resumen comunicaciones
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Introducción a la Transmisión de señales conducidas y no conducidas.
(Cobre en pares, pares trenzados y coaxiales, características y técnicas de transmisión:
G.SHDSL, xDSL y DOCSYS.)
Características de transmisión de medios:
1. Conducidas:
Cables de Cobre
Éste consiste en dos alambres de cobre aislados, por lo regular de 1 mm de grueso.
Los alambres se trenzan en forma helicoidal, se trenzan los alambres, las ondas de
diferentes vueltas se cancelan, por lo que la radiación del cable es menos efectiva.
La distancia que se puede recorrer con estos cables es de varios kilómetros sin
necesidad de amplificar las señales, pero para distancias mayores se requieren
repetidores.
Los cables de par trenzado se pueden utilizar para transmisión tanto analógica como
digital.
El ancho de banda depende del grosor del cable y de la distancia que recorre; en
muchos casos pueden obtenerse transmisiones de varios megabits/seg, en distancias
de pocos kilómetros.
Tipos de cables trenzados (UTP: Par trenzado sin blindaje)
a- Categoría 3: consisten en 2 alambres aislados que se trenzan de manera
delicada. Maneja anchos de banda de 16 a 100 MHz.
b- Categoría 5: estos son más avanzados, son similares a los de categoría 3 pero
con más vueltas, lo cual produce una menor diafonía. También se obtiene una
mejor calidad a distancias más largas. Maneja anchos de banda de 16 a 100
MHz.
Utp 5e: revestimiento exterior que cubre los pares trenzados.
c- Categoría 6 y 7: tienen la capacidad de manejar señales con anchos de banda de
250 y 600 MHz.
UTP 6: tiene revestimiento exterior, el par trenzado, separador de pares
d- SFTP:
5e: forro exterior, pantalla malla, alambre de drenaje, pantalla de lámina de
aluminio, par trenzado.
7: forro exterior, pantalla malla, alambre de drenaje, pantalla de lámina de
aluminio, par trenzado.
7e: forro exterior, pantalla malla, pantalla de lámina de aluminio, par trenzado,
alambre de drenaje.
8: forro exterior, pantalla malla, alambre de drenaje, pantalla de lámina de
aluminio, par trenzado.
Diafonía:
En un par de cables existe diafonía, cuando podemos medir alguna señal en él, que
pertenece a otro par de cables cercano. Este fenómeno también es llamado crosstalk.
Dos parámetros que se miden en cables trenzados:
– NEXT: Near end crosstalk
– FEXT: Far end crosstalk
Coaxiales:
Este cable tiene mejor blindaje que el de par trenzado, así que puede abarcar tramos
más largos a velocidades mayores.
Hay dos clases de cable coaxial que son las más utilizadas.
Una clase: el cable de 50 ohm, se usa por lo general para transmisión digital.
La otra clase, el cable de 75 ohm, se utiliza comúnmente para la transmisión
analógica y la televisión por cable, pero se está haciendo cada vez más importante
con el advenimiento de Internet a través de cable.
El ancho de banda posible depende de la calidad y longitud del cable, y de la relación
señal a ruido de la señal de datos.
La construcción y el blindaje del cable coaxial le confieren una buena combinación de
ancho de banda alto y excelente inmunidad al ruido.
Aplicaciones:
– Distribución de Televisión (Redes CATV)
– Telefonía a larga distancia
– Redes de área local (en desuso)
Características
– Transmite señales analógicas y digitales
– Buena respuesta en frecuencia
– Baja interferencia y baja diafonía
Limitaciones
– Atenuación
– Ruido de intermodulación cuando usamos
FDM
xDSL:
xDSL es un grupo de tecnologías de comunicación que permiten transportar
información multimedia a mayores velocidades, que las obtenidas actualmente vía
módem, simplemente utilizando las líneas telefónicas convencionales.
Puesto que la red telefónica también tiene grandes limitaciones, tales como que su
ancho de banda tan solo llega a los 4Khz, no permite el transporte de aplicaciones
que requieran mayor amplitud de banda, nace la tecnología DSL (Digital Subscriber
Line), que soporta un gran ancho de banda con unos costes de inversión
relativamente bajos y además trabaja sobre la red telefónica ya existente,
convirtiendo la línea analógica convencional en una línea digital de alta velocidad.
Son tecnologías de acceso punto a punto a través de la red telefónica pública
(circuitos locales de cable de cobre) sin amplificadores ni repetidores de señal a lo
largo de la ruta del cableado, que soportan un gran ancho de banda entre la
conexión del cliente y el primer nodo de la red, que permiten un flujo de información
tanto simétrico como asimétrico y de alta velocidad sobre el bucle de abonado.
xDSL es una tecnología en la que se necesita un dispositivo módem xDSL terminal en
cada extremo del circuito de cobre, que acepte flujo de datos en formato digital y lo
superponga a una señal analógica de alta velocidad.
El factor común de todas las tecnologías xDSL es que funcionan sobre líneas de cobre
simples, y aunque cada una tiene sus propias características, todas utilizan la
modulación para alcanzar elevadas velocidades de transmisión.
Esta tecnología ofrece servicios de banda ancha sobre conexiones que no superen los
6 km. de distancia entre la central telefónica y el lugar de conexión del abonado,
dependiendo de:
- Velocidad alcanzada
- Calidad de las líneas
- Distancia
- Calibre del cable
- Esquema de modulación utilizado.
La ventaja de las técnicas consiste, en soportar varios canales sobre un único par de
cables. Basándonos en esto, los operadores telefónicos proporcionan habitualmente
tres canales: dos para datos (bajada y subida) y uno para voz.
Otra de las ventajas es que xDSL provee configuraciones asimétricas o simétricas
para soportar requerimientos de ancho de banda en uno o dos sentidos. Esto se
refiere a configuraciones simétricas si el canal de ancho de banda necesario o
provisto es el mismo en las dos direcciones (upstream: sentido cliente-red, y
downstream: sentido red-cliente).
G.SHDSL
(Symetric High speed Digital Subscriber Line )
Es un nuevo estándar que fue desarrollado para ser la convergencia de tecnologías
simétricas de DSL (HDSL, SDSL, HDSL-2), abarcando todas las funciones que son
proporcionadas actualmente por las tecnologías SDSL y HDSL2 europeos.
SHDSL se ha diseñado para mejorar el desempeño del alcance y accionar la
compatibilidad Espectral con otras tecnologías de DSL (ADSL, etc.). Las tasas de
datos son idénticas en ambos sentidos (la tecnología es simétrica) y varía de: - 192
Kb/s a 2.3 Mb/s (un par trenzado), a - 384 Kb/s a 4.6 Mb/s (dos pares trenzados).
Características.
El SHDSL está diseñado para el transporte de datos de forma simétrica, a regímenes
que se adaptan a las características del canal y que van desde 192kbps a 2.3Mbps; o
desde 384kbps a 4.6 Mbps sobre dos pares.
El código de línea utilizado es TC-PAM (Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation);
utilizando 16 niveles en línea (4B1H). Además la señal se conforma en frecuencia
para mejorar la compatibilidad espectral respecto a otros sistemas que compartan el
mismo mazo (Por ej. : ADSL).
