UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCION FACULTAD POLITECNICA

CIUDAD UNIVERSITARIA SAN LORENZO - PARAGUAY

REDES DE DATOS I

Fibra ptica, Red GPON, FDMA y Planta Externa

Autores:

Derlis Coronel

Derlis Gauto

AO 2014

Fibras pticas

Las fibras pticas en sistemas de comunicaciones y en general en sistemas de transmisin de

seales, despus de un largo periodo de experimentacin y enlaces pilotos, entre los aos

1975 y 1980 entro en su etapa de empleo masivo.

Los primeros enlaces se difundieron en el campo de las telecomunicaciones con fibras pticas

que tenan atenuaciones de hasta 50 db/km, hoy con distintos mtodos de obtencin de

materiales de extrema pureza y de fabricacin se obtiene fibras pticas con atenuaciones de

0,2 db/km. Y enlaces de hasta 200 km. Sin tener que utilizar repetidoras.

A medida que se fue avanzando con el uso de las fibras pticas no solo se utiliza en la

transmisin de voz, sino que comenz a utilizarse en la transmisin de datos.

La fibra ptica es un medio de transmisin que est constituida por dos cilindros coaxiales de

silicio de alta pureza, que por medio de la reflexin de la luz se logra transmitir informacin,

presentando ventajas con respecto a los conductores de materiales metlicos, entre las

principales figuran:

Transmite luz, en consecuencia no se introduce interferencia.

Tiene gran capacidad de transmisin (180 a 200 comunicaciones telefnicas a la vez)

con respecto a los conductores de cobre.

La transmisin no es interferida por campos elctricos y magnticos.

La energa puesta en juego en la transmisin es muy baja.

Gran ancho de banda.

Dimetro reducido.

Peso reducido

Material totalmente dielctrico: no existe posibilidad de tensiones inducidas que

pueden producir chispas o cortocircuitos.

Principio de funcionamiento Para las transmisiones por fibra ptica se utilizan las longitudes de onda del infrarrojo, o sea

800 a 1600 nm, siendo los valores preferidos los de 850, 1300,1550 nm que es donde estn las

de menores interferencias. Las fibras pticas se componen de un cilindro material dielctrico

llamado ncleo rodeado por un revestimiento tambin dielctrico con un ndice de refraccin

ligeramente inferior al ncleo. La forma de propagacin de la seal se basa en las propiedades

de refraccin y reflexin de la luz (reflexin total).

Principio de Reflexin

Cuando un rayo luminoso incide sobre la superficie de separacin dos sustancias, una fraccin

de la misma se refleja. La proporcin de la luz reflejada es funcin del ngulo que forma el rayo

de luz incidente con la perpendicular a la superficie de separacin de los medios. Por rayo de

luz se entiende la trayectoria dentro de la cual se extiende la energa luminosa. Para el rayo

luminoso es reflejado y su ngulo de reflexin 2 que este forma con la perpendicular a la

superficie de separacin de la sustancia vale: El rayo incidente, el reflejado y la perpendicular a

la superficie de separacin de los medios, se encuentran en un mismo plano. El rayo reflejado

se halla en el semiplano opuesto en relacin con el rayo luminoso incidente y la perpendicular

a la superficie de separacin de las sustancias. El ngulo formado por el rayo incidente con la

perpendicular, y el ngulo reflejado con la perpendicular son iguales.

Refraccin de la Luz

Si un rayo luminoso incide con un ngulo de modo oblicuo desde una sustancia ptimamente

menos densa (aire) a otra ms densa (vidrio), su direccin de propagacin se quiebra y su

trayectoria contina en la segunda sustancia con un ngulo de refraccin, diferente al de

incidencia. Para una sustancia isotpica, o sea un medio o material que presenta idnticas

propiedades en todas sus direcciones, vale la ley de refraccin de Snell. El cociente entre el

seno del ngulo de incidencia y el seno del ngulo de refraccin es constante e igual a la

relacin de las velocidades de la luz c1 /c2 en ambas sustancias.

