Redes y Servicios Convergentes (PON – (PON – GPON GPON – – EPON) EPON)
Por:
Wilton Gómez Arboleda Víctor Hugo Maya Willington Andrés Arroyave Velez
Docente:
Willer Ferney Montes
Materia:
Legislación en Telecomunicaciones
Instituto Tecnológico Tecnológico Metropolitano ITM Medellín 2014
INTRODUCCIÓN Desde hace pocos años hasta hoy, se ha evidenciado una muy creciente demanda de ancho de banda en los abonados residenciales y en la empresas, necesario para soportar las exigencias de capacidad y velocidad de servicios de internet de alta velocidad, TV de alta definición, video vigilancia, juegos en línea, entre otros. La solución a estas necesidades ha tenido respuesta, en parte, en las redes móviles como UMTS (Universal Mobile Telecomunications System) y recientemente en LTE (Long Term Evolution), pero más de un 80% de los accesos utilizados se basan en redes cableadas, ya sea con cables de cobre multipar o cables coaxiales y tecnologías digitales como DSL (Digital Suscriber Line) o DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) de los cable modem, respectivamente. Estos tipos de cables metálicos y tecnologías tienen un límite real de ancho de banda que será alcanzable en un corto plazo o incluso ya se alcanzó para ciertos servicios, razón por la cual su evolución natural se ha buscado en la utilización de redes basadas en el uso de cables de fibra óptica, de mucha más capacidad para el transporte de información y grandes distancias de cobertura, las cuales se denominan redes FTTx. expresión genérica utilizada en telecomunicaciones para designar arquitecturas de red basadas en fibra óptica, FTTx
(Fiber
To
The
x…)
es
una
donde la ―x‖ es una variable que se reemplaza por una letra que está en relación
con el punto hasta donde llega el extremo de la red de fibra óptica. Así pues de esta forma de expresión vamos a referirnos a un tipo de red óptica que llega hasta el extremo del usuario final, conocida como FTTH (Fiber To The Home), la cual es completamente pasiva, sin equipos intermedios activos que consuman potencia eléctrica y que puede soportar por solo un hilo de fibra óptica los servicios de telecomunicaciones desde una central de comunicaciones hasta muchos usuarios finales. Hoy esta red se conoce como la red óptica pasiva – PON (Pasive Optical Network).
INTRODUCCIÓN Desde hace pocos años hasta hoy, se ha evidenciado una muy creciente demanda de ancho de banda en los abonados residenciales y en la empresas, necesario para soportar las exigencias de capacidad y velocidad de servicios de internet de alta velocidad, TV de alta definición, video vigilancia, juegos en línea, entre otros. La solución a estas necesidades ha tenido respuesta, en parte, en las redes móviles como UMTS (Universal Mobile Telecomunications System) y recientemente en LTE (Long Term Evolution), pero más de un 80% de los accesos utilizados se basan en redes cableadas, ya sea con cables de cobre multipar o cables coaxiales y tecnologías digitales como DSL (Digital Suscriber Line) o DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) de los cable modem, respectivamente. Estos tipos de cables metálicos y tecnologías tienen un límite real de ancho de banda que será alcanzable en un corto plazo o incluso ya se alcanzó para ciertos servicios, razón por la cual su evolución natural se ha buscado en la utilización de redes basadas en el uso de cables de fibra óptica, de mucha más capacidad para el transporte de información y grandes distancias de cobertura, las cuales se denominan redes FTTx. expresión genérica utilizada en telecomunicaciones para designar arquitecturas de red basadas en fibra óptica, FTTx
(Fiber
To
The
x…)
es
una
donde la ―x‖ es una variable que se reemplaza por una letra que está en relación
con el punto hasta donde llega el extremo de la red de fibra óptica. Así pues de esta forma de expresión vamos a referirnos a un tipo de red óptica que llega hasta el extremo del usuario final, conocida como FTTH (Fiber To The Home), la cual es completamente pasiva, sin equipos intermedios activos que consuman potencia eléctrica y que puede soportar por solo un hilo de fibra óptica los servicios de telecomunicaciones desde una central de comunicaciones hasta muchos usuarios finales. Hoy esta red se conoce como la red óptica pasiva – PON (Pasive Optical Network).
GENERALIDADES DE LAS REDES PON En el mundo de las telecomunicaciones es cada vez más frecuente escuchar el termino banda ancha, el cual hace alusión a la capacidad que tienen las redes y los sistemas de telecomunicaciones para transportar información a gran velocidad. Este concepto se ha vuelto relevante a la hora de poder ofrecer servicios de nueva generación que demandan gran ancho de banda, como es el caso del internet de alta velocidad con video en alta definición de pantalla completa (full screen), la TV digital de alta definición (HDTV), la TV digital 3D, los video juegos 2D y 3D en línea, la video vigilancia múltiple en tiempo real, entre otros. Para responder a este reto tecnológico, se viene popularizando cada vez más la idea de masificar el uso de las redes de fibra óptica, convirtiéndose en la tendencia que pretenden seguir los operadores para las redes fijas (cableadas), esto es migrar las redes metálicas existentes (como el cobre multipar y los cables coaxiales), a un nuevo modelo de red totalmente de fibra óptica denominada FTTH (Fiber To The Home – Fibra al hogar) o FTTA (Fiber To The Apartment – Fibra al Apartamento). El desarrollo tecnológico de los últimos años ha posibilitado el surgimiento de una nueva topología de red de fibra óptica del tipo punto a multipunto (P2MP), que permite la utilización de un solo hilo de fibra óptica para llevar los servicios a múltiples usuario desde la central de comunicaciones. Esto es posible, en gran medida, gracias al uso de elementos divisores ópticos (splitter) completamente pasivos (que no requieren de energía eléctrica para su funcionamiento), de avances significativos en la multiplexación y desmultiplexación de longitudes de onda (WDM) también de forma pasiva, de desarrollos electrónicos y de software en los equipos terminales para poder discriminar el tráfico que viene y va a cada usuario y de novedosas mejoras en la fabricación de las fibras ópticas que ayudan a mantener la luz en su interior a pesar de los pequeños radios de curvatura que se pueden presentar, sobre todo en las instalaciones del usuario. La no utilización de fuentes de energía eléctrica para alimentar equipos electrónicos en el intermedio de la red, confinando el uso de los mismos solo en los extremos de la central de comunicaciones y del usuario final, ha generado el apelativo con el cual se conocen este tipo de arquitecturas: PON por ser la sigla en inglés de Passive Optical Network (Red Óptica Pasiva). La baja atenuación y gran ancho de banda de la fibra óptica permite transportar en forma integral gran variedad de servicios de nueva generación, existentes o futuros, que satisfagan la creciente demanda de los diferentes mercados, ya sean masivos, como en el caso de los hogares, o empresariales como pymes y corporativos.