Mientras las aplicaciones de HDSL se limitan a transportar servicios de Multiplex por
División en el Tiempo (TDM), desde el principio, el SHDSL está siendo utilizado para
transportar cargas tanto TDM como ATM.
Existen también repetidores para aumentar el alcance de estos sistemas de línea.
El sistema G. SHDSL podría ser entre dos y tres veces más rapido que la mayor
parte de las conexiones DSL clásicas (llega hasta los 4,6 mbps). Otra de las ventajas
del G.SHDLS es que permite utilizar una centralita más lejana, distancia limitada hoy
en día a unos 4,5 kilómetros. Muchos de los proveedores de servicios
norteamericanos ya planean migrar a este tipo de conexiones en detrimento del
cable.
Por otro lado, a diferencia de las conexiones DSL que disfrutábamos hasta ahora, la
velocidad de transmisión es igual tanto para la recepción como el envío de datos.
Teniendo en cuenta estas características, es muy posible que las grandes empresas,
hasta ahora espantadas por los inconvenientes ya mencionados de las conexiones
DSL tradicionales, empiecen a adoptar el estándar G.SHDSL.
DOCSYS
DOCSIS son las siglas de data over cable service interface specification (en
castellano, «especificación de interfaz para servicios de datos por cable»).
Se trata de un estándar no comercial que define los requisitos de la interfaz de
comunicaciones y operaciones para los datos sobre sistemas de cable, lo que permite
añadir transferencias de datos de alta velocidad a un sistema de televisión por cable
(CATV) existente. Muchos operadores de televisión por cable lo emplean para
proporcionar acceso aInternet sobre una infraestructura HFC (red híbrida de fibra
óptica y coaxial) existente. La primera especificación DOCSIS fue la versión 1.0,
publicada en marzo de 1997, seguida de la revisión 1.1 en abril de 1999.
La versión europea de DOCSIS se denomina EuroDOCSIS. La principal diferencia es
que, en Europa, los canales de cable tienen un ancho de banda de 8 MHz (PAL),
mientras que, en Norte América y Colombia, es de 6 MHz (NTSC). Esto se traduce en
un mayor ancho de banda disponible para el canal de datos de bajada (desde el
punto de vista del usuario, el canal de bajada se utiliza para recibir datos, mientras
que el de subida se utiliza para enviarlos). También existen otras variantes de
DOCSIS que se emplean en Japón.
El 7 de agosto de 2006 salieron a la luz las especificaciones finales del DOCSIS 3.0,
cuya principal novedad reside en el soporte para IPv6 y el channel bonding, que
permite utilizar varios canales simultáneamente,1 tanto de subida como de bajada,
por lo que la velocidad podrá sobrepasar los 100 Mbit/s en ambos sentidos. Los
equipos con el nuevo protocolo llegarán a velocidades de descarga de datos de 160
Mbit/s y subidas a 120 Mbit/s.
Así, actualmente el estándar DOCSIS se encuentra en la versión 3.0, publicado a
finales de agosto de 2006.
Características
DOCSIS proporciona una gran variedad de opciones disponibles en las capas 1 y 2
del modelo OSI, la capa física (PHY) y la de control de acceso al medio (MAC).
• Capa física:
• Ancho de banda del canal: DOCSIS 1.0 y 1.1 especifican un ancho de canal
de subida entre 200 KHz y 3,2 MHz. DOCSIS 2.0 especifica 6,4 MHz, pero es
compatible con los anteriores. El canal de bajada es de 6 MHz (8 MHz en
EuroDOCSIS).
• Modulación: DOCSIS 1.0/1.1 especifica la utilización de una modulación 64-
QAM o 256-QAM para el canal de bajada (downstream), y QPSK o 16-QAM para el de
subida (upstream). DOCSIS 2.0 además permite 64-QAM para el canal de subida.
• Capa MAC: DOCSIS emplea métodos de acceso deterministas,
específicamente TDMA y S-CDMA. En contraste con CSMA/CD empleado en Ethernet,
los sistemas DOCSIS experimentan pocas colisiones.
Caudal de datos
El ancho de banda de cada canal depende tanto del ancho del canal como de la
modulación utilizada. Con canales de 6 MHz y 256-QAM la velocidad podría llegar
hasta los 38 Mbit/s, mientras que con canales de 8 MHz y la misma modulación
llegaría hasta los 51 Mbit/s. En el caso de la subida, con un canal de 3,2 MHz y 16-
QAM habría disponibles 10 Mbit/s, aunque en el caso de DOCSIS 2.0 al permitir
hasta 6,4 MHz y 64-QAM se puede aumentar hasta 30,72 Mbit/s.
En las siguientes tablas se pueden apreciar mejor las diferentes combinaciones y sus
tasas de transferencia resultantes. Todas están indicadas en Mbps y en valores
brutos, es decir sin contar los bits utilizados en la corrección de errores, entre
paréntesis se encuentra la velocidad real neta.
Bajada (downstream) en Mbit/s
64-QAM 256-QAM
6 MHz 30,34 (27) 42,88 (38)
8 MHz 40,44 (36) 57,20 (51)
Subida (upstream) en Mbit/s
QPSK 16-QAM 64-QAM*
0,2 MHz 0,32 (0,3) 0,64 (0,6) 1,28 (1,2)
0,4 MHz 0,64 (0,6) 1,28 (1,2) 1,92 (1,7)
0,8 MHz 1,28 (1,2) 2,56 (2,3) 3,84 (3,4)
1,6 MHz 2,56 (2,3) 5,12 (4,6) 7,68 (6,8)
3,2 MHz 5,12 (4,6) 10,24 (9,0) 15,36 (13,5)
6,4 MHz* 10,24 (9,0) 20,48 (18,0) 30,72 (27)
*Sólo disponibles en DOCSIS 2.0
Equipamiento
Un CMTS Cable Modem Termination System, el equipo que hay en la cabecera de la
compañía de cable, equivalente al DSLAM en la tecnología DSL) es un dispositivo que
controla los puertos de envío y recepción. Esto significa que, a diferencia de
Ethernet, para proporcionar una comunicación bidireccional necesitamos al menos
dos puertos físicos - bajada/recepción y subida/envío (downstream y upstream).
Debido al ruido en el canal de retorno, hay más puertos de subida que de bajada.
Hasta DOCSIS 2.0, los puertos de subida no podían transmitir datos tan rápido como
los puertos de bajada, aunque la razón principal de que haya más puertos de subida
que de bajada es el ruido de la línea.
Antes de que una compañía de cable pueda usar DOCSIS, debe actualizar su red HFC
para soportar un canal de retorno para el tráfico de subida. Sin él, el antiguo
estándar DOCSIS 1.0 aún permite el uso de datos sobre sistemas de cable,
implementando el canal de retorno mediante la línea telefónica
convencional.(sistema TELCO)motorola SB 3100
El ordenador del cliente, junto con los periféricos asociados, se denominan Customer
Premise Equipment (CPE). Está conectado al cablemódem, el cual está conectado al
CMTS a través de la red HFC. Entonces el CMTS enrutará el tráfico entre la red de
cable e Internet. Los operadores de cable tienen un control absoluto de la
configuración de los cablemódems.