LEY DE SNELL

Considerando la transicin desde el vaco ( aire) en el cual la velocidad de la luz a una

sustancia con velocidad de la luz se obtiene:

La relacin entre la velocidad de la luz en el vaco y la de luz en una sustancia (c), se

denomina ndice de refraccin "n" (o ms exactamente ndice de refraccin entre dos fases) de

esa sustancia, y es una constante del material.

El ndice de refraccin del vaco ( aire) es igual a uno.

Para dos sustancias diferentes con los ndices de refraccin y y las correspondientes

velocidades de la luz y se obtiene otra expresin de la Ley de Refraccin de Snell:

La relacin del seno del ngulo de incidencia al seno del ngulo de refraccin es inversamente

proporcional a la respectiva relacin de los ndices de refraccin entre dos sustancias. La

sustancia ptimamente ms densa es aquella que tiene un ndice de refraccin mayor y una

velocidad de la luz menor. El ndice de refraccin n de una sustancia depende

fundamentalmente de la correspondiente longitud de onda de la luz: en el caso del vidrio de

cuarzo y las longitudes de onda del infrarrojo, de gran importancia para las comunicaciones

pticas, este ndice decrece continuamente cuando se incrementa la longitud de onda. La

magnitud del ndice de refraccin vale para ondas luminosas que se propagan solamente con

una nica longitud de onda y con amplitud constante. En estas condiciones las ondas no

pueden trasmitir informaciones, lo cual se logra solo cuando se aplica modulacin a las

mismas. En las comunicaciones pticas (digitales) la modulacin se efecta por medio de

pulsos luminosos, se trata de grupo de ondas de corta duracin que contienen ondas

luminosas de diferentes longitudes. Las diferentes ondas integrantes de estos grupos no se

propagan con la misma velocidad ya que sus longitudes de onda difieren entre s. La velocidad

de propagacin de un grupo de ondas se denomina velocidad de grupal, para la cual se define

el ndice de refraccin del grupo ng por medio de la relacin:

Las variaciones de n y ng en funcin de la longitud de onda luminosa para vidrio de cuarzo

puro se observan en la figura.

Se observa que el ndice de refraccin del grupo es para cada longitud de onda, mayor que el

ndice de refraccin, del de un rayo de una sola longitud de onda. Para calcular los tiempos de

propagacin de las seales pticas se deben utilizar solamente el ndice de refraccin grupal.

Como se dijo al principio la longitud de onda tiene una gran importancia en la transmisin, y se

puede observar que el ndice de refraccin presenta un mnimo en 1300 nm.

La fibra ptica como medio fsico. La fibra ptica fsicamente es un hilo muy fino transparente como vidrio o plstico, por el que

se envan pulsos de luz que representan los datos a transmitir, este tipo de red de fibra

permite proporcionar a los clientes una comunicacin bidireccional de alta capacidad con

acceso directo. Las redes de acceso local se disean utilizando un sistema de fibra ptica de

alta velocidad, que permite prestar una amplia gama de servicios tanto analgicos como

digitales.

Clasificacin de la fibra ptica

Existen dos tipos de fibra los cuales se usan en todas las redes pticas implementadas el

mundo, las cuales son las fibras multimodo y las fibras monomodo.

Fibra multimodo

Es aquella fibra donde pueden ser guiados muchos modos o rayos luminosos, cada uno de los

cuales se propagan por caminos diferentes dentro de la fibra ptica.[3]

Fibra monomodo

Es aquella en que el dimetro del ncleo de la fibra es muy pequeo y slo permite la

propagacin de un nico modo o rayo (fundamental), el cual se viaja directamente sin

reflexin.[2] [3] Este efecto causa que su ancho de banda sea muy elevado, por lo que se utiliza

para grandes distancias.

