda
dentro de una ventana.
3.5.7 Acoplador de acceso
Es un componente ramificado de tres o cuatro puertos que facilita la función
añadir y liberar (add and drop), usualmente con algunas fracciones pequeñas
de potencia óptica. Su razón de acoplamiento es altamente no uniforme.
3.5.8 Multiplexores y demultiplexores por división de longitud de onda
Estos dispositivos no son más que componentes ramificados o acopladores.
Estos dispositivos distribuyen señales de luz basadas en su longitud de onda.
Un multiplexor por división de longitud de onda es usado para transmitir
múltiples señales de luz, cada una a diferente longitud de onda, en una sola
fibra. Un demultiplexor toma una colección de señales de luz en una sola fibra y
las separa en sus diferentes componentes de longitud de onda donde cada
componente es colocada en una fibra individual diferente.
3.5.9 Atenuador
Es un componente pasivo que produce una atenuación de la señal controlada
en una línea de transmisión de fibra óptica.
3.5.10 Filtro de fibra óptica
Es un componente pasivo usado para modificar la radiación óptica que pasa a
través de él, generalmente alterando la distribución espectral. Son usualmente
usados para rechazar o absorber la radiación óptica en rangos específicos de
longitudes de onda, mientras deja pasar otros rangos.
94
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
3.5.11 Terminador de fibra óptica
Es un componente usado para terminar un fibra con el propósito de suprimir
reflexiones.
3.5.12 Empalme.
Es una unión permanente o semipermanente cuyo propósito es acoplar
potencia óptica entre dos fibras ópticas. Existen de fusión y mecánicos.
3.5.13 Conector.
Es un componente usualmente ligado a un cable óptico o un aparato con el
propósito de proveer conexión y desconexión frecuente de las fibras o cables.
95
Capítulo 3. Elementos básicos del enlace de fibra óptica
96
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Radiofrecuencia sobre fibra óptica (RoF) es una tecnología muy efectiva al integrar
el acceso inalámbrico y óptico. Aquí se combinan la fibra óptica y radio frecuencia,
y es una forma de distribuir fácilmente frecuencias de radio como señales de
banda ancha o banda base. Para lograr esto se utilizan enlaces de fibra
analógicos para transmitir y distribuir la señal entre una CS y numerosas BSs.
Existen tres características muy importantes que diferencian una red inalámbrica
normal de aquellas que se usan en RoF; primero es que el enlace es transparente
al ancho de banda, la modulación de las señales de RF y el protocolo; segundo
que logra tener BS más simples y pequeñas; y tercero el que es arquitectura de
red centralizada. Esto logra que en ciertos momentos la CS en la red basada en
RoF tenga un conocimiento global de la situación actual de la red y así pueda
controlar dinámicamente los recursos de la red. Lo que hace interesante este
estudio, en el que al parecer no varía mucho el diseño de la red inalámbrica, es
que al basar la red en RoF, ésta será por mucho más eficiente en términos de la
administración de los recursos del sistema si la comparamos con la arquitectura
normal. Esto la hace una tecnología prometedora para los servicios inalámbricos
de multimedia futuros que demandan mayor capacidad y ancho de banda [17] [21].
La idea básica de proponer sistemas de redes inalámbricas basados en la
tecnología de RoF se plantea como una alternativa más costeable y capaz de
soportar la creciente demanda de ancho de banda. En redes de este tipo una
estación controladora es conectada a numerosas estaciones base, las cuales son
de estructura y características simples, vía fibra óptica. La función principal de la
BS es convertir la señal óptica a una eléctrica y enviarla por su antena transmisora
al móvil y viceversa. Por tanto casi todo el procesamiento de la señal (incluyendo
modulación, demodulación, codificación y enrutamiento) es desempeñado en la
estación controladora. Lo que significa que la función de la red RoF es usar
97
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
enlaces de fibra óptica para distribuir señales de RF entre la CS y las diversas
BSs.
Figura 4.1 Arquitectura básica RoF
La arquitectura general de RoF en la Figura 4.1, tiene como mínimo un enlace
RoF el cual consiste de todo el equipo requerido para colocar la señal RF en una
portadora óptica, más el enlace de fibra óptica y el hardware requerido para
recuperar la señal de RF de la portadora óptica. La longitud de onda de la
portadora es usualmente seleccionada para que coincida con cualquiera de las
dos ventanas, la de 1300 nm o la de 1550 nm, ya que en la primera una fibra
monomodo normal tiene una dispersión mínima y en la segunda la atenuación es
mínima [21].
4.1 Análisis de la tecnología RoF
4.1.1 Beneficios de la tecnología RoF
Algunas de las ventajas y beneficios de la tecnología RoF comparado con la
distribución de señales electrónicas se mencionan a continuación:
98
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Bajas pérdidas de atenuación
La distribución eléctrica de señales de microondas de alta frecuencia en el espacio
libre o a través de líneas de transmisión es problemática y costosa. En aire libre,
las pérdidas debidas a la absorción y reflexión incrementan con la frecuencia. En
líneas de transmisión, la impedancia sube con la frecuencia, llevando a pérdidas
muy altas. Por lo tanto, distribuir señales de radio de alta frecuencia
eléctricamente sobre largas distancias requiere equipo de regeneración de señal
muy caro. Como para las ondas milimétricas, su distribución usando líneas de
transmisión no es factible aún para cortas distancias. La solución alternativa a este
problema es distribuir señales de banda base o señales a baja frecuencia
intermedia (IF) de la estación controladora (CS) a la estación base (BS). Las
señales en banda base o en IF son convertidas a la frecuencia de microondas
requerida en cada estación base, amplificadas y después radiadas. Dado que
serían necesarios osciladores locales (LOs) de alto rendimiento para la conversión
en cada estación base, este arreglo lleva a complejas estaciones base con
reducidas funciones a desempeñar. No obstante, ya que las fibras ópticas ofrecen
muy bajas pérdidas, la tecnología RoF puede ser usada para lograr ambas,
distribución de baja pérdida de ondas milimétricas, y la simplificación de las BS al
mismo tiempo.
Las fibras monomodo (disponibles comercialmente) hechas de sílice tienen
pérdidas por atenuación debajo de 0.2 dB/km y 0.5 dB/km en las ventanas de
1550 nm y 1310 nm, respectivamente. Fibras ópticas de polímero, una clase más
reciente de fibra óptica, presentan un rango de atenuación más alto: de 10-40
dB/km en las regiones de 500-1300 nm. Estas pérdidas son mucho más bajas que
las encontradas en, digamos cable coaxial, cuyas pérdidas son más altas por tres
órdenes de magnitud a más altas frecuencias. Por lo tanto, al transmitir
microondas en forma óptica, las distancias de transmisión incrementan
99
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
considerablemente
y
la
potencia
de
transmisión
requerida
se
reduce
notablemente.