RESEÑA HISTORICA El interés por este tipo de redes nace a finales de los años 90´s con la reducción del precio de la fibra óptica y la necesidad creciente de brindar mayores y mejores servicios a los usuarios residenciales. Para 1995 se crea el FSAN (Full Service Access Network), primer organismo formado por siete grandes operadores y fabricantes, encargado de elaborar las especificaciones y normas de interoperabilidad y funcionamiento para el acceso de la banda ancha a las viviendas, a través de la fibra óptica. Para esto se consideraron dos tipos de soluciones tecnológicas: las redes AON (Active Optical Network) y las redes PON (Passive Optical Network). La primera opción no tuvo gran acogida por su elevado costo debido fundamentalmente a los equipos eléctricamente activos necesarios para la distribución de la señal, de lo cual ya se tenían registros desde la implementación de las redes HFC. El segundo tipo de solución fue más aceptado a pesar de que para esa época no había un adecuado desarrollo de elementos ópticos que pudiesen cumplir con lo esperado; llevar las señales ópticas a los usuarios sin necesitar potencia eléctrica en el camino para lograrlo. En 1998 el FSAN desarrolla el estándar APON (ATM PON), conocido bajo la recomendación de la UIT-T – G.983, el cual basaba el transporte de los datos en el protocolo ATM (Asynchronous Transfer Mode), con una capacidad máxima simétrica de 155 Mb/s. Su principal desventaja fue la incapacidad de poder transportar video por su limitada velocidad. Para el año 2001, el FSAN desarrollo las especificaciones del BPON (Broadband PON), un estándar basado en el APON pero con un mayor ancho de banda, hasta 622 Mb/s y con capacidad de soportar servicios de banda ancha bajo el protocolo Ethernet y video RF a través de una longitud de onda adicional. Su principal desventaja fue la insuficiencia que presento para el transporte de trafico IP. Para el año 2004, el grupo EFM (Ethernet First Mile) definió el estándar EPON (Ethernet PON), el cual fue aprobado en el documento IEEE 802.3ah. Sus velocidades de transmisión para el uplink y el downlink son simétricas, llegando a ser del orden de 1,25 y luego de 2,5 Gb/s, siendo además muy versátil para trafico Ethernet nativo de cualquier naturaleza. No obstante ser un buen estándar, carece de algunas funcionalidades necesarias para garantizar calidad de servicio, lo que ha dado lugar a soluciones más propietarias de cada fabricante, lo cual no es del gusto de los operadores que buscan soluciones de mayor interoperabilidad.
Para el mismo año 2004, la UIT (Unión Interamericana de Telecomunicaciones) definió el estándar GPON (Gigabit PON) bajo la recomendación UIT-T – G.984, el cual incluye varias velocidades, simétricas y asimétricas, hasta 2,5 Gb/s. Su principal característica es su capacidad de transportar tráfico de datos nativo de diferentes servicios, independiente del tipo de protocolo utilizado (ATM, Ethernet, IP, entre otros). Aparte de esto, tiene la posibilidad de transportar video RF a través de una longitud de onda adicional. Actualmente se trabaja en el desarrollo de nuevos estándares que aumentaran considerablemente el ancho de banda de estas redes. Algunos son: -
El 10GEPON, bajo la norma IEEE 802.3av, define velocidades del orden de 10 Gb/s. El XGPON1, bajo la recomendación UIT-T – G.987, el cual define velocidades asimétricas para el downlink y el uplink del orden de 10Gb/s y 2,5 Gb/s respectivamente. El XGPON2, que sería una evolución del XGPON1 definiendo velocidades simétricas del orden de 10 Gb/s.
La siguiente imagen muestra la evolución de los estándares PON y sus respectivas velocidades.
FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento de este modelo de red es muy sencillo; en términos generales es así: En la central de comunicaciones se instalan unos equipos electrónicos llamados OLT (Optical Line Terminal), los cuales podemos considerar análogos a los DSLAM de las redes de cobre o los CMTS de las redes HFC. Estos equipos se conectan por un lado, a través de fibra óptica, con la red troncal de transporte digital, la cual lo enlaza con las diferentes plataformas de servicios. Por el otro lado se conecta con la red de acceso, también de fibra óptica, que lleva los servicios hacia los diferentes usuarios. Como la capacidad en ancho de banda de una terminal de línea óptica (OLT) es muy grande, el enlace de fibra óptica se divide para muchas unidades terminales de red (ONT). Por esta razón las redes PON se caracterizan como redes Punto-aMultipunto (P2MP). Para lograr esto, en el intermedio de la red de acceso se instalan unos elementos, conocidos como divisores ópticos (splitter ópticos), que dividen la señal de luz que va por un hilo de fibra óptica en varios caminos ópticos; de cada camino sale un nuevo hilo de fibra óptica para cada usuario.