Velocidad de transferencia
Típicamente, en lo referente a usuarios particulares, la velocidad está limitada en
función del contrato que tengan suscrito con su operador de telecomunicaciones. Los
valores concretos se definen en un archivo de configuración que el cablemódem se
descarga (usando TFTP) cuando establece la conexión con la cabecera del ISP.
Comcast, el mayor proveedor de cable de los Estados Unidos, limita la velocidad de
bajada a 6 Mbit/s y la de subida a 384 kbit/s en las conexiones de usuarios
particulares. En algunas zonas ofrece conexiones de 8 Mbit/s y 768 kbit/s por un
precio mayor.
Un canal de bajada puede manejar hasta 1.000 cablemódems. Cuando el sistema
crece, el CMTS se puede actualizar con más puertos de bajada/subida. Si la red HFC
es grande, se pueden agrupar los CMTS en concentradores para una gestión más
eficiente.
Algunos usuarios intentan saltarse el límite de ancho de banda para conseguir acceso
total al ancho de banda del sistema (a menudo, 30 Mbit/s) subiendo su propio
fichero de configuración al cablemódem. Este proceso se conoce como uncapping y
constituye, en la mayoría de casos, una violación de los términos del servicio y,
frecuentemente, de la ley.
Fibras Ópticas
(Fibras Ópticas: características y técnicas de transmisión para acceso y troncal:
tecnologías FTTx, HFC, PON.)
Un sistema de transmisión óptico tiene tres componentes: la fuente de luz, el medio
de transmisión y el detector. Convencionalmente, un pulso de luz indica un bit 1 y la
ausencia de luz indica un bit 0. El medio de transmisión es una fibra de vidrio ultra
delgada. El detector genera un pulso eléctrico cuando la luz incide en él. Al agregar
una fuente de luz en un extremo de una fibra óptica y un detector en el otro, se tiene
un sistema de transmisión de datos unidireccional que acepta una señal eléctrica, la
convierte y transmite mediante pulsos de luz y, luego, reconvierte la salida a una
señal eléctrica en el extremo receptor.
Este sistema de transmisión tendría fugas de luz y sería inútil en la práctica excepto
por un principio interesante de la física.
Cuando un rayo de luz pasa por un medio a otro, el rayo se refracta (se dobla) en la
frontera de sílice y aire. En ella vemos un rayo de luz que incide en la frontera con
un Angulo α1 y que emerge con ángulo β1.
El grado de refracción depende de las propiedades de los dos medios.
Para ángulos con incidencias mayores de ciertos valores críticos, la luz se refracta
nuevamente a la sílice, ninguna parte de él escapa al aire. Por lo tanto, un rayo que
incide en un ángulo mayor o igual que el crítico queda atrapado dentro de la fibra.
La energía electromagnética, como la luz, recorre aproximadamente 300,000,000
m/s en el espacio libre. En materiales más densos que el espacio libre, la velocidad
se reduce.
Cuando se reduce la velocidad de una onda electromagnética al pasar de uno a otro
medio de un material más denso, el rayo de luz se refracta, o se dobla, hacia la
normal. También, en materiales más densos que el espacio libre, todas las
frecuencias de la luz no se propagan con la misma velocidad.
En realidad, el rayo de luz no se dobla, sino que cambia de dirección en la interfaz.
La cantidad de desviación o refracción que sucede en la interfaz de dos materiales de
distintas densidades se puede predecir bastante bien, y depende del índice de
refracción de los dos materiales. Este índice de refracción no es más que la relación
de la velocidad de propagación de un rayo de luz en el espacio libre, entre la
velocidad de propagación del rayo en determinado material.
Se puede explicar la forma en que un rayo de luz refracta al encontrar la interfaz de
dos materiales transmisores con un índice de refracción, distintos con la ley de Snell.
n1.sen(Θ1) = n2.sen(Θ2)
Θ1: Angulo incidente Θ2: Angulo de refracción
Angulo crítico: El ángulo crítico se define como el ángulo de incidencia mínimo en el
cual un rayo de luz puede llegar a la interfaz entre dos medios y tener un ángulo de
refracción de 90° o mayor.
Esta definición sólo se aplica cuando el rayo de luz pasa de un medio más denso a
uno menos denso.
Si el ángulo de refracción es 90° o menor, el rayo de luz no puede penetrar en el
material menos denso. En consecuencia, se produce la reflexión total en la interfaz, y
el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia.
Modo de propagación
En la terminología de fibras ópticas, la palabra modo simplemente quiere decir
camino. Si sólo hay una trayectoria que pueda tener la luz por el cable, se llama
modo único, o unimodal. Si hay más de una trayectoria, se llama modo múltiple o
multimodal.
Hay dos tipos básicos de perfiles índice: escalonados y graduados.
Una fibra de índice escalonado tiene un núcleo central con índice de refracción
uniforme. Este núcleo está rodeado por un revestimiento externo con índice de
refracción uniforme, pero menor que el del núcleo central.
En una fibra de índice graduado no hay revestimiento, y el índice de refracción del
núcleo no es uniforme; es máximo en el centro y disminuye en forma gradual de
acuerdo con la distancia hacia la orilla externa.
CONFIGURACIONES DE FIBRA ÓPTICA
En esencia hay tres clases de configuración de fibra óptica:
Índice escalonado unimodal:
La fibra unimodal de índice escalonado tiene un núcleo central con la
pequeñez suficiente como para que en esencia sólo haya una trayectoria que
pueda seguir la luz para propagarse por el cable.
La luz se propaga por la fibra por reflexión. Los rayos luminosos que entran a
la fibra se propagan directamente por el núcleo o quizá se reflejen una vez.
Índice escalonado multimodal:
Se parece a la configuración unimodal, pero el núcleo central es mucho
mayor. Esta clase de fibra tiene una abertura grande de luz a fibra y en
consecuencia permite la entrada de más luz al cable.
Índice graduado multimodal:
Estas fibras se caracterizan por un núcleo central cuyo índice de refracción es
no uniforme; es máximo en el centro y disminuye en forma gradual hacia la
orilla externa. La luz se propaga por esta clase de fibras por refracción. Al
propagarse un rayo de luz en dirección diagonal por el núcleo hacia el centro,
pasa continuamente de una fase menos densa a una más densa. En
consecuencia, los rayos luminosos se refractan en forma constante, y eso
produce su deflexión continua. La luz entra a la fibra formando muchos
ángulos diferentes. Al propagarse por la fibra, los rayos que viajan en la zona
Comparación de los tres tipos de fibra óptica
Fibra unimodal de índice escalonado
Ventajas
1. Hay dispersión mínima. Como todos los rayos que se propagan por la fibra toman
aproximadamente la misma trayectoria, tardan aproximadamente el mismo tiempo
para recorrer el cable. En consecuencia, un pulso de luz que entra al cable se puede
reproducir con mucha exactitud en el extremo de recepción.
2. Debido a la gran exactitud de reproducción de los pulsos transmitidos en el
extremo de recepción, son posibles mayores anchos de banda y mayores
capacidades de transmisión de información con las fibras unimodales de índice
escalonado que con los otros tipos de fibra.