Gran ancho de banda
Las fibras ópticas ofrecen un enorme ancho de banda. Existen tres ventanas de
transmisión principales, las cuáles ofrecen baja atenuación, que son: 850 nm,
1310 nm y 1550 nm. Para una fibra monomodo, el ancho de banda combinado de
las tres ventanas excede los 50 THz. No obstante, hoy en día los sistemas
comerciales utilizan sólo una fracción de esta capacidad (1.6 THz). Pero los
desarrollos para explotar más la capacidad óptica de la fibra continúan. Los
factores principales que llevan hacía el desbloqueo de más y más ancho de banda
de la fibra óptica incluyen la disponibilidad de baja dispersión de la fibra, de los
amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) para la ventana de 1550 nm y el
uso de técnicas avanzadas de multicanalización, como la multicanalización por
división de tiempo óptico (OTDM), en combinación con técnicas de densa
multicanalización por división de longitud de onda (DWDM).
El enorme ancho de banda ofrecido por las fibras ópticas tiene otros beneficios
aparte de la alta capacidad para transmitir señales de microondas. El gran ancho
de banda óptico activa el procesamiento de señales de alta velocidad que tal vez
es más difícil o imposible de hacer en sistemas electrónicos. En otras palabras,
algo de la demanda de funciones de microondas tales como el filtrado, mezclado,
conversión, puede ser implementado en el dominio óptico. Por ejemplo, el filtrado
de ondas milimétricas puede ser logrado convirtiendo la señal eléctrica para ser
filtrada en una señal óptica, después desarrollando el filtrado usando componentes
ópticos tales como el interferómetro de Mach Zehnder (MZI) o la fibra de rejilla de
Bragg (FBG), y después convirtiendo la señal filtrada en forma eléctrica. Por lo
tanto, el proceso en el dominio óptico hace posible el uso de componentes ópticos
100
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
de bajo ancho de banda más baratos tales como diodos láser y moduladores, y
sigue siendo capaz de manejar señales de gran ancho de banda.
Sin embargo, la utilización del gran ancho de banda ofrecido por las fibras ópticas
está severamente obstaculizado por la limitación en el ancho de banda de los
sistemas electrónicos, los cuáles constituyen las fuentes y los receptores de la
transmisión de datos. Este problema se denomina “cuello de botella electrónico”.
La solución para el cuello de botella electrónico descansa en la multicanalización
efectiva. Técnicas como OTDM y DWDM -mencionadas anteriormente- son
usadas en sistemas ópticos digitales. En sistemas ópticos analógicos incluyendo
la tecnología RoF, la multicanalización de sub-portadora (SCM) es usada para
incrementar la utilización del ancho de banda de la fibra óptica. En SCM, muchas
sub-portadoras de microondas, las cuales son moduladas con datos digitales o
analógicos, son combinadas para modular la señal óptica, que después es llevada
en una sola fibra. Esto hace a los sistemas RoF más rentables.
Inmunidad a la interferencia electromagnética
La inmunidad a la interferencia electromagnética (EMI) es una propiedad muy
atractiva de las comunicaciones ópticas, especialmente para transmisión de
microondas. Esto es porque las señales son transmitidas en forma de luz a través
de la fibra. A causa de esta inmunidad, son preferidos los cables de fibra aún para
conexiones cortas en ondas milimétricas. Relacionada a la inmunidad a la
interferencia electromagnética está la inmunidad a ser escuchados, lo cual es una
característica importante de las comunicaciones de fibra óptica, ya que
proporciona privacidad y seguridad.
101
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Fácil instalación y mantenimiento
En sistemas RoF, el equipo caro y complejo se encuentra en la estación central
(CS), haciendo más simples las estaciones base (BS). Por ejemplo, la mayoría de
las técnicas de RoF eliminan la necesidad de un oscilador local y el equipo
relacionado en la BS. En tales casos un fotodetector, un amplificador y una antena
hacen a la BS. Los equipos de modulación y conmutación se mantienen en la CS
y son compartidos por varios BSs. Este arreglo lleva a que las BSs sean más
pequeñas y ligeras, efectivamente reduciendo la instalación del sistema y los
costos de mantenimiento. La fácil instalación y los bajos costos de mantenimiento
son requisitos muy importantes para sistemas de ondas milimétricas, debido al
gran número de BSs requeridas. En aplicaciones donde las BSs no son fácilmente
accesibles, la reducción en requerimientos de mantenimiento lleva a un mayor
ahorro en costos de operación. BSs más pequeñas también conducen a la
reducción en el impacto ambiental [22].
Reducción del consumo de energía
La reducción del consumo de energía es una consecuencia de tener una BS
simple con equipo reducido. La mayoría de los equipos complejos se mantienen
en la CS. En algunas aplicaciones, las BSs operan en modo pasivo. Por ejemplo,
los sistemas de fibra, de 5 GHz, que emplean pico-células, pueden tener las BSs
operando en modo pasivo. La reducción del consumo de energía en la BS es
significativa considerando que las BSs son a veces colocadas en locaciones
remotas que no son alimentadas por la red eléctrica.
102
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Asignación dinámica de recursos
Ya que la conmutación, modulación, y otras funciones de RF son desempeñadas
en la controladora de estación base (CS), es posible asignar capacidad
dinámicamente. Por ejemplo en un sistema de distribución RoF para tráfico GSM,
se puede asignar más capacidad en un área (en un centro comercial por ejemplo)
durante horas pico y después puede ser reasignarla a otras áreas cuando estén
fuera de los picos de demanda (por ejemplo en zonas residenciales pobladas en
las tardes). Esto puede ser logrado asignando longitudes de onda óptica a través
de multicanalización por división de longitud de onda (WDM) según se necesite.
Asignar la capacidad dinámicamente como se va necesitando evita el requisito de
asignar capacidad permanente, lo cual sería un gasto de recursos en casos donde
la carga de tráfico varía frecuentemente y por márgenes muy grandes.
Aplicaciones de la tecnología RoF
La tecnología RoF no es adecuada para aplicaciones de sistemas, donde un alto
1
SFDR
(Rango Dinámico libre impurezas) es requerido, a causa del rango
dinámico limitado. Es verdad que en los sistemas móviles de cobertura amplia,
tales como GSM, un SFDR de > 70 dB es requerido (en exteriores). Por tanto, la
mayoría de aplicaciones en interiores no requieren un alto SFDR. Por ejemplo, el
SFDR requerido para un enlace de subida de GSM reduce de > 70 dB a cerca de
50 dB para aplicaciones en interiores. Por esta razón, los sistemas de distribución
RoF pueden ser prontamente usados para distribución en interiores de señales
inalámbricas de ambos sistemas, móviles y de comunicación de datos. En este
caso el sistema RoF se vuelve un sistema de antena distribuida (DAS).
1
SFDR (Spurious Free Dinamyc Range ). Es la potencia máxima de la señal de salida para la cual la potencia
del producto de intermodulación de tercer orden es igual al ruido de fondo (noise floor).
103
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
4.2 Acoplamiento de radiofrecuencia sobre fibras ópticas
De forma general un enlace óptico consistirá en una fibra óptica, un transmisor, un
receptor y un amplificador como en la figura.
