Transmisión mediante fibra óptica
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Transmisión Mediante Fibra Óptica
Principios de la transmisión por Fibra Óptica
La fibra óptica no es más que un conducto. La luz queda atrapada
en este conducto y se propaga a la máxima velocidad posible a lo
largo del mismo. La velocidad de propagación de la luz depende del
tipo de material transparente empleado, ya que la máxima
velocidad c = 299.792.458 m/s sólo se alcanza en el vacío. En el
resto de medios la propagación se produce a menor velocidad, la
relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en otro medio, se
conoce como índice de refracción del medio y es característico de
cada material.
El motivo físico por el cual la luz queda atrapada dentro del
conducto, se basa en las leyes de reflexión y refracción de la luz,
según las cuales, cuando un rayo atraviesa la frontera desde un
medio físico transparente a otro también transparente, pero donde
la velocidad de propagación es menor, la trayectoria del mismo
varía, siguiendo una ley física conocida como Ley de Snell.
Este es el motivo de que cuando se mete un palo en el agua, éste
parece doblarse.
Más concretamente el fenómeno óptico en el que se fundamenta la
transmisión de la luz en el conducto de fibra de vidrio se denomina
TIR (Total Internal Reflection), según el cual, cuando un rayo de luz
pasa de un medio hacia otro con menor índice de refracción, si
incide sobre la frontera de los materiales con un ángulo
determinado, no pasa ninguna luz a través de la frontera del
material. El ángulo a partir del cuál el rayo de luz queda totalmente
atrapado se denomina ángulo crítico de incidencia.
El esquema siguiente muestra el ángulo crítico de incidencia en
rojo.
En la espectacular fotografía obtenida de la wikipedia que se
muestra a continuación, se puede apreciar perfectamente el
fenómeno de la TIR:
Los cables de fibra óptica se construyen basándose en ese principio.
Veamos un ejemplo gráfico:
n núcleo > n revestimiento. > n aire
El rayo 1 se refleja parcialmente porque también se refracta.
El rayo 2 se refleja totalmente
Si se hace un corte transversal de un cable de fibra, se pueden
distinguir sus componentes principales:
La parte central de la fibra óptica es el núcleo, su tamaño, como se
verá en el apartado siguiente depende del tipo de fibra con el que
se esté trabajando, aunque los estándares son 8.3 µm (monomodo),
50 µm (multimodo) y 62.5 µm (multimodo). El revestimiento tiene
un diámetro de 125 µm. Para hacer una analogía, un cabello
humano tiene unos 70 µm de diámetro.
Por último, los cables están recubiertos por una cubierta protectora,
semirígida, que protege al núcleo y al revestimiento de posibles
daños. Tanto el núcleo como el revestimiento están formados por
distintos materiales, normalmente cristal de silicio (SiO2) de
distintas composiciones para provocar el fenómeno TIR.
Los conectores son interconexiones fibra-a-fibra que alinean el núcleo de ambas
fibras y la principal diferencia entre ellos es el tipo de enganche mecánico y su
tamaño. Los cables se terminan en diferentes terminaciones que permiten conectarlos
a los paneles y bandejas de fibras existentes en los armarios de comunicaciones.
Si se corta un cable de fibra óptica, y es necesario repararlo, el
proceso, consiste en la unión de ambos extremos del cable y su
fusión posterior. El proceso es técnicamente complejo y requiere
maquinaria y personal altamente especializados.
Además de los cables, debemos tener en cuenta que un sistema de
transmisión óptico consta de varios componentes esenciales:
La fuente de luz
El medio de transmisión
El detector
El medio de transmisión es la propia fibra de vidrio, la fuente de luz
suele ser un láser, y el receptor un elemento fotosensible. La
información se codifica de modo que un pulso de luz indique un 1 y
la ausencia del mismo un 0.
Una vez que la luz entra en una fibra óptica, se propaga de una
forma uniforme llamada modo, que no es más que el camino que
sigue a través de una fibra (la onda electromagnética)
Dependiendo del número de modos de propagación, hay dos
grandes tipos de fibra óptica que se describen en los siguientes
subapartados.
Fig: Comparación cable de cobre frente a cable de fibra óptica
Fig: Estructura de un cable de fibra óptica
Hay dos grandes tipos de fibra óptica que se describen en los
siguientes subapartados.
Fibras monomodo.
Son fibras con el núcleo de vidrio mucho más fino que en el
siguiente caso, permitiendo el paso de un único haz de luz. Estas
fibras tienen la característica de tener un alcance muy superior
(hasta 10 Km) Para su correcto funcionamiento se precisan
emisores láser más potentes y sofisticados, lo que encarece su uso.