Desventajas
1. Debido a que el núcleo central es muy pequeño, es difícil acoplar la luz hacia
adentro y hacia afuera de esta clase de fibra. La abertura de la fuente a la fibra es la
más pequeña de todos los tipos de fibra.
2. También debido al pequeño núcleo central, se requiere una fuente luminosa muy
direccional, como por ejemplo un láser, para acoplar la luz en una fibra unimodal de
índice escalonado.
3. Las fibras unimodales de índice escalonado son costosas y difíciles de fabricar.
Fibra multimodal de índice escalonado
Ventajas
1. Las fibras multimodales de índice escalonado son poco costosas, y su fabricación
es sencilla.
2. Es fácil acoplar la luz hacia adentro y hacia afuera de las fibras multimodales de
índice escalonado; tienen una abertura grande de la fuente a la fibra.
Desventajas
1. Los rayos luminosos siguen muchas trayectorias distintas por la fibra, lo que da
como resultado grandes diferencias en sus tiempos de propagación. Por eso, los
rayos que recorren esta clase de fibras tienden a extenderse y, en consecuencia, un
pulso de luz que se propague por una fibra multimodal de índice escalonado se
distorsiona más que en otros tipos de fibra.
2. El ancho de banda y la capacidad de transferencia de información posibles con
este tipo de cables es menor que con los demás tipos.
Fibra multimodal de índice graduado.
En esencia, este tipo de fibra no tiene ventajas ni desventajas sobresalientes.
ÁNGULO DE ACEPTACIÓN Y CONO DE ACEPTACIÓN
En las descripciones anteriores se mencionó la abertura de la fuente a la fibra en
varias ocasiones, y se explicaron los ángulos crítico y de aceptación en el punto en el
que un rayo de luz llega a la interfaz de núcleo y revestimiento. La siguiente
descripción se refiere a la capacidad de recogida de luz que tiene la fibra, la
capacidad de acoplar la luz de la fuente hacia el interior del cable de fibra.
Angulo de aceptación: Define al ángulo máximo que pueden formar los rayos
luminosos externos al llegar a la interfaz aire-fibra para poder propagarse por la
fibra, con una respuesta no mayor de 10 dB menos que el valor máximo.
Abertura numérica: Se relaciona en forma estrecha con el ángulo de aceptación y es
la figura de mérito que se suele usar para medir la magnitud del ángulo de
aceptación. En esencia, se usa la abertura numérica para describir la capacidad de
reunir la luz que tiene una fibra óptica. Mientras mayor sea la magnitud de la
abertura numérica, la fibra acepta mayor cantidad de luz externa.
Perdidas en los cables de fibra óptica
En general, las fibras multimodales tienden a tener mayores pérdidas de atenuación
que los cables unimodales, debido principalmente a la mayor dispersión de la onda
luminosa, producida por las impurezas.
Pérdidas por absorción
La pérdida por absorción en las fibras ópticas es análoga a la disipación de potencia
en los cables de cobre; las impurezas en la fibra absorben la luz y la convierten en
calor.
-Absorción ultravioleta. La absorción ultravioleta se produce por los electrones de
valencia en el material silíceo con el que se fabrican las fibras. La luz ionizalos
electrones de valencia y los pasa a la capa de conducción. La ionización equivale a
una pérdida en el campo luminoso total y en consecuencia contribuye a las pérdidas
de transmisión en la fibra.
-Absorción infrarroja. Es un resultado de los fotones de luz que son absorbidos por
los átomos de las moléculas del núcleo de vidrio. Los fotones absorbidos se
convierten en vibraciones mecánicas aleatorias, características del calentamiento.
-Absorción por resonancia de iones. Esta absorción se debe a los iones OH en el
material. La fuente de los iones OH son moléculas de agua atrapadas en el vidrio
durante el proceso de fabricación. La absorción de iones también se debe a la
presencia de moléculas de hierro, cobre y cromo.
Pérdidas en material, o por dispersión de Rayleigh
Durante el proceso de manufactura, el hilo se trefila formando fibras largas de un
diámetro muy pequeño. Durante ese proceso, el vidrio se encuentra en un estado
plástico: ni sólido ni líquido. La tensión aplicada al vidrio durante ese proceso hace
que en el enfriamiento se desarrollen irregularidades submicroscópicas, que se
incorporan a la fibra en forma permanente. Cuando los rayos de luz que se están
propagando por una fibra chocan con una de esas impurezas, se difractan. La
difracción hace que la luz se disperse o se abra en muchas direcciones. Algo de la luz
difractada continúa recorriendo la fibra, y algo escapa a través del revestimiento. Los
rayos luminosos que salen representan una pérdida de potencia. A todo esto se le
llama pérdida por dispersión de Rayleigh.
Dispersión cromática o de longitudes de onda
Como se dijo antes, el índice de refracción de un material depende de la longitud de
onda. Los diodos emisores de luz (LED) emiten luz que contiene una combinación de
longitudes de onda. Cada una de ellas, en la señal de luz compuesta, viaja a distinta
velocidad. En consecuencia, los rayos de luz que emite al mismo tiempo un LED y se
propagan por una fibra óptica no llegan al extremo opuesto al mismo tiempo. Esto da
como resultado una señal recibida distorsionada; la distorsión se llama distorsión
cromática. Se puede eliminar usando una fuente monocromática, como por ejemplo
un diodo láser de inyección (ILD). La dispersión cromática o de longitudes de onda
sólo se presenta en fibras con transmisión unimodal.
Pérdidas por radiación
Las pérdidas por radiación se deben principalmente a pequeños cambios de dirección
y dobleces de la fibra. En esencia hay dos tipos de dobleces: los microdobleces y los
dobleces con radio constante. El microdoblamientose debe a diferencias en las
velocidades de contracción térmica del núcleo y del material de revestimiento. Un
microdoblez es un doblez o imperfección geométrica en miniatura del eje de la fibra,
que representa una discontinuidad en ella en donde puede presentarse la dispersión
de Rayleigh. Los dobleces de radio constantese deben a demasiada presión y tensión
y, en general, se presentan cuando se doblan las fibras durante su manejo o
instalación.
Dispersión modal
La dispersión modal, o ensanchamiento del pulso se debe a la diferencia en los
tiempos de propagación de rayos de luz que van por diferentes trayectorias en una
fibra. Es obvio que la dispersión modal sólo puede presentarse en las fibras
multimodales. Se puede reducir en forma considerable usando fibras de índice
graduado, y se puede eliminar casi con el uso de fibras unimodales de índice
escalonado.
Pérdidas en acoplamiento
En los cables de fibra pueden presentarse pérdidas por acoplamiento en cualquiera
de los tres tipos siguientes de uniones ópticas: conexiones de fuente luminosa a
fibra, conexiones de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector. Las pérdidas
en las uniones se deben, con más frecuencia, a uno de los siguientes problemas de
alineación: desalineamiento lateral, desalineamiento de entrehierro, desalineamiento
angular y acabados superficiales imperfectos.