Amplificador
Amplificador
Transmisor
Receptor
Fibra óptica
Figura 4.2 Enlace óptico básico
A diferencia de las redes ópticas convencionales donde señales digitales son
transmitidas principalmente, RoF es fundamentalmente un sistema de transmisión
analógico debido a que distribuye las señales, directamente en una portadora de
radiofrecuencia, desde un CS a un BS. Realmente, la señal analógica que es
transmitida puede ser cualquiera de éstas: una señal de Radiofrecuencia (RF),
una señal de frecuencia intermedia (IF) o un señal de banda base (BB). En el caso
de ser transmisión en IF o BB, es necesario hardware adicional para convertirlo a
la banda de RF que es requerida en la BS para transmisión. En el transmisor
óptico, la señal de RF/IF/BB puede ser colocada en la portadora óptica usando
modulaciones directa o externa de luz láser. El sistema, como es de esperarse no
es perfecto pues tiene limitaciones debidas a efectos no lineales, por los límites de
la respuesta en frecuencia en el láser y los dispositivos de modulación, así como
de la dispersión en la fibra. La transmisión de señales analógicas en la fibra tiene
ciertos requerimientos específicos respecto a linealidad y rango dinámico, los
cuales son diferentes y más exactos que los usados en sistemas de transmisión
digital [20].
104
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
4.3 Métodos de generación y transporte de señal
Virtualmente todos los enlaces ópticos transmiten señales de microondas o de
onda milimétrica aplicando modulación de intensidad de luz. Esencialmente
existen tres diferentes métodos de transmisión de este tipo de señales sobre
enlaces ópticos con modulación de intensidad: modulación de intensidad directa,
modulación externa y de heterodino remoto. En modulación de intensidad directa
un parámetro eléctrico de la fuente de luz es modulado por la señal de RF de
información. En la práctica el parámetro suele ser la corriente del diodo láser. En
el segundo método se aplica una fuente de luz sin modular y un modulador de luz
externo. En el tercer método, las señales de RF son generadas de forma óptica
vía heterodino remoto, lo cual es un método en el que más de una señal óptica es
generada por la fuente luminosa; una de ellas es modulada por la señal de
información y éstas son mezcladas por el fotodetector o por un mezclador externo
para formar la señal RF de salida [17].
4.3.1 Modulación de RF por intensidad de luz y detección directa
Esto se conoce como IM-DD. Para realizar la modulación de la fuente existen dos
métodos, uno es dejar que la señal de información en RF module directamente la
corriente de la fuente como se observa en la Figura 4.3. La segunda opción es
operar el láser de forma continua y entonces usar un modulador externo tal como
el Mach-Zehnder para que este module la intensidad de luz. En ambos casos, la
señal moduladora es la señal RF a ser distribuida. La señal de RF debe ser
apropiadamente pre- modulada por los datos de transmisión, debido a que RoF
requiere equipo electro-óptico muy capaz y complejo en la CS. Después de la
transmisión a través de la fibra y detección directa en el fotodiodo, la corriente
resultante es una réplica de la señal modulante RF aplicada ya sea directamente o
por el modulador externo en la CS. Esta corriente se amplifica para alcanzar el
105
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
requerimiento de voltaje que será usado para excitar la antena. El formato de
modulación de los datos se conserva [19].
Modulador de microondas
a)
Generador
de
microonda
BS
Fuente
CS
Modulador
de
microonda
LD
Fotodiodo
Modulador de microondas
Almacén de
datos
CS
b)
Demodulador
de microondas
BS
Fotodiodo
LD
Figura 4.3 Configuración IM- DD a) CS a BS (bajada), b) BS a CS (subida)
Usualmente la mayoría de los sistemas de RoF, incluyendo los de IM-DD usan
fibras monomodo para su distribución.
106
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Ventajas de IM-DD
La ventaja de este método es la simpleza y por otra parte el que si se usa una
fibra de baja dispersión junto con un modulador externo el sistema se vuelve
lineal. Por tanto el enlace óptico actúa sólo como un amplificador o atenuador y es
entonces transparente al formato de modulación de la señal RF por lo que se
puede transportar cualquier tipo de formato. Dichos sistemas necesitan poca o
nula actualización si el formato de modulación de la señal RF cambia.
Desventajas de IM-DD
Una desventaja de la técnica IM-DD es su dificultad de maniobra con aplicaciones
de onda milimétrica de alta frecuencia. Esto se debe a que para generar señales
de frecuencia más alta (tales como la de onda milimétrica), la señal modulante
debe también estar a la misma alta frecuencia. Para modulación directa de un
láser esto no es posible por las limitantes de ancho de banda y las no linealidades,
lo que causa distorsión por el fenómeno de intermodulación. Por otro lado, aunque
los moduladores externos pueden soportar altas frecuencias de señales de RF,
requieren de voltajes altos, lo que a su vez lleva a tener amplificadores muy
costosos.Una desventaja más es que es susceptible a la dispersión cromática.
Modulación directa
Ésta es la más simple de las tres soluciones, por lo que se usa siempre que se
puede. Al ser combinada con detección directa usando un fotodetector, es usual
referirse a esta como modulación de intensidad con detección directa (IM-DD).
107
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Modulación de
intensidad
f RF
f RF
Fotodetector
Fuente
Óptica
Filtro paso
banda
Entrada RF
Figura 4.4. Modulación directa
El enlace de modulación directa consiste en un láser semiconductor que convierte
directamente una modulación de señal pequeña (cercana al nivel de referencia
puesto por la corriente directa) en una correspondiente modulación de intensidad
de fotones emitidos (cercana al promedio de la intensidad en el nivel de
referencia). Además que un único dispositivo servirá como fuente óptica y como
modulador óptico-RF.
Existe un fenómeno que limita el uso de esta modulación y es el ancho de banda
del láser, es decir su velocidad de conmutación. Los láseres simples pueden ser
modulados a frecuencias de varios gigahertz, llegando a 5 o hasta 10. Sin
embargo existen reportes de que hay algunos láseres de modulación directa que
pueden operar hasta los 40 GHz o más, pero éstos son raros e incluso se podría
decir que inaccesibles en el mercado. Por tanto, es preferible aplicar modulación
externa para frecuencias muy altas, encima de los 10 GHz.
108
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Modulación externa
En un sistema de fibra el modulador óptico externo (EOM) sigue al diodo láser,
que opera a un nivel fijo de potencia. Estos moduladores externos son más
complejos y costosos que los moduladores internos, pero agregan la ventaja de
poder trabajar a tasas más altas y con menor distorsión de la señal. Evita casos
como el ocurrido en modulación directa, al ocasionar que la salida de la portadora
de un láser tenga variaciones en frecuencia desde el principio hasta el final de un
pulso digital. Lo cual incrementa el ancho del pulso, la dispersión y a su vez ésta
limita la capacidad del sistema. Por tanto, cuando es necesario tener sistemas de
capacidades más grandes o frecuencias más amplias, el mejor candidato será un
modulador externo.