Estas fibras se emplean fundamentalmente para conexiones de
media, larga y muy larga distancia (desde 550m hasta 40km)
Las fibras monomodo no sufren tanto el fenómeno de la dispersión
(ver apartado siguiente) como las multimodo ya que por la fibra
sólo viaja un pulso de luz cada vez. También tiene menos
atenuación (absorción parcial al ser reflejada en el revestimiento)
lo que garantiza una transmisión de la señal más fidedigna.
Una de las desventajas de este tipo de fibras, es que al ser el
núcleo mucho más estrecho que en las fibras multimodo, la
conexión entre dos fibras tiene que ser mucho más precisa,
encareciendo los conectores y el coste del cable en general.
Existen 3 tipos básicos de fibra monomodo: NDSF, DSF y NZ-DSF.
Las diferencias entre los 3 tipos se basan principalmente en su
adecuación para el funcionamiento con diferentes láser que
funcionen en distintas longitudes de onda.
Por último, una familia de fibras monomodo, las PM (Polarization-
maintaining), son capaces de transmitir sólo una polarización de la
luz de entrada, lo cual tiene aplicaciones muy interesantes en la
industria.
Fibras multimodo.
Fibras que permiten el paso de varios haces de luz (modos) a través
del núcleo, que se reflejan con distintos ángulos dentro del núcleo.
Su alcance es limitado a construcciones con poca distancia entre
ellas.
Este tipo de fibras tienen un núcleo (core) con un diámetro mucho
mayor que el de las fibras monomodo.
Dentro de las fibras multimodo, existen dos tipos principales, las de
índice escalonado y las de índice gradual, que permiten un alcance
ligeramente superior.
En las fibras de índice escalonado, se propagan varias ondas o
modos diferentes a través de la fibra.
Unas ondas se propagan completamente paralelas al
revestimiento, por el núcleo de la fibra
Otras se refleja continuamente, atrapadas por el fenómeno
TIR
El resto, se refracta en el revestimiento
Intuitivamente se ve que las ondas que se reflejan, recorren mucha
mayor distancia que las que se propagan por el núcleo sin
reflejarse. Esto da lugar a un fenómeno, conocido como dispersión
que produce atenuación de la señal transmitida. Este fenómeno es
inevitable en la fibra óptica multimodo y es el ocasionante de que la
longitud de estas fibras no pueda ser tan grande como la de las
fibras monomodo.
En las fibras de índice gradual, el índice de refracción del núcleo
decrece desde el centro hacia el revestimiento. Esto hace que se
reduzca la dispersión, ya que los haces llegan casi al mismo tiempo,
ya que cerca del revestimiento, los rayos se propagan más
rápidamente que en el núcleo.
Tipologías de red FTTx
Se entiende por red de acceso de fibra óptica al conjunto de
elementos tecnológicos que conectan los terminales de los
usuarios finales hasta los equipos terminales de la red de
transporte. Comúnmente se denomina a éste tramo la última milla.
Dependiendo del punto de terminación de la fibra óptica, el tipo de
red recibe un nombre u otro distinto. Para abarcar todas las
tipologías posibles se utiliza el denominador común FTTx
Entre las diferentes tipologías encontramos:
Fibra hasta el hogar (Fiber to the Home, FTTH)
Fibra hasta la acera (Fiber To The Curb, FTTC)
Fibra hasta el edificio (Fiber To The Building, FTTB)
Sistemas de accesos ópticos para FTTH
Existen dos principales arquitecturas de red para los sistemas de
accesos ópticos: arquitecturas activas y arquitecturas pasivas.
La principal diferencia entre arquitecturas activas y pasivas se
encuentra en que las pasivas el ancho de banda disponible se
multiplexa en una misma fibra repartiéndolo entre todos los
usuarios a partes iguales o según una calidad de servicio
preestablecida, en cambio en las arquitecturas activas el ancho de
banda disponible es dedicado por fibra y por usuario.
Evidentemente, éste tipo de accesos tiene un coste más elevado.
Entre las arquitecturas activas encontramos principalmente las
redes PTP (Point To Point) y redes Ethernet Activas (Active Star
Ehternet) y para las arquitecturas de red pasivas, las redes PON
(Passive Optical Network).
Redes PTP: Redes punto a punto.
Las redes punto a punto son líneas de acceso permanente en las
que se usa una única fibra para conectar a dos nodos de
transmisión, por ejemplo, entre el proveedor de Internet y el
usuario final, o conexiones entre sedes de una empresa. Estas
redes se comportan como un enlace donde todo el ancho de banda
es dedicado y exclusivo. El gran inconveniente de esta topología es
su elevado precio.