Tendencia de la fibra ptica. El medio de transmisin a usarse depende de la necesidad. Debido a que cada vez son ms

altas las velocidades y los anchos de banda que se requieren, la fibra ptica es la opcin ms

eficiente que puede satisfacer la mayora de las necesidades. La razn es que presenta glandes

ventajas de ancho de banda, velocidad e inmunidad de interferencias, con la restriccin del

costo y del cableado. No obstante la demanda por mejores y ms eficientes medios de

transmisin ha generado la necesidad de instalar tramos de fibra como la solucin ms viable.

A medida que ms tramos de fibra son instalados, el costo de las maniobras y el material va

decreciendo, permitiendo la generacin de nuevas tecnologas.

Para dar un mejor servicio a los usuarios se crearon redes que mezclan a la fibra ptica con

otros medios de transmisin ms eficientes que el par trenzado y algunos ven la forma de que

la fibra ptica llegue directamente al usuario.

Redes GPON

Tecnologas de redes de acceso por fibra ptica. Tenemos 2 tipos de redes de acceso por fibra ptica las cuales son redes AON (red ptica

activa) y redes PON (red ptica pasiva).

Redes ptica activa

Es aquella red en la cual se utilizan elementos pticos activos que requieren energa para su

alimentacin y permiten largas distancias entre la sala de equipos y los abonados.

Red ptica pasiva

Es aquella red en la cual se utilizan elementos pticos pasivos para guiar el trfico de

informacin por lo que no se necesita energa para alimentacin en ningn punto intermedio

de la red.

La red ptica pasiva ha sido considerada para el acceso a la red hace mucho tiempo, incluso

mucho antes de que estimara la demanda de ancho de banda de Internet y son las ms

utilizadas sobre todo en redes que requieren cubrir extensos tramos de longitud en el orden

de kilmetros.

Tipos de redes PON Existen diferentes tipos de redes PON que son: APON, BPON, GPON, EPON.

Estructura bsica de una red GPON.

La Red ptica Pasiva con Capacidad de Gigabit (GPON o Gigabit-capable Passive Optical

Network en ingls) fue aprobada en 2003-2004 por ITU-T en las recomendaciones G.984.1,

G.984.2, G.984.3, G.984.4 y G.984.5. Todos los fabricantes de equipos deben cumplirla para

garantizar la interoperabilidad. Se trata de las estandarizaciones de las redes PON a

velocidades superiores a 1 Gbit/s. Posteriormente se han editado dos nuevas

recomendaciones: G.984.6 (Extensin del alcance) y G.984.7 (Largo alcance).

Caractersticas de GPON El ITU-T (International Telecommunications Union Telecommunication sector) empez a

trabajar sobre GPON en el ao 2002. La principal motivacin de GPON era ofrecer mayor

ancho de banda, mayor eficiencia de transporte para servicios IP, y una especificacin

completa adecuada para ofrecer todo tipo de servicios.

GPON est estandarizado en el conjunto de recomendaciones ITU-T G.984.x (x = 1, 2, 3, 4). Las

primeras recomendaciones aparecieron durante el ao 2003 y 2004, y ha habido continuas

actualizaciones en aos posteriores. Aunque mucha de la funcionalidad que no est

relacionada con GPON se conserva respecto a sus tecnologas predecesoras, principalmente

BPON, tal y como mensajes OAM, DBA, etc., GPON se basa en una capa de de transmisin

completamente nueva.

GPON ofrece una estructura de trama escalable de 622 Mbps hasta 2,5 Gbps, as como soporte

de tasas de bit asimtricas. La velocidad ms utilizada por los actuales suministradores de

equipos GPON es de 2,488 Gbps downstream y de 1,244 Gbps upstream. Sobre ciertas

configuraciones se pueden proporcionar hasta 100 Mbps por abonado.