Modulación de
intensidad
Fuente
Óptica
f RF
f RF
Fotodetector
Modulador
RF/ Óptico
Filtro paso
banda
Entrada RF
Figura 4.5 Modulación externa
Modulador de electroabsorción
Es un dispositivo basado en el uso de uniones de semiconductor. Éste trabaja de
la siguiente forma: al recibir un voltaje de referencia inverso tiene un decremento
109
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
en la banda de energía (normalmente denotada W), lo que ocasiona el
comportamiento físico de los fotones, que al tener energía menor que la de la
banda del material, éstos serán transmitidos a través del semiconductor, y en
cambio, si cuentan con energía mayor que la banda, serán absorbidos por el
material [4].
Metal
p InGaEs
Capa de
absorción
p Inp
n InP (substrato)
Metal
Figura 4.6 Modulador de electroabsorción
La banda de energía de la fuente láser, se ve en la siguiente figura, donde por un
lado no se aplica ningún voltaje externo, por lo que la energía del diodo llega a ser
menor que la del EAM, así que lo fotones se transmiten. En cambio si se aplica el
voltaje inverso, la banda de energía del EAM disminuye, así que los fotones son
absorbidos.
Láser
WLD
EAM
WEAM
TRANSMISION
Láser
EAM
WLD
ABSORCIÓN
WEAM
Figura 4.7. Bandas de energía de láser y EAM. En transmisión y absorción
110
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Para necesidades del sistema posteriormente propuesto, gracias a las
características citadas, este modulador llega a ser de las mejores opciones [19].
Interferómetro Mach- Zehnder
Este dispositivo sirve de modulador externo y está constituido por guías de ondas
de titanio difuso colocadas en un substrato de niobatio de litio. Trabaja recibiendo
la señal de la fuente óptica y puede modularla aplicando un voltaje a los
electrodos. Entonces cuando el haz de luz entra, se divide y va por dos caminos y
después se recombina a la salida, si no recibe el voltaje, la recombinación ocurre
en fase por lo que la interferencia será constructiva y ocurrirá una transmisión
máxima. En cambio, al aplicar un voltaje considerable a los electrodos, existirá una
fase de 180º entre los caminos y al combinarse a la salida los dos haces obtenidos
se interferirán destructivamente y la señal de salida será mínima. Al jugar con el
voltaje se pueden obtener las modulaciones requeridas, este tipo de dispositivos
opera en el rango de gigahertz y puede requerir hasta 10 volts para lograr su
trabajo.
4.3.2 Generación de la señal por heterodino remoto
Heterodino remoto
También se llama detección coherente. Aquí existe un haz de luz fijo, llamado
oscilador local en analogía con el usado en radiofrecuencias. Éste se mezcla con
la onda modulada a la entrada del fotodetector lo que realmente hace es detectar
los cambios en fase ocasionados por la suma de las señales y los transforma en
cambios de intensidad óptica. Las variaciones son reproducidas en formas de
onda de corriente, lo que hace posible la recepción y demodulación de portadoras
111
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
ópticas moduladas en frecuencia. Además de esta detección analógica también es
muy efectivo para señales digitales moduladas en intensidad [4].
Existen diversas formas de generar las dos portadoras ópticas para la técnica de
heterodino coherente. Una sería el uso de un modulador de fase óptico para
generar varias bandas laterales, y entonces seleccionar los componentes
requeridos. Otro enfoque es el uso de dos fuentes ópticas separadas. Las dos
están hechas para emitir luz a frecuencias separadas por la frecuencia de
microonda requerida. Las dos técnicas mencionadas son entonces usadas para
tener la frecuencia de referencia entre dos portadoras ópticas estables y
relacionadas en fase.
CS
Fuente de datos
m(t)
f1
Fuente
óptica a dos
frecuencias
BS
Modulador
Acoplador
f2
Filtro
óptico
PD
fm(t)= f1- f2
Figura 4.8 Heterodino remoto en un enlace RoF
Ventajas
Usando la técnica de heterodino, frecuencias muy altas pueden ser generadas,
limitadas solamente por el ancho de banda del fotodetector. Además se detectan
altas potencias y tiene una alta relación de portadora a ruido (CNR). Esto es por
que las potencias ópticas de las dos fuentes contribuyen a la potencia de la señal
de microondas generada.
112
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
La técnica de heterodino remoto tiene una ventaja inherente respecto a la
dispersión cromática. Si sólo una de las dos portadoras ópticas es modulada con
datos, la sensibilidad del sistema a la dispersión cromática se reduce
enormemente, lo cual no es posible en modulación de intensidad directa. Reducir
los efectos de la dispersión cromática es muy importante en los formatos de
modulación de señales sensibles al ruido de fase, donde la dispersión causa
pérdidas en la potencia.
Otro atributo importante de la detección por heterodino remoto es que permite la
modulación de datos a baja frecuencia en la CS dado que no se requieren
componentes electro-ópticos de alta frecuencia. Además en contraste con IM-DD,
el modulador en la CS puede ser manejado con datos en banda base o
frecuencias bajas de RF. Moduladores de frecuencia baja generalmente tienen
pequeños voltajes de media onda y además requieren bajos niveles de manejo,
por esto son fáciles de linealizar.
Una ventaja mayor de la técnica de heterodino óptico es la capacidad de producir
señales con el 100% de capacidad de modulación de intensidad. Otros beneficios
incluyen procesamiento de señales fotónicas y capacidades de funcionamiento del
sistema de radio tales como control de fase, filtrado y conversión de frecuencia.
Desventajas
La mayor desventaja es la fuerte influencia del ruido de fase del láser y las
variaciones de frecuencia óptica en la pureza y estabilidad de las portadoras de
RF generadas. Dado que los láseres tienen anchos espectrales amplios, se deben
tomar medidas extras para reducir el ancho del haz de las señales de RF
generadas. Estas medidas hacen más complejo el sistema. Las técnicas usadas
113
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
para reducir la sensibilidad al ruido de fase incluyen bucles ópticos encerrados en
fase (OPLL) e inyección de bloqueo óptico (OIL) [22].
4.3.3 Generación de la señal usando un Transreceptor Óptico
La estructura más simple de una BS se puede implementar con la colocación de
un transreceptor óptico como el de electroabsorción (EAT), el cual funciona con el
mismo principio antes mencionado para el modulador de electroabsorción, y
desempeña la función de un conversor óptico-eléctrico (O/E) para la bajada de
señal y de un conversor electro-óptico (E/O) para la subida de la señal, y hace
ambos al mismo tiempo. Así, dos longitudes de onda son transmitidas sobre una
fibra óptica de CS a BS. Una para la transmisión de bajada, la cual es modulada
por la señal de datos, mientras que la longitud de onda para la subida no es
modulada. Esta última llega a modularse por la señal de datos de subida en la BS
y regresa a la CS. Entonces la función que puede desempeñar un EAT es doble,
por un lado como fotodiodo para la trayectoria de datos y por otro como modulador
provee la trayectoria de retorno de los datos, y sin la necesidad de un láser en la
BS. Una desventaja es que sufre del problema de dispersión cromática. Hay que
notar que siempre serán necesarias dos longitudes de onda para los enlaces de
subida y bajada, y así es posible la operación full-dúplex [17].