Como ventaja presentan una gran fiabilidad en la transmisión de
datos y permiten una comunicación bidireccional full-dúplex.
Redes PON (Passive Optical Network).
Introducción a las redes xPON.
Una red óptica pasiva es una configuración de red que por sus
características provee una gran variedad de servicios de banda
ancha a los usuarios mediante accesos de fibra óptica.
La utilización de arquitecturas pasivas permite reducir los costes y
son utilizadas principalmente en las redes FTTH. Por contrapartida,
el ancho de banda no es dedicado, sino multiplexado en una misma
fibra en los puntos de acceso de red de los usuarios. En definitiva,
se trata una configuración de red punto-multipunto.
Avanzando desde la red hacia el usuario podemos decir que una
arquitectura de red PON está formada por los siguientes equipos:
un Terminador de red Óptico (OLT, Optical Line Termination) en la
central local del proveedor de servicios y una serie de Unidades de
Red Ópticas (ONU, Optical Network Units) próximo a los usuarios de
acceso.
Fig. Ejemplo arquitectura de red PON
Fig: Split para redes PON
Existen varias tipologías de redes PON englobadas por el
denominador común xPON, entre ellas, APON, BPON, GPON y EPON.
Estándares xPON.
Realizando un seguimiento cronológico encontramos los siguientes
estándares para redes xPON basados en las recomendaciones ITU-T
G.983, ITU-T G.984 e IEEE 802.3ah
Recomendación: ITU-T G.983
APON (ATM Passive Optical Network ): Esta fue el primer estándar de
red pasiva, se usaba principalmente para aplicaciones de empresas
y estaba basado en transmisión de tráfico ATM.
BPON (Broadband PON), es un estándar basado en APON aportó
nuevas mejoras como la multiplexación por longitud de onda o
WDM, incrementando de esta manera el ancho de banda.
Recomendación ITU-T G.984
GPON (Gigabit PON): Es una evolución de BPON, permitiendo una
optimización de la transmisión del tráfico IP y ATM mediante celdas
de tamaño variable.
Recomendación IEEE 802.3ah
EPON (Ethernet PON): La principal característica es que transporta
tráfico nativo de red Ethernet en lugar del clásico tráfico ATM. Se
optimiza el tráfico IP, se mejora la seguridad y soporta mayores
velocidades de transmisión de datos.
Las características principales de los estándares expuestos
anteriormente se pueden apreciar en el siguiente cuadro resumen:
Basado en el Standard IEEE 802.ah, las redes activas Ethernet
proveen de ancho de banda simétrico con velocidades superiores a
1Gbps por puerto sobre una única fibra utilizando para ello dos
longitudes de onda multiplexadas y diferenciadas sobre cada fibra
óptica.
De ésta manera con cada longitud de onda tenemos dos slots de
transmisión, un slot se utiliza como canal de transmisión y otra para
el canal de recepción.
Esto nos permite una transmisión de datos Full-Dúplex mediante
una conexión punto a punto con un ancho de banda dedicado al
usuario.
En las redes PON define como máxima distancia entre un OLT y un
equipo ONU de 20 Km para que la red PON sea operativa, con las
redes Ethernet activas éste límite desaparece permitiéndose
distancias superiores a 80Km desde el punto de distribución hasta
el usuario.
Protocolos
La transmisión y la recepción de información por una fibra óptica
siguen métodos de codificación o protocolos similares a los de otro
medio de transporte no óptico cuando se establece entre dos
puntos determinados. El sistema más sencillo es modular la señal
óptica variando la intensidad eléctrica que se aplica al dispositivo
generador de la luz. Esto permite enviar una sola señal. En los
casos en que se utiliza para transmitir diferentes señales en el
mismo canal, la técnica más simple es la de modulación de
subportadoras. La señal es superpuesta en subportadoras
auxiliares y luego combinadas utilizando la señal eléctrica
resultante para modular la portadora óptica (SCM: Sub Carrier
Multiplexing). Estas técnicas anteriores son heredadas de los
sistemas de comunicaciones de radiofrecuencia. Más propio de la
comunicación óptica, para este tipo de enlaces, es la tecnología de
combinación de un número de longitudes de onda en la misma
fibra (WDM: Wavelength Division Multiplexing). La transmisión de
luz por las fibras ópticas presenta diferentes propiedades en
función de la longitud de onda del haz que la recorre. La principal
característica que se aprovecha para este tipo de transmisión de
información es la atenuación que presenta la fibra para las
distintas frecuencias de la fuente de luz.