La red de acceso es la parte de la red del operador ms cercana al usuario final, por lo que se

caracteriza por la abundancia de protocolos y servicios. El mtodo de encapsulacin que

emplea GPON es GEM (GPON Encapsulation Method) que permite soportar cualquier tipo de

servicio (Ethernet, TDM, ATM, etc.) en un protocolo de transporte sncrono basado en tramas

peridicas de 125 ms. GEM se basa en el estndar GFP (Generic Framing Procedure) del ITU-T

G.7041, con modificaciones menores para optimizarla para las tecnologas PON. GPON de este

modo, no slo ofrece mayor ancho de banda que sus tecnologas predecesoras, es adems

mucho ms eficiente y permite a los operadores continuar ofreciendo sus servicios

tradicionales (voz basada en TDM, lneas alquiladas, etc.) sin tener que cambiar los equipos

instalados en las dependencias de sus clientes.

Adems, GPON implementa capacidades de OAM (Operation Administration and

Maintenance) avanzadas, ofreciendo una potente gestin del servicio extremo a extremo.

Entre otras funcionalidades incorporadas cabe destacar: monitorizacin de la tasa de error,

alarmas y eventos, descubrimiento y ranging automtico, etc.

Arquitectura de red de GPON La red de GPON consta de un OLT (Optical Line Terminal), ubicado en las dependencias del

operador, y las ONT (Optical Networking Terminal) en las dependencias de los abonados para

FTTH (fibre to the home). La OLT consta de varios puertos de lnea GPON, cada uno soportando

hasta 64 ONT. Aunque depende del suministrador, existen sistemas que pueden alojar hasta

7.168 ONTs en el mismo espacio que un DSLAM. En las arquitecturas FTTN (fibre to the node)

las ONT son sustituidas por MDU (Multi-Dwelling Units), que ofrecen habitualmente VDSL2

hasta las casas de los abonados, reutilizando as el par de cobre instalado pero, a su vez,

consiguiendo las cortas distancias necesarias para conseguir velocidades simtricas de hasta

100 Mbps por abonado.

Para conectar la OLT con la ONT con datos, se emplea un cable de fibra ptica para transportar

una longitud de onda downstream. Mediante un pequeo divisor pasivo que divide la seal de

luz que tiene a su entrada en varias salidas, el trfico downstream originado en la OLT puede

ser distribuido. Puede haber una serie de divisores pasivos 1 x n (donde n = 2, 4, 8, 16, 32, o

64) en distintos emplazamientos hasta alcanzar los clientes. Esto es una arquitectura punto a

multipunto, algunas veces descrita como una topologa en rbol. Los datos upstream desde la

ONT hasta la OLT -que son distribuidos en una longitud de onda distinta para evitar colisiones

en la transmisin downstream- es agregado por la misma unidad divisora pasiva, que hace las

funciones de combinador en la otra direccin del trfico. Esto permite que el trfico sea

recolectado desde la OLT sobre la misma fibra ptica que enva el trfico downstream.

Para el trfico downstream se realiza un broadcast ptico, aunque cada ONT slo ser de

capaz de procesar el trfico que le corresponde o para el que tiene acceso por parte del

operador, gracias a las tcnicas de seguridad AES (Advanced Encryption Standard). Para el

trfico upstream los protocolos basados en TDMA (Time Division Multiple Access) aseguran la

transmisin sin colisiones desde la ONT hasta la OLT. Adems, mediante TDMA slo se

transmite cuando sea necesario, por lo cual, no sufre de la ineficiencia de las tecnologas TDM

donde el perodo temporal para transmitir es fijo e independiente de que se tengan datos o no

disponibles.

Una de las caractersticas clave de PON es la capacidad de sobresuscripcin. Esto permite a los

operadores ofrecer a los abonados ms trfico cuando lo necesiten y la red est con capacidad

ociosa, es decir, cuando no haya otros abonados en el mismo PON que estn empleando todo

su ancho de banda disponible. Esta funcionalidad es denominada ubicacin dinmica del

ancho de banda o DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) del PON punto a multipunto.

En una red GPON, se asigna una longitud de onda para el trfico de datos (Internet, VoIP, IPTV,

etc.) downstream (1.490 nm) y otra para el trfico upstream (1.310 nm). Adems, a travs del

uso de WDM (Wavelength Division Multiplexing), se asigna una tercera longitud de onda

(1.550 nm) que est dedicada para el broadcast de vdeo RF (broadcast analgico, broadcast

digital, broadcast digital y HDTV, y vdeo bajo demanda). De este modo, el vdeo/TV puede ser

ofrecido mediante dos mtodos distintos simultneamente: RF (radio frecuencia) e IPTV.