114
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Figura 4.9 Transreceptor de electroabsorción
4.3.4 Usando conversiones de frecuencia
En esta técnica se transporta una señal en la banda de frecuencia intermedia (IF)
en vez de la banda RF. El transporte de la señal óptica en esta banda está casi
libre de dispersión cromática. Sin embargo, la conversión eléctrica entre bandas
requiere de mezcladores de frecuencia y un oscilador de ondas milimétricas,
resultando en costo adicional a la BS. Otra ventaja de esta técnica es el hecho de
que ocupa un pequeño ancho de banda, lo cual es especialmente benéfico cuando
el sistema es combinado con DWDM.
Configuraciones del enlace RoF
La configuración del enlace es la forma de armar la parte correspondiente a la
transmisión y recepción de la señal saliente y en este caso dependerá de la clase
de bandas de frecuencia utilizadas, esto para tener una mayor eficiencia. Se basa
115
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
en el tipo de banda de frecuencia que será transmitida sobre la fibra óptica (en
banda base, frecuencia intermedia o radio frecuencia). Primero veamos un
esquema básico para la banda RF donde se asume que la BS tiene su propia
fuente de luz para propósitos explicativos, ya que -como veremos- podría
configurarse sin la necesidad de esta fuente para la transmisión de subida.
También observamos que la BS no tiene equipo de modulación o demodulación, ni
para éste ni para ninguna de las configuraciones, esto lo concentra la CS.
Para la transmisión de bajada de CS hacia las BSs, la señal de información
proveniente de cualquier lugar, la red pública, Internet u otra CS es introducida al
módem de la CS. La señal que proviene de cualquiera de la tres bandas se usa
para modular la señal óptica del láser. En el caso de RF si la señal es de
frecuencia baja dentro de la banda es posible modular con ésta directamente el
láser. En cambio si es una señal de frecuencia alta dentro de la banda, es
necesario utilizar moduladores ópticos externos (EOM), como lo son los de
electroabsorción. La señal óptica modulada es transmitida hacia las BS por la fibra
óptica. Ya en el punto de la CS la señal, de la banda que sea, es recuperada
detectando la señal óptica modulada con un simple fotodetector. Esta señal que se
recuperó necesita ser reconvertida a la banda RF (si es que llegó en banda base o
frecuencia intermedia), y se trasmitirá a los móviles con la antena de la BS.
PSTN,
Internet u
otra CS
CS
Modem de
radio
BS
LD
Enlace de bajada
EOM
Señal IF
PD
Señal RF
Enlace de subida
PD
EOM
Figura 4.10 Configuración con EOM, modulando una señal en RF
116
LD
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
En la figura 4.10 se puede observar que la señal modulada es generada en la CS
en RF y es directamente transmitida a las BSs por el EOM. A ésta configuración
se le puede llamar puramente de radiofrecuencia sobre fibra óptica sin ninguna
otra acotación. Luego, en cada BS se recupera la señal modulada al usar un
fotodetector que obtenga la señal original de la señal óptica modulada, y así como
la recupera la transmite directamente a los móviles vía la antena. Esta distribución
de la señal tiene la gran ventaja de tener un diseño sumamente simple de BS. Sin
embargo un punto en contra será que es susceptible a la dispersión cromática de
la fibra lo que limita un tanto la distancia de transmisión.
CS
PSTN,
Internet u
otra CS
Modem de
radio
BS
LD
Enlace de bajada
EOM
PD
Señal RF
Señal IF
Enlace de subida
PD
EOM
LD
Figura 4.11 Configuración con EOM, modulando una señal en IF
Por otro lado en la configuración mostrada en la Figura 4.11, la señal modulada es
generada en la CS frecuencia intermedia (IF) y transmitida a las BS por el EOM,
así que esta configuración se llama de frecuencia intermedia sobre fibra óptica.
Entonces aquí en cada BS la señal modulada se recupera de igual forma con el
fotodetector y se debe convertir a RF, para poder enviar la señal a los móviles vía
la antena. Lo que cambia en este esquema es que la dispersión cromática
aparecida en la configuración anterior se ve disminuida, pero necesita de ciertos
117
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
elementos físicos electrónicos en las estaciones base tal como un oscilador local
para lograr la reconversión de IF a RF.
PSTN,
Internet u Modem de
radio
otra CS
CS
BS
LD
Enlace de bajada
EOM
PD
Señal RF
Señal IF
Enlace de subida
PD
EOM
LD
Figura 4.12 Configuración con EOM, modulando una señal en banda base
La siguiente configuración, que claro es muy similar a las dos anteriores, tiene de
nuevo un cambio respecto a la señal modulada que arroja la CS. Esto es que es
transmitida por el EOM en una frecuencia en banda base. Entonces en el lado de
las BS la señal modulada se recupera con el fotodetector y debe ser convertida a
RF ya sea pasando por IF o directamente, y ya podrá ser transmitida a los
móviles. En esta transmisión en banda base los efectos de la dispersión cromática
ni siquiera se notan, pero la configuración en la BS es la más compleja pues al no
existir una subportadora de frecuencia, no hay otra alternativa que recurrir a
multicanalización por división de tiempo y por división de código.
118
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
PSTN,
Internet u Modem de
radio
otra CS
CS
BS
Enlace de bajada
LD
PD
Señal RF
Señal IF
Enlace de subida
PD
EOM
LD
Figura 4.13 Configuración con modulación directa en banda base.
Para este último caso de análisis, la señal modulada es generada por la CS en
banda base o IF y es transmitida a las BSs realizando una modulación directa del
láser. Después, en cada BS la señal modulada se recupera detectando la señal
óptica modulada con el fotodetector, y es reconvertida a la banda RF, y así
transmitida a los móviles. Esto es práctico para frecuencias relativamente bajas,
digamos menores a 10 GHz [17].
Cuando se reduce la banda de frecuencia usada para generar la señal modulada,
el ancho de banda requerido para ésta modulación óptica se reduce en gran
manera. Esto puede llegar a ser importante cuando la tecnología llaga a ser
combinada con multicanalización por división de longitud de onda densa (DWDM).
Pero el hacer esto incrementa la cantidad de equipo en las BS por la necesidad de
conversión a RF. Por otro lado al usar la transmisión con subportadora de RF, la
configuración en las BSs se simplifica sólo cuando se utiliza un modulador óptico
externo para ondas milimétricas como conversor eléctrico-óptico y del otro lado un
fotodetector de alta frecuencia como conversor óptico-eléctrico.
119
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Aún sin revisar está el caso de la transmisión inversa, que será ya más fácil
comprender. Ocurre que la señal de subida de un móvil hasta la CS desempeña el
proceso en forma revertida. Digamos para la configuración en RF, la señal llega
del móvil a su correspondiente BS y esta señal sin proceso alguno es amplificada
y transmitida a la CS modulando una señal óptica de un láser usando el EOM.
Para los demás casos se agrega el proceso de conversión a la banda de
frecuencia en la que se encuentra su enlace y el envío con el EOM o para la última
configuración modulando directamente el láser.