Según el número total de divisiones, es la relación de división total de la red o ―splitting‖, típicamente 1:32 o 1:64, según lo definido por cada operador. Al final de la red se encuentran los modem de abonado, conocidos como ONT (Optical Network Terminal) u ONU (Optical Network Unit), los cuales entregan la información a los equipos terminales de abonado. Se utiliza la longitud de onda de 1310 nm para el enlace de datos Uplink y la longitud de onda 1490 nm para el enlace de datos Downlink. En algunos casos se puede utilizar una tercera longitud de onda de 1550 nm para enviar video RF broadcasting. Para esto se utiliza la tecnología WDM (Wavelength División Multiplexing) la cual ―mezcla‖ las longitudes de onda de los datos con la nueva longitud de onda del video.
En las instalaciones del usuario se separan las longitudes de onda nuevamente. Las que corresponden a los datos (1310 y 1490 nm) llegan a las ONT de datos y de ahí a los equipos terminales de abonado por sus respectivos puertos. La de video (1550 nm) va a la ONT de video, de la cual sale una señal RF por cable coaxial. Esta modalidad de transporte de video RF se conoce como video overlay y suele utilizarse en las redes PON por aquellos operadores que poseen plataforma de video RF broadcasting como el utilizado en las redes HFC. Posee ventajas en comparación con el IPTV, en cuanto a los tiempos de retardo del zapping, pero su implementación es más compleja y costosa debido a que requiere algunos elementos adicionales por cada puerto OLT.
Es el caso de los amplificadores laser tipo EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) necesarios para poder compensar la atenuación de la red y de los multiplexores WDM para ―mezclar‖ todas las longitudes de onda en un solo hilo de fibra óptica.
Adicional a esto se requiere un equipo terminal (ONT) diferente, con salida de RF de tipo coaxial. Debido a la topología en árbol de la red PON o punto a multipunto (P2MP), el flujo de datos descendente (downlink) de cada puerto OLT llega completo a todas las ONT conectadas a él (lo que se conoce como señal broadcasting).
El OLT utiliza multiplexación por división de tiempo (TDM – Time División Multiplexing), para enviar la información de cada ONT en intervalos regulares de tiempo de 125 microsegundos. Cada ONT discrimina la información que le corresponde y hace caso omiso de lo demás. Para garantizar la seguridad de la información se utiliza un protocolo de encriptamiento tipo AES (Advanced Encryption Standard). El flujo de datos ascendente (uplink) utiliza un tipo de multiplexación diferente al anterior, el TDMA (Time División Múltiple Access), el cual distribuye la información en ranuras de tiempo (slots) en forma alterna. Cada ONT utiliza diferentes slot para enviar la información hacia el OLT, el cual recibe los datos todos y discrimina lo correspondiente a cada uno.
Para poder lograr esto, el OLT sincroniza el tiempo de los slots según la distancia que tengan los equipos ONT hasta el puerto OLT en la central. La ONT más lejana tendrá el mayor retardo y por lo tanto definirá el tiempo máximo de los slot. La ONT más cercana tendrá el menor retardo y utilizara solo un poco del tiempo del slot, lo demás deja ―libre‖ hasta completar el tiempo máximo; de esta forma a cada
ONT se le asigna el mismo intervalo de tiempo. El OLT evalúa permanentemente el retardo de todas las ONT conectadas a él para mantener ajustado y sincronizado el tiempo de cada slot. Los equipos OLT y ONT se diseñan y fabrican con unos niveles de potencia de salida y sensibilidad de entrada según una clasificación (por clases) que determina el estándar. Estas clasificaciones establecen la mínima y máxima atenuación posible que puede tener un enlace óptico sin que el transmisor o el receptor utilizado se deterioren por exceso de luz emitida o recibida o el enlace se rompa por falta de luz. CLASE A B B+ C C+
MINIMO 5 10 13 15 17
MAXIMO 20 25 28 30 32
UNIDAD dB dB dB dB dB
Siguiendo ese mismo estándar se puede realizar fácilmente el presupuesto de atenuación óptica en la red, o lo que se conoce como budget óptico. Esto quiere decir que el valor de la atenuación total que puede tener la red, al sumar la atenuación que presentan todos los elementos que la componen no puede sobrepasar el valor máximo establecido según la clase de los equipos, esto es la atenuación de los hilos de fibra, los conectores, los splitter, las fusiones en la empalmeria y un margen de guarda adicional que se deja debido a los cambios que se pueden presentar por diferentes factores en la operación. Un ejemplo de lo que pueden ser las potencias de entrada y salida del OLT y el ONT para un estándar B+ lo podemos observar en el siguiente cuadro:
ELEMENTO OLT ONT
PRESUPUESTO OPTICO Tx Rx + 1,5 a +5 -28 + 0,5 a +5 -27
UNIDAD dBm dBm
Tomando de estas especificaciones la potencia mínima de salida del transmisor en el OLT y la máxima sensibilidad de entrada en el receptor del ONT podemos encontrar el máximo presupuesto óptico ( máxima atenuación) que puede tener el enlace. Igual resultado se obtendrá si se toma la potencia mínima de salida del transmisor en el ONT y la máxima sensibilidad de entrada en el receptor del OLT. La máxima atenuación del enlace estará dada entonces por la siguiente expresión: A (m áx .) = P – S
Dónde:
P= Potencia mínima de salida del OLT o el ONT S= Sensibilidad máxima de entrada del ONT o el OLT
Para los equipos clase B+ de las especificaciones anteriores, este valor seria: A (m áx .) = + 1,5 dB m – (- 27 dB m ) A (máx.) = + 1,5 dB m + 27 dB m A (m áx .) = 28 , 5 d B
De lo que se trata en últimas al calcular el presupuesto óptico es determinar cuál es la distancia máxima (para el caso de usuario más lejano), que puede alcanzar
una red PON que cumple un determinado estándar, considerando las pérdidas de los elementos presentes en la red. Por otro lado, debemos anotar lo siguiente: la expresión FTTP (Fiber To The Premises) generaliza diferentes modelos de red óptica que llegan hasta las instalaciones de los usuarios, ya sea de forma directa o indirecta. Los actuales modelos de arquitectura de red PON se definen básicamente con relación al sitio donde es instalado el equipo terminal de red (ONT), siendo los principales: FTTB (Fiber To The Building): En esta arquitectura, la red óptica termina en un
equipo de red ONT instalado en la sala de equipos de un edificio (comercial o residencial). A partir de allí el acceso a los usuarios se hace a través de una red metálica de cableado estructurado generalmente UTP categoría 6. Para el caso de video RF se utiliza cable coaxial. FTTA (Fiber To The Apartment): En este modelo, la red óptica llega a la sala de
equipos de un edificio (comercial o residencial); allí se divide en varios puntos de conexión óptica utilizando unos splitter ópticos. A partir de este punto el acceso a los usuarios se hace a través de una red óptica individual a cada habitación u oficina. Al final de esta se instala toma de conexión óptica (FTO – Fiber Terminal Outlet) y de este se conecta el equipo terminal de red ONT. FTTH (Fiber To The Home): En la arquitectura FTTH, la red óptica llega en forma
individual a cada residencia o local comercial desde un punto de acceso externo denominado NAP (Network Access Point). En la parte interna se instala una toma de conexión óptica (FTO – Fiber Terminal Outlet) y de este se conecta el equipo terminal de red ONT.