Mediante RF las operadoras de cable pueden hacer una migracin gradual hacia IPTV. En este

caso, las ONT dispondrn de una salida para vdeo RF coaxial que ir conectada al STB

tradicional. Con IPTV la seal de vdeo, que es transformada por la cabecera en una cadena de

datos IP se transmite sobre el mismo enlace IP como datos para acceso a Internet de banda

ancha. El STB conectado mediante Gigabit Ethernet al ONT, convertir de nuevo la cadena de

datos en una seal de vdeo. Mediante IPTV y GPON, cuyos equipos incorporan capacidades de

QoS y multicast IP avanzadas, los operadores puede ofrecer varios canales de alta calidad de

imagen y sonido, incluidos HDTV, as como proporcionar servicios interactivos y

personalizados, lo cual no es factible con vdeo RF.

Acceso al medio por divisin de frecuencia (FDMA).

Mtodo de Acceso al Medio Se denomina mtodo de acceso al conjunto de reglas que definen la forma en que un equipo

coloca los datos en la red y toma los datos del cable. Una vez que los datos se estn moviendo

en la red, los mtodos de acceso ayudan a regular el flujo del trfico de la red.

El acceso al medio no es un elemento independiente del resto de la tecnologa que se utiliza en

las redes de computadoras, muchas veces el mtodo de acceso est condicionado a otros

factores como la topologa y la estructura fsica que se utilice.

Algunos de los ms utilizados son:

TDMA: Acceso mltiple por divisin de tiempo.

CDMA: Acceso mltiple por divisin de cdigo.

FDMA: Acceso mltiple por divisin de frecuencia.

FDMA El acceso mltiple por divisin de frecuencia (Frequency Division Multiple Access o FDM, del

ingls) es una tcnica de multiplexacin usada en mltiples protocolos de comunicaciones,

tanto digitales como analgicas, principalmente de radiofrecuencia, y entre ellos en los

telfonos mviles de redes GSM.

En FDMA, el acceso al medio se realiza dividiendo el espectro disponible en canales, que

corresponden a distintos rangos de frecuencia, asignando estos canales a los distintos usuarios

y comunicaciones a realizar, sin interferirse entre s. Los usuarios pueden compartir el acceso a

estos distintos canales por diferentes mtodos como TDMA, CDMA o SDMA, siendo estos

protocolos usados indistintamente en los diferentes niveles del modelo OSI.

En algunos sistemas, como GSM, el FDMA se complementa con un mecanismo de cambio de

canal segn las necesidades de la red lo precisen, conocido en ingls como frequency hopping

o "saltos en frecuencia".

La multiplexacin por divisin de frecuencia (MDF) o (FDM), del ingls Frequency Division

Multiplexing, es un tipo de multiplexacin utilizada generalmente en sistemas de transmisin

analgicos. La forma de funcionamiento es la siguiente: se convierte cada fuente de varias que

originalmente ocupaban el mismo espectro de frecuencias, a una banda distinta de

frecuencias, y se transmite en forma simultnea por un solo medio de transmisin. As se

pueden transmitir muchos canales de banda relativamente angosta por un solo sistema de

transmisin de banda ancha.

Multiplexacin por divisin de frecuencia

El FDM es un esquema anlogo de multiplexado; la informacin que entra a un sistema FDM es

analgica y permanece analgica durante toda su transmisin. Un ejemplo de FDM es la banda

comercial de AM, que ocupa un espectro de frecuencias de 535 a 1605 kHz. Si se transmitiera

el audio de cada estacin con el espectro original de frecuencias, sera imposible separar una

estacin de las dems. En lugar de ello, cada estacin modula por amplitud una frecuencia

distinta de portadora, y produce una seal de doble banda lateral de 10KHz.