4.3.5 Comparación entre técnicas de generación y trasporte
Tabla 4.1 Ventajas y desventajas de técnicas de generación y transporte
Técnicas
Ventajas
Desventajas
Heterodino Óptico
Capacidad de modulación Fuente de luz complicada
completa
Libre
de
efectos
de
dispersión
No necesita oscilador
Modulación Externa
Configuración simple
Efecto de dispersión
Usa láser DFB
Alta pérdida por inserción
Respuesta no lineal
En
altas
frecuencias
necesita de un EAM
Conversión
de Modulación directa en IF
frecuencias hacia arriba y
hacia abajo
Usa oscilador de ondas
milimétricas
Libre
de
efectos
dispersión
de En
altas
frecuencias
necesita un EAM
120
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Transreceptor Óptico
Sirve como modulador y En
fotodetector
altas
frecuencias
necesita un EAM
Para
distribución
usa
WDM
4.4 Aplicación de RoF en el subsistema de estación base de GSM
Como vimos en la Sección 2.4, el enlace entre las CS y BS en el sistema GSM se
logra mediante la interfaz A-bis, la cual es un enlace de microondas dedicado
entre la CS y BS, como se ve en la siguiente figura.
A- bis
Procesamiento
para RF
BS
A- bis
CS
BS
Procesamiento para RF
Figura 4.14 Enlace tradicional entre BS y CS
Lo que se propone en este estudio es en una primera parte sustituir esa interfaz
por un enlace de fibra óptica entre las diversas BSs que controla una CS.
121
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Procesamiento
para RF
CS
Procesamiento para RF
Figura 4.15 Simple conexión vía fibra entre BS y CS
Hasta este punto es indiferente para la BS el tener una u otra conexión física, pues
las funciones que desempeña siguen siendo las mismas incluyendo la modulación,
demodulación, asignación de canales, etc. Dejando claro que este cambio provoca
la necesidad de distintos dispositivos para lograr el enlace óptico.
De esta forma sería inútil realizar el trabajo y gasto para cambiar la interfaz. Pero
si tomamos en cuenta los beneficios enormes que ofrece la comunicación óptica
respecto al ancho de banda disponible y distancia en el enlace con pérdidas
mínimas, por citar algunos, sería correcto pensar que se puede realizar un cambio
a la configuración con el propósito de mejorar de algún modo el sistema.
Como hemos visto, el avance de la tecnología óptica permite la posibilidad del
envío de las señales por el medio incluso cuando su frecuencia sea alta y además
ofreciendo un mayor ancho de banda.
122
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Con los dispositivos adecuados, existe la posibilidad de enviar señales de RF
necesarias para el trabajo del sistema GSM, desde un punto central
distribuyéndolas por la fibra óptica, resultando así que las BSs sean más simples,
sin la necesidad de equipo para procesar la señal y de menor costo, ya que las
únicas funciones a realizar serán la conversión óptico eléctrica y viceversa, y la
transmisión-recepción de las señales hacia y desde las MSs.
Procesamiento
completo de la
señal
BS
BS
CS
BS
Figura 4.16 Enlace de fibra entre BS y CS con RoF
Las configuraciones antes mencionadas pueden ser aplicables para dar soporte a
la distribución del sistema celular GSM utilizando una gama de dispositivos ópticos
de distintas características según las necesidades.
Factores que intervienen al momento de escoger los dispositivos a utilizar son la
cantidad de tráfico que será manejado, la distancia a la que se encuentra la BS de
la CS y la fiabilidad requerida para el enlace.
123
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Ahora analizaremos los elementos que compondrían a la BS y la CS en cada
configuración distinta.
4.4.1 Configuración con IM/DD
Generador de
microondas
Datos de
bajada
Procesador
de señales
a)
Modulador de
microondas
Señal a
1.9 GHz
Láser DFB
Fibra monomodo
9/125 nm
Datos de
subida
Demodulador
Señal a
1.9 GHz
Fotodiodo
PIN
CS
b)
Fotodiodo
PIN
Señal a
1.9 GHz
Láser DFB
Señal a
1.9 GHz
Fibra monomodo
BS
LNA
LNA: Amplificador de bajo ruido
Figura 4.17 Aplicación en configuración IM/DD con modulación directa a) CS y b) BS
Para el uso de la configuración con IM-DD se observan en la Figura 4.17 los
elementos que ocupa cada bloque. En la CS el tratamiento de la señal y el
procesamiento se efectúan por un procesador de señales o etapa procesadora.
Para los elementos correspondientes al enlace, en el caso de ser de bajada, se
124
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
propone el uso del láser DFB por las características que permiten modulación
directa a altas velocidades. La corriente de éste será alimentada por la señal de
datos modulada a la frecuencia de transmisión en RF. Entonces la señal es
transmitida por fibra monomodo, que permitirá mayor alcance. La fibra podrá ser
sustituida por tipo multimodo de índice gradual en caso de no ser distancias muy
largas o no ocupar ningún tipo de multicanalización. En el enlace de subida la
recepción será con un fotodiodo PIN, por las características de sensibilidad, y ya
que en la BS se usa una fuente óptica, la señal llegará con la suficiente potencia.
La traducción de señal óptica a eléctrica continuará en la RF de trabajo asignada,
entonces será necesario demodularla y obtener la señal de datos.
En el caso de la BS, que como sabemos su constitución debe ser muy sencilla
para este tipo de configuración, contará con un fotodiodo PIN y un amplificador de
potencia para el enlace de subida. Así se logra la conversión óptico-eléctrica y se
le da la energía necesaria a la señal para poder ser radiada por la antena. Para el
enlace de bajada se cuenta con un bloque de RF, este consta de filtro pasabanda
que limitará la recepción a la banda asignada y un amplificador de bajo ruido
(LNA) el cual limpiará la señal reduciendo el ruido del circuito y amplificando la
señal. Éste debe estar ajustado de tal forma que no rebase los parámetros de
entrada soportados por el diodo láser DFB conectado a él. Este último será
modulado en intensidad luminosa por la corriente recibida y la enviará a la CS.
Si dentro de la planeación con este tipo de configuración resulta muy costoso el
uso del láser DFB, puede usarse otro tipo de menor costo y, claro, de menores
capacidades. Si el láser colocado no puede trabajar a la capacidad de modulación
será necesario el uso de un modulador externo. Para esta clase de diseño
proponemos el uso del láser de Fabry-perot junto con un modulador MachZehnder. Este último incrementará en gran medida las capacidades de modulación
llegando a ser incluso mayores que las logradas en el caso anterior. Sin embargo,
125
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
al usar un modulador externo existen pérdidas por acoplamiento. En la Figura 4.18
encontramos el diagrama de CS y BS.
Generador de
microondas
Datos de
bajada
Modulador de
microondas
a)
Señal a
1.9 GHz
Procesador
de señales
Modulador
MachZehnder
Láser FabryPerot
Datos de
subida
Demodulador
Señal a
1.9 GHz
Fibra monomodo
9/125 nm
Fotodiodo
PIN
CS
Fotodiodo
PIN
b)
Señal a
1.9 GHz
Fibra monomodo
Modulador
MachZehnder
BS
Señal a
1.9 GHz
LNA
Láser FabryPerot
Figura 4.18 Aplicación en configuración IM/DD con modulación externa a) CS y b) BS
Como se observa, los únicos elementos que cambian respecto a la configuración
anterior son las fuentes transmisoras y la necesidad del modulador óptico. El
modulador usado es el Mach-Zehnder, que llega a estar sobrado en capacidad ya
que los 60 o más GHz que alcanza superan a los 1.9 GHz que utilizamos.