FUENTES ÓPTICAS
En esencia sólo hay dos dispositivos que se usan con frecuencia para generar luz en
sistemas de comunicaciones con fibra óptica: diodos emisores de luz (LED) y diodos
de láser de inyección (ILD, de injection laser diode). Ambos dispositivos se fabrican
con materiales semiconductores, y tienen sus ventajas y desventajas. Los LED
normales tienen anchos espectrales de 30 a 50 nm, mientras que los láseres de
inyección sólo tienen anchos espectrales de 1 a 3 nm (1 nm corresponde a una
frecuencia aproximada de 178 GHz). Por consiguiente, una fuente luminosa de 1320
nm con ancho de raya espectral de 0.0056 nm tiene una amplitud de banda de
frecuencias aproximada de 1 GHz. El ancho de raya es el equivalente, en longitudes
de onda, del ancho de banda. La preferencia hacia un dispositivo emisor de luz
respecto a otro se determina con los requisitos económicos y de funcionamiento del
sistema. El mayor costo de los diodos de láser se compensa con una mayor
eficiencia, mientras que los diodos emisores de luz, normalmente, tienen menor
costo y menor eficiencia.
Tecnologías FTTx
El acrónimo FTTx es conocido ampliamente como Fibre-to-the-x, donde x puede
denotar distintos destinos. Los más importantes son:
FTTH (home). En FTTH o fibra hasta el hogar, la fibra llega hasta el interior o fachada
de la misma casa u oficina del abonado
FTTE (Fiber To The Enclosure): fibra hasta el armario de distribución.
FTTC (Fiber To The Curb): fibra hasta la acera.
FTTB (building). En FTTB o fibra hasta el edificio, la fibra termina antes, típicamente
en un punto de distribución intermedio en el interior o inmediaciones del edificio de
los abonados. Desde este punto de distribución intermedio, se accede a los abonados
finales del edificio o de la casa mediante la tecnología VDSL2 (Very high bit-rate
Digital Subscriber Line 2) sobre par de cobre o Gigabit Ethernet sobre par trenzado
CAT5. De este modo, el tendido de fibra puede hacerse de forma progresiva, en
menos tiempo y con menor coste, reutilizando la infraestructura del abonado.
FTTN (node o neighborhood). En FTTN o fibra hasta el vecindario, la fibra termina
más lejos de los abonados que en FTTH y FTTB, típicamente en las inmediaciones del
barrio.
Existen varias soluciones tecnológicas para ofrecer FTTx. Estas opciones suelen ser
divididas en dos amplias categorías: PON (Passive Optical Networks), que no
requieren de componentes electrónicos activos entre el usuario final y la central del
operador; y ASON (Active Optical Network), donde hay instalados componentes
electrónicos activos entre el usuario final y la central del operador. Las tecnologías
PON (Passive Optical Networks) y, en especial GPON (Gigabit PON), son las que más
atención han suscitado, pues al no requerir de dispositivos electrónicos u
optoelectrónicos activos para la conexión entre el abonado y la central, suponen una
inversión y unos costes de mantenimiento considerablemente menores que las
tecnologías ASON.
La selección de la tecnología de fibra óptica y arquitectura adecuada depende de
varios factores: disponibilidad y calidad de cobre en esa área, densidad de usuarios,
estado competitivo o de colaboración con otros operadores, qué servicios y ancho de
banda se quieren ofrecer, cuantía de inversión disponible y periodo de retorno
aceptable, entorno regulatorio, etc.
Beneficios:
La fibra proporcionará grandes beneficios para los usuarios del hogar digital. Además
de acceso a más y mejores servicios (juegos en red, compartición de contenidos,
control remoto de los dispositivos del hogar, videoconferencia IP, teletrabajo,
telemedicina, teleasistencia, etc.), favorecerá el que haya varios dispositivos
interconectados entre sí –mediante protocolos como DLNA (Digital Living Network
Alliance)- y conectados simultáneamente a Internet, sin disminución de ancho de
banda o calidad. El considerable incremento del ancho de banda de subida respecto a
las tecnologías de cobre asimétricas, permitirá por ejemplo, acceder a los vídeos
grabados por una cámara IP con alta definición a una velocidad mucho mayor que
con otras tecnologías. La fibra óptica es además el único medio capaz de soportar
una oferta de televisión sobre IP realmente atractiva para los usuarios, con grandes
ventajas respecto a la TDT (Televisión Digital Terrestre) o la televisión por satélite:
Explotar el potencial de múltiples canales de alta definición bajo demanda, con una
imagen y sonido muy superior a la televisión tradicional. Los usuarios tienen a día de
hoy varios aparatos de TV, la mayoría con pantallas planas preparadas para alta
definición, y la personalización de la oferta de televisión es un factor clave para
cumplir las expectativas de los usuarios. HDTV (High Definition TV) requiere de unos
15-18 Mbps por canal con MPEG2 y de unos 8-10 Mbps con H.264/MPEG4. La
televisión en 3D demandará aún mayores anchos de banda.
Explotar la transición de la TV, que estaba concebida como un servicio para un único
dispositivo, a un mundo donde la TV puede ser accedida desde una gran cantidad de
dispositivos diferentes (PC, TV, móvil, etc.). En la actualidad no se restringe la
televisión al aparato de TV y la televisión por Internet al PC. Además, se podrá
aprovechar más eficazmente la capacidad de combinar comunicaciones multimedia y
consumo de contenidos que permite IMS (IP Multimedia Subsystem), pudiendo por
ejemplo, votar en nuestros programas favoritos a partir de la propia pantalla de
televisión.
La fibra, aunque requiere una fuerte inversión a corto plazo, también es muy
beneficiosa para los operadores. La mayor parte de la inversión corresponde a obra
civil, pero ésta se puede minimizar –dependiendo de la regulación del país y
operador en cuestión- a partir de redes abiertas (open access), tendidos aéreos en
vez de subterráneos, soluciones de fibra instalada por “soplado” (blow fibre),
soluciones de fibra insensible a curvaturas (bend-insensitive fibre), etc.
La competencia en servicios de telecomunicaciones no ha parado de crecer en los
últimos y, por ello, los operadores tienen una serie de retos para hacer exitoso su
negocio y la banda ancha por fibra óptica puede ayudar en todos ellos:
-Eficiencia en costes. Mediante la reducción de centrales -mientras el cobre soporta
distancias de menos de 5 km y con penalización de ancho de banda con distancias
superiores a 100 m, la fibra óptica soporta más de 20 km sin penalización en ancho
de banda-, reducción de las necesidades de energía -infraestructura pasiva desde la
central a los abonados y menos puertos y más usuarios por puerto en el equipo de
central-, creación de redes abiertas entre varios operadores compartiendo la misma
infraestructura pasiva e incluso activa, convergencia IP reduciendo el equipamiento
en la red del operador, etc.
-Nuevas fuentes de ingresos. Entre los nuevos servicios que se pueden ofrecer sobre
la misma infraestructura están: televisión de alta definición, vídeo bajo demanda,
juegos en red, contenidos generados por los usuarios, cloud computing,
telepresencia, videoconferencia, etc. La fibra óptica permitirá ofrecer servicios, que a
día de hoy son inimaginables.
-Futuro sostenible. Mejorar la sostenibilidad mediante: reducción del consumo
energético, reducción de equipamiento de telecomunicaciones, reducción de viajes,
etc.