CARACTERISTICAS Algunas características de las redes PON son las siguientes: -
Permiten un tráfico de datos bidireccional utilizando un solo hilo de fibra óptica. Para esto utiliza diferentes longitudes de onda (―colores de luz‖) para
el tráfico de datos desde la central hacia el usuario (enlace downlink) y desde el usuario hacia la central (enlace uplink), todas ―mezcladas‖ ópticamente pero independientes una de otra, lo que se conoce como multiplexacion por división de longitud de onda (WDM). -
Como las señales que llevan la información son de luz, no sufren interferencias por campos electromagnéticos o electrostáticos debido a fenómenos naturales como las descargas atmosféricas o daño por contactos eléctricos con las redes de distribución de energía.
-
Debido a la baja atenuación que sufre la luz en su recorrido por las fibras ópticas, se pueden tener radios de cobertura del orden de 20 km a partir de la central de comunicaciones (distancia nominal). Además de esto, la atenuación en condiciones normales de operación es constante y no se requiere de mecanismos de auto-ajuste como en las redes metálicas, donde la atenuación cambia por aumento o disminución de la temperatura del cable.
-
El consumo de potencia eléctrica se realiza solo en los equipos terminales de línea (OLT) y en los terminales de red (ONT). La red de fibra óptica no consume potencia eléctrica como en el caso de la red HFC o la red de cobre con armarios digitales (ADIN).
-
El ancho de banda para cada usuario puede ser inicialmente del orden de 37 Mb/s para el enlace downlink y de 18 Mb/s para el enlace uplink, considerando una distribución de la capacidad del puerto óptico de la central de comunicaciones (OLT) igual para cada uno de los 64 usuarios conectados a él y con uso simultaneo, por parte de todos, dicha capacidad.
-
Como la situación descrita en el párrafo anterior es prácticamente hipotética, porque no todos consumen todo el ancho de banda y menos al mismo tiempo, se puede configurar el enlace para que cada usuario disponga de anchos de banda superiores, incluso pudiendo llegar a obtener velocidades del orden de los 100 Mb/s y hasta más, según el reusó que se le dé al recurso compartido.
-
La red óptica tiene una vida útil considerada entre 30 y 50 años y un tiempo medio entre fallas (MTBF – Mean Time Between Failures) de una en cinco años, lo que la hace una red de muy alto desempeño y disponibilidad con
muy bajos costos de mantenimiento y por ende una importante relación de costo-eficiencia. -
Los costos de operación y mantenimiento de la red de fibra óptica se consideran muy bajos porque la red no está relativamente expuesta a sufrir daños, robos, o cambio de estructura de forma frecuente. De por si la fibra óptica que es de vidrio no falla por causas intrínsecas como la corrosión o la fatiga; generalmente las fallas obedecen a causas externas.
-
La capacidad de este tipo de red es mucho más que suficiente para ofrecer servicios que demandan gran ancho de banda como la TV de alta definición (HDTV), la TV en tercera dimensión (TV3D), la TV de alta definición de gran formato (UHDTV), el internet de 3ª generación y alta velocidad, los videojuegos 3D en línea, la video vigilancia, entre otros y banda estrecha como la voz.
-
Posee grandes capacidades funcionales para operación, administración, mantenimiento y provisionamiento de los servicios (OAM&P – Operation, Administration, Maintenance and Provisioning).
-
El tráfico de datos posee grandes niveles de seguridad debido a su forma de operación en el downlink, la cual es del tipo broadcasting. Para esto se utiliza el protocolo estándar de encripción avanzada (AES – Advanced Encryption Estándar).
-
Utiliza en forma eficiente el ancho de banda y puede ampliarlo a los usuarios en forma individual gracias a la técnica conocida como Asignación Dinámica del Ancho de Banda (DBA – Dynamic Bandwidth Allocation).