Pensando en necesidades futuras y migraciones de tecnología su uso es bien
justificado.
126
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
4.4.2 Configuración con incremento y decremento de frecuencia
Ahora veremos los elementos prácticos para usar un enlace en el que no se
transmite precisamente a RF, pues la frecuencia de trabajo es reducida para el
transporte.
a)
Generador IF
Datos de
bajada
Modulador IF
Modulador
de electroabsorción
Señal a
IF
Procesador
de señales
Fibra monomodo
9/125 nm
VCSEL
Datos de
subida
Demodulador IF
Señal a
IF
Fotodiodo
PIN
CS
Fotodiodo
PIN
Modulador
RF
Señal
a IF
Fibra monomodo
Señal
a RF
b)
Generador RF
Modulador
De electroabsorción
Señal a
IF
Demodulador
RF
LNA
VCSEL
BS
Figura 4.19 Aplicación en configuración con incremento y decremento de frecuencia a) CS y b) BS
127
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
En la CS se utilizará de forma primaria un modulador de ondas a una frecuencia
intermedia para conversión de la señal de datos proveniente del procesador, por lo
que para la transmisión óptica no será necesario el uso de una fuente muy
poderosa. En este ejemplo se propone usar un láser VCSEL, ya que no es tan
costoso como sus similares y cuenta con una transmisión bastante coherente.
Además, con el uso de un modulador de electroabsorción externo podrá trabajar
sin problemas a las velocidades requeridas, contando con que la frecuencia a la
que se modulará no será muy grande. Para el enlace de bajada se repite el
elemento común y más usado de detección (fotodiodo PIN) y un demodulador de
IF para recuperar los datos en banda base.
Por la parte de la BS, el enlace de bajada comienza con el receptor, (de nuevo el
confiable fotodiodo PIN), la señal recuperada por éste se encontrará a la
frecuencia de envío (IF) por lo que se necesitan los elementos para convertirla o
subirla a la señal de transmisión de 1.9 GHz. Estos son un generador y modulador
a tal frecuencia. Este generador servirá igual para el enlace de subida pues se
logrará la operación contraria: bajar la frecuencia a la IF en uso. Se realiza con
esta señal la conversión óptica usando, igual que en la CS un láser VCSEL y un
modulador externo (EAM).
Aunque en estas propuestas los mismos tipos de fuentes y moduladores son
usados en ambos lados de la conexión, esto no es un requerimiento pues siempre
que se cumplan con las características necesarias es posible usar cualquier tipo
de elemento. Evitando en la medida el uso de conexiones innecesarias que
incrementen las pérdidas.
128
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
4.4.3 Configuración usando técnica heterodino remota.
Como podemos observar en la Figura 4.20, ésta es la configuración más robusta
en cuanto a equipo se refiere, pues se necesitan equipos similares tanto en la CS
como en la BS, para el enlace óptico. En el caso del enlace de bajada la señal de
datos entra en un modulador de electroabsorción, así modulándose con la señal
de un diodo láser VCSEL, el cual presenta las características apropiadas de
transmisión para esta configuración, que aunque no siendo el mejor láser cumple
con lo requerimientos de potencia y ancho de haz y aún así no siendo tan costoso
como los DFB.
a)
b)
Figura 4.20 configuración de heterodino remoto aplicado a la a) CS y b)BS
129
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Una segunda fuente es utilizada (para poder realizar el heterodineado en el
receptor), cuya señal se combinará con la de la primera fuente en un acoplador, y
siendo transmitida en una fibra monomodo la cual asegura poca dispersión en el
enlace. Ésta también puede ser sustituida por una fibra multimodo de índice
gradual cuando la distancia no es considerable. Para el enlace de subida se
cuenta con un fotodiodo APD el cual lleva a cabo la detección, esta por sus
propiedades amplificadoras incrementará la potencia de la señal recibida. Aunque
consume mayor energía es útil cuando existen enlaces muy largos donde la señal
llegue con potencia óptica reducida.
En la parte de la BS para el enlace de bajada se cuenta con el mismo equipo que
en la CS, como lo hemos estado realizando usando equipos iguales en ambos
lados del enlace. Sin embargo ya que aquí es necesario un amplificador de
potencia eléctrica para el envió de la señal por la antena se puede evitar el
fotodiodo APD y usar el tradicional PIN. En el enlace de subida se cuanta con el
equipo idéntico que en CS.
4.4.4 Configuración usando transreceptor óptico
Esta configuración es la más simple -en cuanto a equipo se refiere- en la estación
base, ya que no necesita fuentes debido a que se utiliza este dispositivo
transreceptor. En la CS se tienen dos fuentes láser DFB por que se necesita que
la señal sea lo más coherente posible y que trabaje a velocidades más altas.
Estas fuentes emitirán dos señales diferentes pero muy cercanas en longitud de
onda, para poder realizar el enlace. Una de ellas será modulada por un modulador
de electroabsorción el cual recibirá una señal de un generador de RF que llevará
los datos, de esta forma se transmiten las dos señales sobre la fibra óptica
mediante un combinador, llegando así a la BS en el transreceptor que, como se ha
130
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
mencionado anteriormente, convierte la primera señal al dominio eléctrico para
poder transmitirla a la MS, mientras que la segunda señal es utilizada para
regresar los datos de subida a la CS, al realizarse este proceso la segunda señal
puede sufrir atenuaciones debido a muchos factores como es la distancia, el ruido
etc., por lo que podemos utilizar un amplificador EDFA para contrarrestar estos
efectos en el enlace y para que no haya pérdidas.
Figura 4.21 configuración de las estaciones CS y BS con transreceptor óptico
La señal al regresar a la CS (modulada con los datos) es detectada por un APD, el
cual amplifica la señal si es que no se colocó el EDFA en el enlace, después es
demodulada en RF hasta llegar al procesamiento de datos en banda base.
4.4.5 Uso de WDM con RoF
Como es posible observar en la Figura 4.16, el enlace vía fibra desde una CS
puede llegar a diversas BSs sin la necesidad de agregar fibra dedicada a cada BS.
Para lograr esto y aprovechar la capacidad con la que se cuenta en el medio de
transmisión es necesario usar sistemas de multicanalización. Para este efecto la
tecnología más usada y desarrollada es la de WDM.
131
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
Las ventajas que provee al combinarse con RoF es simplificar la topología de la
red asignando distintas longitudes de onda para BS individuales. Esto logra la
posibilidad de actualizaciones de servicios y de la red más fácilmente y provee una
administración más simple. El uso de WDM agrega un multicanalizador o
multicanalizadores en la CS, además de los elementos que ya mencionamos, y en
las BSs serán necesario filtros que retiren la longitud asignada a esa estación o el
elemento multicanalizador de inserción y extracción (OADM).