Además de los nuevos servicios para usuarios finales y el aumento de ingresos para
los operadores, la banda ancha es muy importante para la sociedad. Algunos
ejemplos son:
-Crecimiento industrial. La banda ancha ayuda a los países a crecer tanto en PIB
como en puestos de trabajo, generando procesos más eficientes y nuevas
oportunidades de negocio.
-Sostenibilidad. Con banda ancha, las personas pueden trabajar y realizar tareas
habituales (hacer la compra, transacciones bancarias, etc.) desde cualquier lugar,
reduciendo la necesidad de viajar y concentrarse en ciudades, con un impacto
positivo en el control del efecto invernadero y la reducción de la contaminación
atmosférica. También se reducirán las necesidades de papel, cuya fabricación tiene
un gran impacto ambiental (tala de árboles, consumo energético, consumo de agua,
vertidos contaminantes, residuos, etc.).
-Eficiencia de las Administraciones. Una telemedicina universal más barata y
accesible, mejor educación, pago remoto de impuestos y declaraciones de la renta,
etc. Todo ello es positivo para los presupuestos públicos y para el medio ambiente.
-Eficiencia de las empresas. Las empresas emplean la banda ancha para mejorar su
productividad gracias al acceso instantáneo a información actualizada, compartición
de información, optimización de los viajes, acceso desde cualquier lugar a la Intranet
de la empresa, uso del correo electrónico de la empresa en cualquier momento,
videoconferencia, telepresencia, etc.
Tecnologías HFC
Red HFC o hibrida fibra-coaxial es denomina de esta forma claramente porque esa
compuesta tanto de enlaces de Fibra Óptica como también de cable coaxial. Estas
nacen en evolución a las antiguas redes CATV o televisión de antena comunitaria.
Esta consta de dividir las zonas de servicios en grupos de entre 500 a 2000
viviendas llamados nodos, la señal llega a cada nodo por cables de fibra y esta es
repartida dentro de los nodos por cable coaxial.
La estandarización de las redes HFC se ha hecho mediante el estándar DOCSIS.
DOCSIS son las siglas de Especificación de Interfazde Servicios de Datos Por Cable
(Data Over Cable Service Interface Specification), es un estándar
internacional, no comercial, que define los requerimientos de la interfaz de soporte
de comunicaciones y operaciones para los sistemas de datos por cable, lo cual
permite añadir transferencias de datos de alta velocidad a un sistema CATV sobre
una infraestructura Híbrida-FibraCoaxial (HFC) existente. Este comienza a ser
desarrollado por la empresa CableLabs en el año 1997 con la colaboración de otras
compañías. DOCSIS es el principal estándar usado por los cable-módem en la
actualidad.
El estándar DOCSIS cubre todo elemento de la infraestructura de un cable
módem, desde el equipo local del cliente (CPE por sus siglas en inglés) hasta el
equipo terminal (head-end) del operador. Esta especificación detalla muchas de las
funciones básicas del cable-módem de un cliente, incluyendo cómo las frecuencias
son moduladas en el cable coaxial, cómo el protocolo SNMP se aplica a los cable-
módems, cómo los
datos son interrumpidos (tanto los enviados como los recibidos), cómo el módem
debe conectarse en la red con el CMTS, y como la encriptación es iniciada.
Muchas funciones adicionales son definidas, pero por lo general no son usadas a
menos que el CMTS lo requiera.
Tres versiones principales de estándares DOCSIS han sido sacados e
implementados. El más popular, el cual la mayoría de los cable-módems y
equipos terminales soportan, es DOCSIS 1.0. DOCSIS 1.0 es el estándar original
implementado en 1998. La principal meta de este estándar fue crear
interoperabilidad entre cable módems y proveedores de servicios. DOCSIS 1.0
incluye muchas especificaciones que son opcionales y que no son requeridas para la
certificación, y esto resultó en muchos problemas de seguridad. Por ejemplo, los
clientes fueron capaces de cambiar el firmware de su módem ya que el servidor
SNMP del módem no estaba configurado para deshabilitar la administración local
Ethernet.
Tecnologías PON
Una red óptica pasiva (conocida como PON, del inglés Passive Optical Network) es
una red punto-multipunto que lleva una conexión de fibra óptica hasta casa del
usuario.
Las redes ópticas pasivas presentan una arquitectura similar a las redes de cable. En
las redes de cable existen varios nodos ópticos, unidos con la cabecera a través de
fibra óptica, de los cuales se llega a los abonados mediante cable coaxial y utilizando
divisores (splitters) eléctricos. Las redes ópticas pasivas sustituyen el tramo de
coaxial por fibra óptica monomodo y los divisores eléctricos por divisores ópticos. De
esta manera, se eliminan todos los componentes activos existentes entre el servidor
y el cliente; de ahí proviene el adjetivo “pasivas” dado a las redes
Como en las redes de cable, existen dos canales:
Por el canal descendente los datos llegan desde cada nodo al divisor donde se dirigen
a la unidad óptica terminal del usuario correspondiente. En este procedimiento se
utiliza multiplexación en el tiempo (TDMA).
Por el canal ascendente, la unidad óptica terminal del usuario envía la información al
nodo sin intervención del divisor salvo para controlar el momento en que se da curso
a dicha información.
Para que no se produzcan interferencias entre ambos canales (al utilizarse una única
fibra para llegar a cada cliente) se utilizan técnicas WDM (Wavelength Division
Multiplexing) que permiten el uso de longitudes de onda diferentes sobre la misma
fibra.
Son varias las ventajas de las redes ópticas pasivas frente a otros accesos fijos de
banda ancha como las redes de cable o ADSL:
El ancho de banda ofrecido a los usuarios es mayor. Este ancho es diferente en cada
estándar concreto. En el estándar GPON se supera el Gbps.
Aumento de la cobertura, que llega a una distancia de unos veinte kilómetros desde
la central.
Minimización de la cantidad de fibra óptica necesaria para el despliegue si se
compara con las arquitecturas punto a punto.
Mejora en la calidad del servicio gracias a la inmunidad que presenta la fibra óptica a
los ruidos electromagnéticos.
2. No conducidas:
Radio Frecuencia
(RF terrestre con línea de vista: características técnicas, bandas y ecuación de
enlace.)
Fundamentos de la propagación
Los enlaces de radio, o radioenlaces se realizan con “radiofrecuencia”, es
decir con señales que se encuentran en el espectro RF de microondas. Se
debe recordar que convencionalmente trabajamos con este nombre a las señales de
radio que se encuentran desde los 0,9 GHz en adelante, más o menos hasta los 30
MHz aunque los límites son difusos. O sea, la banda 10 (109 a 1010 Hz) llamada de
SHF o Super High Frecuency.
Una transmisión con RF requiere que la señal transmitida alcance a la antena
receptora con la potencia necesaria para excitarla para que la señal recibida pueda
ser copiada y decodificada sin errores irrecuperables. Cuando se verifica esta
condición, se dice que la antena receptora se encuentra alcanzada por el
transmisor o también que está en el área de cobertura de la antena emisora.