Para ver el potencial de WDM, primero examinaremos las
características de una fuente de luz de alta calidad. Como ejemplo,
la salida modulada de un láser de tipo DFB (Distributed Feedback
Laser) tiene un espectro de frecuencias de 10 a 50 MHz, lo que
equivale a un ancho de 1E-3 nm (1 milésima de nanómetro o
picómetro). Cuando se usa una fuente como esta se suele
establecer una banda de guarda –separación entre canales
adyacentes– de 0,4 a 1,6 nm previendo posibles alteraciones con
el paso del tiempo o efectos de la temperatura. En la figura
anterior podemos ver dos regiones de poca atenuación de una
fibra mono-modo. Por un lado el rango de 1270 a 1350 nm
(llamado ventana de 1310 nm) y por otro lado el rango de 1480 a
1600 nm (la ventana de 1550 nm). Para encontrar el ancho de
banda correspondiente a un ancho espectral en particular, usamos
la relación c=λv que relaciona la longitud de onda λ, con la
frecuencia portadora v, donde c es la velocidad de la luz.
Diferenciando esto tenemos que para Δλ<<λ² |Δv| = (c/λ²) |Δλ|
De la ecuación anterior tenemos que Δv = 14 THz (Tera Hercios)
para una banda espectral usable de Δλ = 80 nm en la ventana de
1310 nm. E, igualmente obtenemos que Δv = 15 THz para una
banda espectral utilizable de Δλ = 120 nm en la ventana de 1550
nm. Esto da como resultado un ancho de banda total de la fibra de
unos 30 THz en las dos ventanas de baja atenuación. Usando
diferentes fuentes de luz, cada una emitiendo con una longitud de
onda que esté suficientemente espaciada de su vecina, de tal
manera que no se interfieran, la integridad de los mensajes
independientes de cada fuente se mantiene para una posterior
conversión a señales eléctricas en el receptor. La definición de
estos canales de comunicación en función de la longitud de onda,
se establece según ITU (International Telecommunication Union) en
frecuencias. La razón fundamental para seleccionar frecuencias fijas
para el espaciado de canales, en lugar de longitudes de onda,
radica en que al fijar el modo de funcionamiento de un láser es la
frecuencia lo que se selecciona. La recomendación ITU-T G.692
especifica que los canales han de ser seleccionados de unas
frecuencias referenciadas a 193,100 THz (1552,524 nm) y
espaciarlos 100 GHz (0,8 nm a 1552 nm). Otras alternativas de
espaciado son 50 GHz (0,4 nm) y 200 GHz (1,6 nm). La ventaja
fundamental de WDM es que las longitudes de onda discretas
forman un conjunto de portadoras ortogonal que pueden ser
separadas, enrutadas y conmutadas sin interferirse una en la otra.
Con la llegada de las líneas de transmisión de fibra óptica, el
siguiente paso en la evolución de TDM (Time Division Multiplexing)
fue la creación de un formato estándar de señal llamado SONET
(Synchronous Optical Network) para Norte América y SDH
(Synchronous Digital Hierarchy) en otras partes del mundo. Los
protocolos SONET y SDH especifican formatos para las señales
ópticas que pueden ser compartidas entre diferentes redes
(europea y americana). Las características más relevantes de estos
estándares cubren la normalización de la estructura de los datos
(data-frame), las especificaciones del interfaz óptico y las
arquitecturas de llamada fundamentales. Aunque hay algunas
diferencias en la implementación entre SONET y SDH, todas las
especificaciones SONET cumplen con las recomendaciones SDH.
En la figura anterior podemos ver la estructura básica de una
trama SONET. Es una estructura bidimensional consistente en 90
columnas de 9 filas de octetos. La trama fundamental tiene 125 µs
de duración. Tenemos entonces que, la velocidad de transferencia
de una señal básica SONET es: STS-1 = (90 octetos/fila) * (9
filas/trama) * (8 bitios/octeto) / (125 µs/trama) = 51,84 Mb/s Esto
es lo que se llama una señal STS-1, donde STS significa
Syinchronous Transport Signal. Todas las demás señales SONET
son múltiplos enteros de esta tasa de transferencia, así que una
señal STS-N tiene un bit-rate (tasa de transferencia) de N veces
51,84 Mb/s. Tras la conversión eléctrica a óptica, la señal óptica de
la capa física que resulta es denominada OC-N, donde OC significa
Optical Carrier. Es muy corriente referirse a los enlaces SONET
como enlaces OC-N.