VENTAJAS Las redes PON, en especial la red de fibra óptica al hogar (FTTH) tipo GPON, ha ido tomando relevancia a nivel mundial como una red de muy buenas especificaciones para las características de demanda de ancho de banda actual y futuro, además de su rentabilidad en el mediano plazo debido en muy buena parte a su alta vida útil y su bajo costo de operación y mantenimiento. Entre las principales ventajas de esta red podemos mencionar: -
Mayor cantidad de usuarios por hilo fibra óptica. Mayor ancho de banda para el usuario. Mayor cobertura desde la central, hasta 20 km según el estándar. Mayor calidad de servicio. Inmunidad a interferencias eléctricas o electromagnéticas. Menor número de fallas de la red cada año. Menor costo por abonado conectado. Menor costo de operación y mantenimiento. No hay consumo de potencia eléctrica en la red. Facilidad de operar y gestionar la red y los servicios. No hay mercado negro para los cables de fibra óptica.
Como única gran desventaja se podría citar que por ser una red de tipo distribuido (medio compartido) tipo punto-a-multipunto (P2MP), una falla cercana a la central de comunicaciones puede dejar sin ningún servicio a muchos usuarios. Generalmente, la red de fibra óptica es mucho más segura y confiable que la de cobre multipar o coaxial. Las fallas que se presentan obedecen generalmente a factores externos como poda de árboles, trabajos con maquinaria pesada, accidentes de tránsito con caída de postes, quemas, entre otros, que terminan en el daño o ruptura de los cables. El punto más frágil que pudiese presentarse es la red de abonado en la parte interna de las instalaciones del usuario, debido a que es el punto donde se puede presentar una posible manipulación por parte de este, que conlleve una falta en la red. Estas circunstancias señalan que para poder tener una alta disponibilidad y confiabilidad en esta red, es necesario que el personal que la interviene en los diferentes procesos de diseño, construcción, operación, instalación y mantenimiento esté debidamente entrenado y que los procesos y procedimientos para atender una falla sean suficientemente agiles para minimizar el impacto en los usuarios.
ESTRUCTURA
En la central de comunicaciones se ubican los equipos terminales de línea óptica (OLT). Allí nace lo que se conoce como la red óptica de acceso (OAN – Optical Access Network), la cual llega hasta el equipo terminal de red (ONT), en las instalaciones del usuario. La red óptica de acceso (OAN) se divide en dos partes: la red de distribución óptica (ODN – Optical Distribution Network) y la red de abonado óptico (DROP). Las interfaces OLT se interconectan con la red de distribución óptica (ODN) a través de los elementos de distribución óptica (ODF – Optical Distribution Frame), ubicados también en la central. La red de distribución óptica (ODN), a su vez, se subdivide en dos segmentos: El primer segmento es la red de fibra óptica que une el OLT (desde el ODF) con el FDH (Fiber Distribution Hub) o ―armario óptico‖. Se conoce como red
alimentadora o Feeder, y análogamente se puede comparar con la red primaria en la red de cobre multipar. En el NAP se instala el primer divisor óptico (primer nivel de splitting). El segundo segmento es la red de fibra óptica que une el FDH con el NAP (Network Access Point) o ―caja de dispersión óptica‖. Se conoce como red de
distribución, que análogamente se puede comparar con la red secundaria en la red
de cobre multipar. En el NAP se instala el segundo divisor óptico (segundo nivel de splitting). La red de abonado óptico o drop óptico nace en el NAP y llega hasta una toma de conexión óptica (FTO – Fiber Terminal Outlet). Allí se conecta el equipo terminal ONT (modem óptico) a través de un cordón de fibra óptica (Patchcord). A este modem se conectan los equipos terminales del abonado (ETA). El siguiente cuadro resume algunas características de los diferentes tramos de red: TRAMO DE RED
Red troncal (Trunk)
Red de alimentación (Feeder)
FUNCION Conexión entre las diferentes centrales de comunicaciones
Conexión entre la central de comunicaciones (OLT) y el armario óptico (FDH)
Red de distribución (Distribution)
Conexión entre el armario óptico (FDH) y la caja de dispersión óptica (NAP)
Red de abonado (Drop)
Conexión entre la caja de dispersión óptica (NAP) y el equipo terminal de red (ONT)
MEDIO FISICO
TOPOLOGIA
F.O. monomodo Norma G.652D
Anillo Eventualmente en estrella (punto a punto – P2P) en zonas aisladas
1310nm, 1550nm DWDM F.O. monomodo Norma G.652D
Estrella 1310 y 1490 nm (datos) 1550 nm (video RF) CWDM F.O. monomodo Norma G.652D 1310 y 1490 nm (datos) 1550 nm (video RF) CWDM
Árbol
F.O. monomodo Norma G.657A 1310 y 1490 nm (datos) 1550 nm (video RF) CWDM
Árbol
La ubicación de los splitter ópticos determina algunos aspectos y características de los diferentes segmentos de la ODN.
Cuando los splitter ópticos se instalan en la central de comunicaciones, se les denomina
―splitter
centralizados‖.
En
este
caso
desde
la
central
de
comunicaciones sale un hilo dedicado para cada usuario (Feeder mas distribución mas drop), similar a las redes de cobre multipar. Esta estructura de red es muy flexible a la hora de asignar recursos de ancho de banda a los usuarios porque permite cambiar en cualquier momento la relación de splitting total de la red del usuario, pudiendo pasar de un modelo punto a multipunto (P2MP) a uno punto a punto (P2P) fácilmente. Su gran desventaja es el elevado costo de la red dedicada desde la central hasta el usuario final. Cuando ambos splitter se encuentran en el FDH o en las instalaciones del usuario (generalmente clientes muy concentrados como en un centro comercial, un hotel u otros), se les denomina ―splitter convergentes‖. En este caso hasta el FDH llega un
hilo de fibra óptica a un splitter (o cadena de splitter) donde se divide y desde allí sale un hilo de fibra óptica dedicado para cada usuario ya sea como red de distribución más el drop o solo como drop, dependiendo donde quede instalado el FDH. Esta otra estructura de red es menos flexible que la anterior a la hora de necesitar asignar más recursos de ancho de banda a los usuarios, utilizando un cambio en la relación de splitting de la red, ya que el puerto OLT asignado esta cableado hasta el FDH en una configuración punto a multipunto (P2MP). Para cambiar la relación de splitting se debe llevar un nuevo hilo de fibra óptica hasta otro splitter en el FDH. Una desventaja sigue siendo el alto costo de la red dedicada desde el FDH hasta el usuario final.