Debemos también tener presente que para el espectro radioeléctrico rigen las leyes
de la óptica, y en particular en la banda señalada son importantes los
fenómenos de reflexión, refracción, difracción e interferencia. La técnica de
modulación de la señal es importante porque con algunas de ellas se requiere que
haya entre antenas una trayectoria recta y limpia, es decir sin obstáculos ni
elemento que produzcan dispersión. Así se comportan QAM y todas sus
emearias cuando se las usa tal cual son.
La línea recta entre puntas de antenas emisoras y receptoras será la
trayectoria primaria para la propagación de la señal en estas frecuencias y se las
suele llamar trayectoria de espacio libre para el haz. Todas las demás
trayectorias, entre las que se cuentan la de reflexión en la tierra y/o en la
ionósfera y las de arrastre terrestre, son una diversidad modal. El espacio entre
ambas puntas de antena se llama Vano.
Cuando esa trayectoria está limpia y sin obstrucciones es cuando formalmente
constituye una Línea de Vista o LOS, por su sigla en inglés line of sight.
Dado que ambas antenas se encuentran elevadas del piso, la propagación de la
señal no sufrirá la obstrucción del horizonte si las antenas están a la altura
correcta. Si ellas están debajo de la altura correcta, el haz colisionará contra el
terreno en el horizonte, sin alcanzar el objetivo. En tal caso diremos que no existe
alcance visual porque el haz aterriza.
En general, la necesidad de determinar la relación entre la altura de las antenas
y el alcance visual se presenta siempre, ya sea porque se tiene fijada la altura de
instalación por alguna restricción o bien porque se sabe cuál es el área que se debe
cubrir.
Con otras técnicas de modulación, el requisito de que exista LOS deja de ser
obligatorio y basta con que el receptor se encuentre en la zona de cobertura, como
la modulación OFDM usada con la técnica de “espectro esparcido”. Más adelante se
las detalla en dos variantes.
Tecnologías emergentes como HSPA/QAM, responden con valores elevados de BER
cuando la señal no tiene línea de vista, entonces su necesidad deja de ser
imperiosa pero es conveniente que haya tal línea de vista para mantener un
BER bajo y la velocidad binaria alta, aunque puede trabajar (¡y de hecho lo
hace!) sin LOS. Sin embargo algunas técnicas, como es el caso de WiMax con
OFDM, son más inmunes al desvanecimiento manteniendo el BER bajo cuando se
generan dispersiones por obstáculos, auto interferencia y otros fenómenos. En el
mismo sentido, WiFi [Dunte] se comporta como WiMax respecto a la línea de
vista, debido al uso de OFDM, que es la técnica de transmisión de ambas.
El rol de la modulación
Con la modulación QAM la tasa de símbolos baja pero mejora las regiones de
decisión de cada símbolo para igual tasa de símbolos. Por lo tanto, mejora el
BER. Si bien tiene una interferencia intersímbolos [Tomasi] casi inexistente, la
afectan frecuencias cercanas, auto interferencias y dispersiones modales. Éstas,
potencialmente la interfieran y la transmisión resulta eventualmente con fading
creciente con la distancia. Esto genera la necesidad de LOS. Veremos el
fading o desvanecimiento, más adelante. En cambio OFDM consiste en la
utilización de una portadora formada por una importante cantidad de
subportadoras que se encuentran en frecuencias próximas dispuestas
ortogonalmente, y por ello la transmisión se comporta como una multitud
de portadoras que se hubieran modulado cada una en banda angosta en lugar de
ser sólo una en banda ancha. Esto genera un esquema más confiable que se
completa asegurando que haya baja interferencia intersímbolos [Tomasi] aplicando a
la modulación de cada subportadora una técnica convencional como QAM, a
baja velocidad de generación de símbolos.
La señal en su conjunto resulta robusta y una ventaja comparada con los
métodos de portadora única o dual en cuadratura es la estabilidad en canales de
comunicación con condiciones adversas, inestables o que presenten malas
condiciones para la calidad de la transmisión, generando un BER alto o creciente con
la longitud del enlace.
Estas condiciones desfavorables en las que se impone OFDM, son típicamente
la atenuación o recorte de las frecuencias altas en los cables de cobre y el fading
en las transmisiones de RF.
Cobertura de la instalación
A la distancia que recorre el haz desde la punta de su antena de
propagación hasta aterrizar contra el horizonte, se le llama horizonte del radio. Para
analizarlo consideraremos que nuestro planeta es una esfera en lugar del
periforme llamado geoide, y que tiene un diámetro aparente definido y
aceptado de 12.827 Km. En realidad, el ensanchamiento en el ecuador
representa una desviación respecto a considerar la Tierra esférica, de sólo 189
metros por grado de latitud geodésica, es decir aproximadamente un 0,17% de
desviación lo cual lo hace despreciable.
Analizaremos brevemente las principales variables de las que depende la cobertura
de la instalación, desde un punto de vista de su geometría, y que es
independiente de la técnica de transmisión y otras variables.
El horizonte de radio
Veamos el horizonte del radio, que viene dado en la figura 1 por d y lo mediremos
en Km. La altura de la torre es H y la expresamos por ahora en Km para
mantener coherencia de unidades.
El radio de la Tierra es r y lo consideraremos uniforme e igual a la mitad del
diámetro aparente de la Tierra aceptado como 12.827 Km, y es lo único
conocido. Esto último introduce un ligero error de cálculo respecto al radio
real en ese punto, pero el error es aún tolerable en las peores latitudes y
simplifica el cálculo.
De hecho, este error se admite en todos los cálculos geodésicos simples en los
que no se hace corrección de error por latitud. Del esquema de la figura 1,
podemos resolver del triángulo αβγ tomando H como la altura en metros de
la antena y d y r como distancias en Km: r2+d2 = r2+H2+2.r.H
Resolviendo, operando las constantes y despreciando las magnitudes muy pequeñas.
El valor así obtenido del horizonte del radio se aplica ahora al cálculo del
vano máximo (que llamaremos D) que puede lograrse en las peores condiciones
cuando las alturas a las que se encuentran las antenas son conocidas:
Si la instalación es simétrica, es decir ambas antenas se encuentra a alturas iguales:
A esta forma simplificada lograda en (1) la llamamos Cálculo abreviado del
horizonte del radio y permite encontrar el horizonte del radio en Km para la
altura a la que se encuentra la antena expresada en metros, con un ligero
error despreciable con respecto a la verdadera distancia, que es la distancia en
arco.
El efecto de la atmósfera
El alcance visual puede verse modificado por varios factores, entre los que la
interacción de la onda con los campos gravitacionales tienen un papel importante
pero aún más es la influencia de la refracción atmosférica [Tomasi] en las
inmediaciones del horizonte.
Esto hace que ese efecto se haya estudiado y tabulado por el tipo de
atmósfera, resultando en un coeficiente modificador de la constante 3,58 de (1).
El efecto que se observa, en general, es equivalente al hundimiento del horizonte
como consecuencia de que la trayectoria de espacio libre no ocurre exactamente
en el espacio libre, sino en un medio real como la atmósfera con índice de refracción
distinto de 1.