1 2 3...
BS 1
BS 2
EAT
EAT
OADM
OADM
N
EDFA
…
λ
1 2 3...
N
OADM
…
EAT
λ
BS N
: Portadora óptica
CS
: Bajada RF
: Subida RF
Figura 4.22 Arquitectura de RoF usando WDM
En la Figura se observa de forma sencilla la idea de usar WDM para compartir el
canal y conectar todas la BSs correspondientes a la CS. Por un lado la CS envía
la señal multicanalizada que será repartida las veces correspondientes, donde el
OADM en cada BS hará la función de aceptar la señal correspondiente con la
longitud de onda requerida y rechazar el resto. Por otro lado, la CS recibirá las
132
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
señales enviadas por las BSs quienes se encargarán de adecuar la señal para
enviarla a la longitud que tienen asignadas.
Incluso de esta forma aunque llegue a sonar ya no tan simple la configuración, se
reducen los equipos y costos de una red GSM, pues se aprovecha enormemente
el medio físico disponible y se comparten aquellos elementos que parecieran muy
costosos.
133
Capítulo 4. Aplicación de RoF en sistemas GSM
134
Conclusiones
Del presente estudio podemos recuperar que la existencia de los sistemas de
comunicación se provoca por la necesidad o deseo de intercambiar información
entre personas o grupos. El que exista tan amplia diversidad de sistemas no es
más que la lógica adaptación a las necesidades existentes y al surgimiento de
nuevas, así como del nacimiento de tecnologías y métodos nuevos y mejores
que sustituyen a los existentes.
De la diferenciación realizada entre los sistemas guiados y no guiados
podemos concluir que cada uno tiene sus ventajas propias. Respecto a estos
últimos encontramos que son ideales para comunicaciones punto-multipunto
pues el medio se comparte siendo este el aire y además garantizan la
movilidad. El punto débil de los sistemas inalámbricos será el que el medio
llega a ser saturado por todos aquellos que transmiten, lo que ocasiona tener
una capacidad finita, la cual puede estar llegando a su tope a pesar de las
técnicas desarrolladas para compartirlo.
Como observamos, los medios guiados como son el par trenzado, cable coaxial
y fibra óptica son los más utilizados dentro de las redes de voz, datos y video,
debido a las características que presentan, además de su bajo costo
comparado con algunos medios inalámbricos, que nos ayudan a elegir cuál es
el más adecuado para el tipo de enlace que se desee realizar.
Existen redes que emplean distintos tipos de cables en su estructura para
obtener un mejor desempeño y rendimiento en la transmisión.
De los medios guiados el que más destaca por su capacidad de transmisión,
parámetros y manejabilidad es la fibra óptica. Presenta un gran ancho de
banda y muy baja atenuación en distancias considerables, regularmente es
implementada en conexiones troncales y transmisiones de larga distancia.
135
Destaca el hecho de poder transmitir a grandes distancias sin la necesidad de
regeneración, la inmunidad electromagnética que presenta, el poder usar una
misma fibra para transmitir distintas señales, utilizando cada una de éstas la
disponibilidad del canal sin tener que asignar porciones de tiempo o frecuencia
y la posibilidad de tener sistemas de comunicación todo óptico. Para sistemas
de este tipo además de la fibra óptica son necesarios otros dispositivos como
las fuentes luminosas, fotodetectores, amplificadores, acopladores e incluso
multicanalizadores ópticos. El avance, mejoras e innovación en estos
dispositivos es lo que ha permitido la introducción de los sistemas ópticos al
manejo de señales de frecuencia alta, pues se ha reducido aquella limitante
conocida como cuello de botella electrónico.
Así se abrió la posibilidad de aplicación de sistemas de fibra óptica en entornos
donde no se utilizaba como lo es este caso el sistema de radio de GSM. Donde
el funcionamiento actual - basado en una conexión entre centrales y estaciones
base por una interfaz de aire a microondas y efectuando el proceso de
demodulación, asignación de canales y adecuación a la frecuencia requerida es eficiente hasta cierto punto y cubre con las necesidades de los usuarios, sin
embargo puede ser mejorado. En cambio con la utilización de sistemas ópticos
se propone el cambio de la arquitectura existente, logrando así una reducción
en el equipo en las estaciones base y en los costos de instalación, manejo y
mantenimiento de este sistema. Además con la previsión de dar abasto a la
creciente demanda de ancho de banda para futuras generaciones de telefonía
móvil.
Dentro del tema fundamental del estudio, el de explicar el uso de sistemas
ópticos para la transmisión de señales de RF dentro del subsistema de radio de
GSM corroboramos de forma teórica, es decir con fundamentos bibliográficos
que usar RoF llega a ser redituable y mejora el diseño existente del sistema.
Las maneras en que se hace la mejora son, en primer lugar, que la fibra óptica
proporciona mejor confiabilidad al sistema pues se tiene conocimiento del
136
medio de transmisión y en caso de fallo es fácil encontrar el punto a ser
reparado; en segundo, y quizá el más importante, esta la reducción en el
equipo necesario en la estación base y por lo tanto el consumo de energía y
costos. El hecho de hacer hincapié en este punto es que cuando se incremente
el número de móviles y tráfico de los mismos será necesario reducir el tamaño
de las celdas, lo que significa elevar el número de BSs requeridas. Si éstas
tienen el costo actual, será una inversión muy grande la que habrá de hacerse.
En cambio con la arquitectura propuesta será posible realizar el crecimiento de
BSs sin realizar inversiones tan considerables.
Debido a la constante expansión geográfica de los sistemas celulares como
GSM, ha surgido la necesidad de buscar nuevas rutas para poder realizar
enlaces de radio entre BSs, esto se vuelve complicado ya que estos enlaces
deben contar con línea de vista y debido a las irregularidades en el terreno,
estos enlaces se pueden volver muy complejos, es decir, se necesitan varios
repetidores para un enlace punto a punto, lo cual nos lleva a una mayor
inversión. En cambio implementando la tecnología RoF, esta desventaja que
presenta el sistema convencional, prácticamente desaparece.
Pudimos reconocer que al llevar a cabo la arquitectura RoF se cuenta con un
control centralizado el cual tiene sus ventajas, como el tener conocimiento de
todo el sistema y realizar reparaciones sin tener que desplazarse a la locación
remota. Sin embargo se llega a rechazar esta centralización pues por un lado
puede ser muy complejo y excesivo el procesamiento requerido y por otro lado
el que el encabezado de señalización necesario llega a ser muy grande. Este
último realmente no es un problema, pues estos se encabezados se desechan
al llegar a su BS destino y el espacio que ocupan dentro de las tramas de
transmisión es insignificante comparado con la capacidad que se incrementa el
sistema. Una última consideración que se tiene es que debido a ciertas
limitaciones ópticas como la dispersión cromática las propiedades de la RF
pueden llegar a ser pobres, para esto hay disponibles técnicas que
137
contrarresten estos efectos, como la del uso de fuentes más coherentes o
fibras de dispersión compensada.
138
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