Si bien esta estructura de red es más flexible que las anteriores al momento de necesitar asignar más recursos de ancho de banda por cambio en la relación de splitting de la red, tiene la ventaja que puede crecer en forma escalonada y por lo tanto la inversión inicial también, permitiendo un mejor retorno de ella, además el costo total por cada usuario es menor. Para obtener mayores anchos de banda se pueden utilizar puertos OLT de más capacidad, lo cual llega a ser una solución más económica, más rápida y menos compleja que montar nuevas redes. Para lograr el nivel de splitting o de división total de la red, se pueden realizar diferentes combinaciones entre la primera y segunda etapa. Por ejemplo, para una división de 1:64, se pueden realizar las siguientes combinaciones:
Una posible combinación seria tener un primer splitter 1:2 seguido de dos splitter 1:32. La división total será de 2x32=64, o sea, 1:64.
Otra posible combinación seria tener un primer splitter 1:4 seguido de cuatro splitter 1:16. La división total será de 4x16=64, o sea, 1:64. Estos modelos de combinación de splitter son relativamente comunes en estructuras centralizadas o convergentes. Para una estructura distribuida es más común la siguiente combinación.
En este caso se tiene un primer splitter 1:8 seguido de ocho splitter 1:8. La división total será de 8x8=64, o sea, 1:64.
SERVICIOS
Ya hemos mencionado las capacidades que puede tener este tipo de redes para poder ofrecer servicios de nueva generación que demandan gran cantidad de ancho de banda. Ya hemos mencionado algunos de ellos. Pero mejor que eso es validar lo que verdaderamente sería necesario disponer en velocidad para cada uno de ellos. Veamos en el siguiente cuadro algunos ejemplos: SERVICIO
VELOCIDAD
Telefonía digital IP (ToIP) Audio digital 5.1 Dolby Internet de alta velocidad Juegos interactivos en línea 2D Juegos interactivos en línea 3D Video en el PC alta definición full screen Video en demanda (VoD) Video vigilancia color (c/cámara)
0,1 Mb/s 0,25 Mb/s 4 a 10 Mb/s 1 a 2 Mb/s 3 a 4 Mb/s 4 a 8 Mb/s 5 a 15 Mb/s 0,5 a 1,5 Mb/s
Video conferencia digital TV Digital estándar (SDTV) c/canal
4 a 8 Mb/s 1,5 a 3,5 Mb/s
TV Digital alta definición (HDTV) c/canal TV Digital tercera dimensión (TV3D) c/canal
6 a 8 Mb/s 10 a 80 Mb/s
Estos simples ejemplos nos pueden dar una idea de lo que es y será la demanda de ancho de banda para las redes de acceso. Desde ahí podemos analizar como las redes cableadas metálicas (los cables de cobre multipar y los cables coaxiales), ya llegaron al límite practico de su capacidad para los nuevos servicios, algunos de los cuales ya se pueden ver hoy en día en demostración; es el caso de la TV3D. Es ahí también cuando cobra relevancia el uso de la fibra óptica en el modelo planteado punto a multipunto (P2MP), pues tener un acceso dedicado punto a punto (P2P) para cada usuario sería demasiado costoso y se tendría una gran capacidad disponible aun no utilizada. Poder distribuir todo el ancho de banda de la fibra óptica, en su justa medida, entre muchos usuarios nos da la posibilidad de reducir los costos en el acceso y más aún disponer de una capacidad adicional para los servicios futuros, sin tener que cambiar de red, aprovechando nuevas tecnologías que potencian todavía más su capacidad.
ELEMENTOS EN LA CENTRAL DE COMUNICACIONES
El OLT (Optical Line Terminal) o “central óptica”:
El OLT es el equipo electrónico instalado en la central de comunicaciones. Como se mencionó antes, este equipo es análogo al DSLAM en la red de cobre multipar o al CMTS en la red HFC y, al igual que ellos, es considerado el equipo de borde de la red de transporte digital y el inicio de la red de acceso. En él se concentran todos los puertos ópticos que van hacia los usuarios finales y se realiza la conectividad de los mismos con la red de transporte digital que los interconecta con las plataformas de servicio. Está compuesto por un chasis al que se le instalan diversas tarjetas que en suma componen toda su funcionalidad. Algunas de ellas son: Tarjeta de potencia: Encargada del suministro de energía eléctrica al equipo. Generalmente se conecta a -48 Vdc y se instalan 2 de ellas para garantizar redundancia. Tarjeta de control y gestión: Encargada de toda la administración, gestión y mantenimiento del equipo así como del aprovisionamiento de los servicios. Tarjetas de puertos GPON: Son las tarjetas con los diferentes puertos de usuarios PON. Es frecuente encontrarlas en versiones de 4, 8 y 16 puertos. Cada puerto puede atender hasta 64 usuarios, según la relación de splitting de la red. Tarjeta de puertos MAN: Es la tarjeta encargada de la conexión hacia la red MAN (Metropolitan Área Network). En ellas se encuentran los puertos que conectan este equipo con la red de transporte digital, generalmente de 10 Gb/s cada uno.
Tarjeta de ventiladores: Es la tarjeta encargada de la refrigeración de tipo forzado del equipo.