En SDH la velocidad básica de transferencia que se toma es
equivalente a STS-3 que corresponde a 155,22 Mb/s; a la que se
llama STM-1 (Synchronous Transport Module – Level 1). A las
velocidades más altas se las denomina de la forma STM-M. Los
valores de M (en SDH) soportados por las recomendaciones ITU-T
son M = 1, 4, 16, y 64. Son equivalentes a SONET OC-N , donde N =
3M. Vemos que, en la práctica para mantener la compatibilidad
entre SONET y SDH, N ha de ser un múltiplo de 3.
Tanto SONET como SDH tratan primero la señal antes de su transmisión para
prevenir largas secuencias de 1 o de 0 que produciría pérdida de sincronismo.
Distancia
de
transmisió
n
Ventana
1310 nm
Ventana
1550 nm
Atenuación
a 1310 nm
Atenuación
a 1550 nm
< 15 km
< 40 km
< 80 km
1260-1360
nm
1260-1360
1430-1580
nm
1430-1580
3,5 dB/km
0,8 dB/km
0,5 dB/km
No
especificada
0,5 dB/km
nm
1280-1335
nm
nm
1480-1580
nm
0,3 dB/km
Fig: Rangos de longitud de onda y atenuación de la fibra según la
distancia de la transmisión
Despliegue de RED
La mayoría de las instalaciones de fibra óptica de hoy en día se
realizan utilizando uno de los tres métodos más conocidos. Cada
uno de ellos tiene ventajas e inconvenientes respecto del otro y
son elegidos para cada instalación en función de varias
consideraciones como por ejemplo, económicas, derechos de paso,
características de la red, estéticas y de cuidado del entorno. Dos
de estos métodos enrutan el cable por el subsuelo y el otro
transporta el cable por encima del terreno mediante postes.
Esquemáticamente:
Soterramiento directo
Canalizado y soterrado
Instalación aérea
Soterramiento Directo (Directamente Enterrado)
Cuando se trata de instalaciones nuevas o rehabilitadas son más
utilizados los soterramientos, ya sea canalizados o directamente el
cable bajo el suelo. Se deja la instalación aérea para las
infraestructuras cuyas conducciones ya están saturadas y sería
costosa su ampliación.
Para el soterramiento directo, donde el cable de fibra va sin
protección, y por tanto en contacto directo con el suelo, es
necesario el uso de maquinaria pesada. El cable es introducido en el
terreno creando una zanja (que ha de ser recubierta
posteriormente) o simultáneamente excavando e insertando el
cable con máquinas especializadas. Es el sistema más costoso
inicialmente de los tres.
Canalizado y Soterrado
Las instalaciones canalizadas requieren la colocación previa de un
conducto que conducirá uno o varios cables entre dos puntos de
acceso. Los puntos de acceso son registros de manipulación que
pueden ser tan grandes como para la entrada de una persona o
tan solo como una mano. Este tipo de instalación requiere un
dispositivo de introducción del cable dentro de la canalización
(también puede ser manual), un instrumento de medida de tensión
y un lubricante compatible con la fibra óptica que reduzca la
fricción en la canaleta. Las redes canalizadas se suelen instalar
como previsión a futuros requerimientos de capacidades, ya que,
son fácilmente ampliables.
Aérea
La instalación de cable aérea se realiza sobre postes y torres que,
permiten el enrutamiento del camino de transmisión óptico sobre
el terreno. El método más común es usar un cable metálico guía
entre los postes o torres que servirá de soporte duradero de las
fibras que son mucho más delicadas.
Fibra Óptica en el Hogar
La llegada de la fibra óptica hasta el hogar requiere, además de la
instalación que realiza la compañía que distribuye la señal, de un
desembolso por parte del usuario del servicio que garantice la
correcta distribución de la señal. La instalación dentro del hogar ha
de incluir cableado y tomas suficientes: en cada habitación se
recomienda un mínimo de dos tomas. Además esta instalación
interior ha de cumplir la ISO11801 (categoría 5E). La instalación ha
de unir dos puntos cualesquiera de la casa, cumplir cualquier
topología de red, ser de las mismas características y cumplir los
estándares internacionales y ser de manejo sencillo.
El punto de entrada al hogar de la fibra óptica se realiza mediante
un equipo denominado ONU (Optical Network Unit) que es el
encargado de adaptar las señales ópticas y comunicarse con la
central (OLT) extrayendo la información destinada al usuario que
se conecta a él y separándola del resto de la trama que circula por
la fibra.