Hay muchas aplicaciones de FDM, por ejemplo, la FM comercial y las emisoras de televisin,

as como los sistemas de telecomunicaciones de alto volumen. Dentro de cualquiera de las

bandas de transmisin comercial, las transmisiones de cada estacin son independientes de las

dems.

Una variante de MDF es la utilizada en fibra ptica, donde se multiplexan seales, que pueden

ser analgicas o digitales, y se transmiten mediante portadoras pticas de diferente longitud

de onda, dando lugar a la denominada multiplexacin por divisin de longitud de onda, o

WDM del ingls Wavelength Division Multiplexing.

Caractersticas de FDMA Tecnologa muy experimentada y fcil de implementar.

Gestin de recursos rgida y poco apta para flujos de trnsito variable.

Requiere duplexor de antena para transmisin dplex.

Se asignan canales individuales a cada usuario.

Los canales son asignados de acuerdo a la demanda.

Normalmente FDMA se combina con multiplexing FDD

Planta Externa Planta externa es toda la infraestructura exterior o medios enterrados, tendidos o dispuestos a

la intemperie por medio de los cules una empresa de telecomunicaciones o energa ofrece

sus servicios al cliente que lo requiere. Es el conjunto de medios que enlazan la central

telefnica con los abonados. Est constituida fundamentalmente por los el bucle local o bucle

de abonado y sus elementos asociados: cables, cajas de empalme, bobinas, tendidos,

conductos y otras infraestructuras adicionales. Parte de esta infraestructura o red est

compuesta por: tendidos, postes, armarios, cmaras y canalizaciones subterrneas, equipos y

productos que permiten conectar y enlazar la red hasta llegar al punto donde es necesario.

La Planta Externa incluye todo lo que se encuentra incluido entre el Repartidor Principal (MDF:

main distribution frame) de la central telefnica y la casa del abonado. Adems, la Planta

externa constituye un rea de las telecomunicaciones que comprende el estudio,

administracin, gestin y control de todo el tendido de redes externas comprendido entre la

central telefnica pblica o privada y la caja terminal del abonado. Incluye las extensiones

interiores del abonado.

Estructura de una planta externa. En telefona, la planta externa consta generalmente de los elementos siguientes:

Lnea de Acometida

Las lneas de acometida de los clientes son los cables que se instalan en el tramo de red

comprendido entre las cajas terminales (generalmente en fachada) y el punto de terminacin

de red (PTR) situado en el interior del domicilio.

La instalacin de las lneas de acometida est condicionada al lugar en que se vaya a instalar, a

los materiales que se van a emplear y a las normas de instalacin. Pueden ser instaladas en

fachadas, en lneas de postes o en canalizaciones subterrneas.

Finalmente, se realiza una conexin de la lnea de acometida con las cajas terminales de la

compaa de telefona.

Caja terminal

La conexin de la lnea de acometida se realizar siempre en una caja terminal exterior o

interior.

Las cajas terminales exteriores estn situadas sobre fachadas (se pueden ver en numerosas

fachadas) o postes, poseen una capacidad de conexin una o varias decenas de pares. En la

caja terminal hay una numeracin que indica informacin del grupo de central, los pares que

se pueden conectar en dicho grupo y el nmero de caja. Existen en ocasiones cajas terminales

interiores que se instalan dentro de los edificios con una capacidad de una o varias decenas de

pares cada una.

Uno o ms pares de cobre trenzados que conectan la caja terminal con el armario de

intemperie o armario de distribucin.

El armario de intemperie que contiene un repartidor interno.

El armario de intemperie se conecta con el repartidor principal de la central mediante uno o

ms cables de par trenzado de cobre o mediante fibra ptica.

Cables que se instalan entre el repartidor principal de la central y el repartidor del armario de

distribucin o armario de intemperie.

En ocasiones, cuando los abonados no estn cerca de la central se disponen equipos activos

(lneas de telefona bsica o DSL) que conectan directamente las lneas de los abonados con la

central de forma digital.