El ODF (Optical Distribution Frame) o “distribuidor óptico”:
El ODF es el conjunto de bastidores, generalmente montados en rack, donde se concentran los puntos de interconexión ópticos que vienen desde los puertos OLT (GPON o MAN) y las redes de alimentación Feeder o de transporte digital, respectivamente. En este modelo de red es común el uso de puntos de conexión óptica de tipo SC (Cuadrados). En este sitio se hacen las interconexiones o conexiones cruzadas (Crossconect), a través de cordones de fibra óptica (Patch cord).
Los cables de fibra óptica tipo interiores:
Son cables con hilos de fibra óptica monomodo, norma G652D, organizados en una estructura tipo tight monotubular o multitubular con elemento de tracción dieléctrico y con potenciales usualmente de 12 a 48 hilos. La identificación de los hilos cumple la norma ANSI/TIA/EIA 598A. Generalmente se instalan entre la sala de empalmes terminales y el ODF general o entre este y el ODF de equipo. Pueden ir por bandejas o escalerillas. Traen elementos de bloqueo para el agua, Kevlar como elemento de protección y su chaqueta exterior es del tipo LSZH (Low Smoke Zero Halon) típicamente amarilla o a veces azul. Los cables de conexión (Patch Cord) ópticos:
Es el elemento que se utiliza para hacer las interconexiones o conexiones cruzadas entre las interfaces del OLT (GPON o MAN) y los hilos de fibra óptica de la red externa. Se recomienda que sean en hilo de fibra óptica monomodo, norma G.657A para evitar pérdidas de luz por curvaturas muy ajustadas que pueda sufrir el cordón, del tipo full spectrum (que conduzcan todas las bandas de longitudes de onda), con protección tight de 0,9 mm. El cordón debe tener chaqueta con diámetro de 3 mm del tipo LSZH (Low Smoke Zero Halom), reforzada con hilos de Kevlar. Sus conectores terminales suelen ser del tipo SC/APC, aunque para densidades muy altas es recomendable el uso de conectores LC/APC.
ELEMENTOS DE LA RED DE ALIMENTACION – FEEDER Los cables de fibra óptica tipo armado:
Son cables con hilos de fibra óptica monomodo, norma G.652D, organizados en una estructura tipo loose tuve, elemento de tracción dieléctrico y con potenciales usualmente de 12 a 144 hilos. La identificación de los buffer y los hilos cumple la norma ANSI/TIA/EIA 598 A. Generalmente se instalan canalizados y por eso traen elementos de bloqueo para el agua. Su chaqueta exterior es del tipo con armadura de acero para evitar daños por roedores, compresiones o impactos.
El FDH (Fiber Distribution Hub) o “armario óptico”:
Es el elemento o gabinete donde se concentran los puntos de interconexión ópticos que vienen desde la red de alimentación Feeder y la red de distribución. Siguiendo el lineamiento señalado en el ODF, este equipo viene equipado con puntos de conexión óptica del tipo SC (Cuadrados). Allí se realiza la interconexión entre ambas redes: la de alimentación (Feeder) y la de distribución, con un nivel de flexibilidad muy alto. Aparte de esto, se realiza también la primera etapa de división óptica de red, utilizando elementos divisores ópticos o splitter ópticos del tipo fusionado o preconectorizado. Las interconexiones o conexiones cruzadas (Crossconect) se realizan a través del mismo tipo de cordones de fibra óptica (Patch cord), descritos anteriormente. Estos equipos se suelen instalar en zonas de alta densidad, del orden de 600 HP (Home Pass) o posibles usuarios a atender. En algunos casos es posible encontrar ―armarios ópticos‖ (FDH) fijos, donde no se
realiza ningún tipo de conexiones cruzadas. En este caso los splitter son guardados en una cubierta de empalme, usualmente tipo domo y fusionados directamente a la red.
Esta solución no permite flexibilidad en el manejo de la red, pero si un nivel de seguridad más alto porque no hay intervención frecuente del personal técnico. Requiere eso si de un diseño muy estricto y bien planeado, según la demanda a atender y la penetración de red estimada. El divisor óptico (Splitter óptico):
Es, tal vez, el elemento más importante de todos en la red, ya que él hace posible que un solo hilo de fibra óptica pueda ―multiplicarse‖ en varios hilos, sin la
necesidad de requerir energía eléctrica para ello, pudiendo así llevar la información a muchos usuarios. El método de fabricación se conoce con el nombre de PLC (Planar Lightwave Circuits) y es similar a la forma como fabrican los circuitos integrados. Se basa en la elaboración de una ―pastilla‖ (barra) de vidrio a la que se le ha realizado, a
través de procedimientos químicos muy complejos, unos caminos ópticos (también en vidrio) que van a conducir la luz que viene o va por los núcleos de las fibras ópticas.
Las normas de fabricación son: Telcordia GR-1221 y GR-1209, así como la ITU-T – G.671.
Los hilos de fibra óptica de entrada y salida son del tipo monomodo, norma G.652D o G.657A, full spectrum. El camino de entrada al splitter se va subdividiendo de 2 en 2 hasta lograr el nivel de división deseado. Por esta razón, los divisores se fabrican en relación de 1Xn, siendo N números duplos pares 2, 4, 8, 16, 32 ó 64. Similar a como se trabaja en las redes coaxiales, los divisores ópticos tienen perdidas de inserción expresadas en dB. La siguiente tabla muestra las pérdidas de inserción típicas de los splitter según cantidad de entradas y salidas. Tipo de Splitter Perdidas de inserción
1x2 3,7 dB
1x4 7,3 dB
1x8 10,7 dB
1x16 13,9 dB
1x32 17,1 dB
1x64 20,5 dB
Tipo de Splitter Perdidas de inserción
2X2 3,9 dB
2x4 7,5 dB
2x8 10,9 dB
2x16 14,1 dB
2x32 17,3 dB
2x64 20,7 dB
Los splitter pueden venir listos para ser fusionados en la red. En este caso la protección de los hilos de entrada y salida es del tipo loose de 0,25 mm en acomodación ribbon (cinta). Cuando la conexión a la red es por conectorización, los hilos de entrada y salida vienen con protección tipo tight de 0,9 mm en acomodación individual y terminada en conector tipo SC/APC.
ELEMENTOS DE LA RED DE DISTRIBUCION Los cables de fibra óptica tipo auto soportado:
Similares a los cables que se utilizan en la red de alimentación (Feeder), son cables con hilos de fibra óptica monomodo, norma G.652D, organizados en una estructura tipo loose tuve, elemento de tracción dieléctrico y con potenciales usualmente de 12 a 48 hilos. Igualmente la identificación de los buffer y los hilos cumplen la norma ANSI/TIA/EIA 598A. Generalmente se instalan aéreos y por eso traen elementos de bloqueo para el agua y su chaqueta exterior es del tipo ADSS (All Dielectric Self Supporting), tipo KP (Kevlar Polietileno). El NAP (Network Access Point) o “caja óptica”:
Es el elemento donde se realiza la interconexión entre la red de distribución y la red de abonado (drop). Además de esto, en él se realiza la segunda etapa de división óptica de la red, utilizando elementos divisores ópticos preconectorizados.
Se alimentan mínimo con 2 hilos de fibra óptica que se fusionan cada uno a un splitter 1x8; su capacidad total es entonces de 16 puertos pero divididos en dos grupos de 8. Cada grupo de 8 puertos se considera un NAP. Estos dispositivos pueden ser instalados en poste, a muro o sobre un cable mensajero. Existen NAP para interiores que funcionalmente son iguales a los NAP de exteriores, pero diseñados en una caja tipo gabinete. ELEMENTOS DE LA RED DE ABONADO – DROP El cable de red de abonado (Drop):
Existen muchos tipos de cable para la acometida de abonado o drop, todos ellos con diversas características y cualidades para enfrentar las diferentes problemáticas que se presentan al momento de instalar la red. Sin embargo, la tecnología actual viene desarrollando cables cada vez más versátiles para que sean funcionales en diferentes condiciones de trabajo. Es el caso del cable drop plano (flat) en estructura tipo ―figura 8‖, el cual está conformado por un hilo de fibra óptica monomodo, norma G.657A para evitar pérdidas de luz por curvaturas muy ajustadas que pueda sufrir en su recorrido, del tipo full spectrum y con protección loose de 0,25 mm. El núcleo óptico tiene unas medidas estándar de 2x3 mm, de ahí su designación de cable plano (flat). Adicionalmente viene adherido a un hilo de alambre de acero, de 1 mm de diámetro, que le sirve como mensajero o portante, conformando así lo que se conoce como cable ―figura 8‖. La chaqueta de este cable es de color negro
del tipo LSZH (Low Smoke Zero Halon). Dicho cable viene almacenado en carretes de madera o plástico, con longitudes de 500 metros cada uno. Como el peso aproximado del cable es de 20 Kg/Km, podemos deducir que una carreta de madera con 500 metros de cable puede llegar a pesar unos 13 Kg aproximadamente.
Los conectores de campo SC/APC:
Conocidos también como conectores prepulidos, pues desde fábrica ya traen terminado y pulido el extremo de su férula, son los elementos que se instalan en los extremos del cable drop para poder conectarlos al NAP o a la caja terminal. En su interior existe un pequeño trozo de fibra óptica perfectamente pulido con un gel igualador de índices de refracción. Antes de instalarse, se prepara el cable drop desvenándolo, pelándolo, limpiándolo y cortando el hilo de fibra óptica con unas medidas específicas para luego insertarlo en el conector y asegurarlo. La unión entre el hilo de fibra del conector y del hilo de fibra del cable se hace por contacto directo y luego se asegura en forma mecánica gracias a la tapa roscada. En condiciones óptimas de instalación presentan unas características muy buenas, pues en promedio tienen unas pérdidas de inserción del orden del 0,3 a 0,5 dB y una reflectancia menor a -60 dB. El FTO (Fiber Terminal Outlet) o “toma óptico”:
Este es básicamente el elemento final de la red de abonado, que se instala en el interior del local o residencia del usuario. Es el punto de unión entre la red de abonado y el ONT. Se puede instalar en caja de 2x4 pulgadas o su equivalente o también sobrepuesto en pared. La recomendación es hacerlo mínimo a 30 cm del suelo. El cable drop se conectoriza y se conecta a la unión SC que trae en la parte interna. La conexión del ONT se realiza a través de un Patchcord como el descrito anteriormente, el cual se conecta en un extremo a la misma ONT y en el otro a la unión SC mencionada que queda expuesta.
EQUIPOS TERMINALES DE ABONADO El ONT (Optical Network Terminal) o “modem óptico”:
El ONT es el equipo modem instalado en el local o residencia del usuario. Es análogo al CPE ADSL en la red de cobre multipar o al cable modem en la red HFC. En él se encuentra el puerto de entrada óptico (SC/APC) y todos los puertos que van hacia los equipos terminales de abonado. Usualmente posee 4 puertos Ethernet para datos (Internet, IPTV, etc.) y entre 1 y 2 puertos FXS para telefonía.
Además de esto, es común que ya traiga incorporado un acceso inalámbrico WiFi. Como muchos otros módems, soportan diversas características funcionales como: IPv6, IPv4, NAT (Network Address Translation), SIP (Session Initiation Protocol), port trigger, DMZ (Demilitarized Zone), DDNS (Dynamic Domain Name System), entre otras. Este equipo se conecta a la red de alimentación eléctrica a través de un adaptador AC/DC, con una tensión de salida usualmente entre 9 a 15 Vdc. La potencia eléctrica que consume esta alrededor de unos 10 Vatios.