Esto tiene un efecto sobre la velocidad de propagación del haz y además
genera “tubos” de propagación en la atmósfera, que funcionan como conductores
directivos, y que inducen al haz a curvarse acompañando a la superficie de la Tierra.
Se pueden ponderar estas interacciones sobre el haz como el efecto de un factor ,
tal que:
(1)
El factor expresa un conjunto de factores que afectan al cálculo, se lo
encuentra empíricamente tabulado y multiplicando a la constante 3,58 de (1).
Esto forma un factor k denominado “factor de distancia” en el cálculo del
horizonte del radio usado en el cálculo rápido y práctico del alcance visual, con el fin
de determinar la viabilidad del enlace.
Es común no contar con la tabulación y usar en consecuencia un valor k = 3,56
como peor valor, usando un criterio ingenieril. Se suelen usar gráficas para
obtención rápida del valor a partir de trazar una familia de cuadráticas, que se
encuentran en anexo.
Otros factores que intervienen en el cálculo
Generalmente es necesario corregir las alturas de las antenas ya que la superficie
de la Tierra no es una bola de billar. Existen valles, montañas y pendientes
en el perfil del terreno e irregularidades como ser una depresión local donde se
instala una torre. Para analizar esta cuestión, puede tomarse para una antena la cota
de su basamento y considerar la diferencia de cota de la otra instalación respecto a
la misma referencia. En nuestro país, el Instituto Geográfico Militar (IGM), suministra
cotas oficiales respecto al nivel del mar.
Por otro lado, si la instalación se calculara al límite del alcance visual, el haz
pasaría tangente al horizonte entre ambas torres. Por esa razón, suponer que el
máximo radio de cobertura corresponde al máximo alcance visual teórico no es
correcto y se debe acudir al sobredimensionamiento de la altura de la
estructura de soporte cuando se deba asegurar el radio de cobertura, ya sea
tomando margen o factor de seguridad, según indique la circunstancia. Sobre los
factores y márgenes de seguridad, se puede ver el anexo. El despeje de la línea de
vista. Una instalación con una antena de cualquier tecnología y con cualquier
tipo de modulación, siempre que esté radiando de modo omnidireccional, genera un
cono sobre el terreno.
Ello es válido tanto para transmisiones con tecnología celular –tal el caso de HSPA
como con la difusión de WiFi [Dunte] o WiMax o las más tradicionales de punto a
punto P2P y punto multipunto PMP. El cono se forma según el esquema de la figura
2, donde se ve porqué se le denomina cono, aunque lógicamente en sentido
figurado. En realidad, toda la imagen es figurada ya que el verdadero aspecto es
el de un haz que tiende a ser tangente a la tierra en el horizonte, como puede verse
en las figuras 1 y 3.
Para las instalaciones con modulaciones que requieren línea de vista
despejada, es necesario que se calcule para el haz la Altura de despeje o Ad
, que es la menor distancia desde el haz a la superficie de la tierra, según vemos en
la figura 3.
Si existe un objeto que potencialmente producirá interferencia y está situado en el
peor lugar, es decir en el lugar donde el haz más se acerca al perfil de la tierra,
entonces la altura del haz es crítica.
El problema tiene un enfoque si la instalación es simétrica, y otro más complejo si no
lo es pero en suma puede reducirse a un problema de geometría analítica para
determinar la mínima distancia desde una recta no tangente ni secante a un círculo.
Si la instalación es simétrica, entonces se puede ver en la figura 1 que el
punto de mayor acercamiento estará en la mitad del recorrido, así que usando la
nomenclatura de la figura 3, si la instalación es simétrica, entonces:
(2)
Y en ese mismo lugar se encontrará la menor distancia del haz a la superficie, es
decir la altura crítica, que mirando la figura 3 será la que surja del triángulo
dado por los lados r+H (cualquiera de ambas alturas de torre, son iguales), r+Ad
(Siendo que estará a medio camino) y d, y en ese triángulo la única incógnita es Ad
Ad = √( ) – (3)
Si en cambio la instalación es asimétrica se puede seguir el enfoque analítico
encontrado en [Dubbel, I, 75], donde se expresan las propiedades de los
triángulos según cuatro problemas fundamentales. El tercero permite hallar los
ángulos de un triángulo dado por sus tres lados únicamente y de él deducimos el
cálculo de los lados. Los tres lados son el radio de la Tierra más la torre más baja, el
radio de la Tierra más la torre más alta y el vano, ya que en el caso más general es
necesario determinar cuál es el valor de la altura de despeje a una distancia
cualquiera de uno de los extremos. El análisis permite encontrar la altura A del haz a
una distancia arbitraria L del origen. Si analizando la figura 3 se descomponen los
triángulos puede verse que aplicando el mismo razonamiento que para (1) se
puede obtener la distancia d desde la torre más baja hasta el punto donde está la
altura de despeje crítica:
(4)
Con d (distancia crítica) la altura crítica de despeje Ad queda expresada por:
Ad = √( ) – (3’)
Y con (4) y (3’), queda expresada la altura genérica A en un punto
cualquiera, en función de Ad y d’:
Resumiendo, los valores de distancias y alturas de despeje tanto críticas
como genéricas, se obtienen con (2) y (3) si la instalación es simétrica y
con (4), (3’) y (5) si es asimétrica.
Zona de Fresnel
A la recta que determina la línea de vista, y que se usa para calcular el despeje, se
la suele llamar eje del haz. Rodeando a dicho eje, se encuentra una zona
denominada Zona de Fresnel. En la figura 4 vemos cómo queda generada esta región
crítica. Esta zona actúa como una región crítica que no debería ser invadida por
ningún objeto, bajo riesgo de que se genere una difracción que degrade
adicionalmente la transmisión. Mayor la invasión de la zona, mayor la magnitud de
la degradación de la señal. Su existencia se fundamenta estudiando cómo se
expanden las ondas electromagnéticas cuando viajan por el espacio libre, lo cual
requiere de la teoría de las radiaciones electromagnéticas, pero se encuentra fuera
de nuestro interés tal justificación. Dicha zona tiene forma de elipsoide de revolución.
El eje mayor del elipsoide coincide con el eje del haz y es el eje de revolución. El
eje menor se encuentra en la mitad del vano. Al ser de revolución, el elipsoide
genera una zona espacial cuyo corte transversal al eje del haz muestra un área
circular.
En rigor, se puede demostrar que no existe una única Zona de Fresnel, sino
infinitas. Cada una de ellas envuelve a la anterior; así la segunda zona envuelve a la
primera, la tercera a la segunda, … la enésima a la enésima-menos-uno, etc.
Se puede calcular el radio de una zona enésima en un punto genérico mediante
la ecuación general dada por ITU-R I.715:
En la que rn resulta ser el radio en metros de la zona enésima de Fresnel en el lugar
que se desea calcular y n es la enésima que se desea calcular. Nótese que d1, d2 y
D están medidos en Km y la frecuencia F en MHz. Si bien corresponde formalmente
a frecuencias de hasta 10 MHz, el error introducido es despreciable tomándolo
para valores de frecuencia dentro del sub-espectro completo de microondas.
Si se desarrollara la teoría de los campos generados, se vería que el
correspondiente a la zona 2 y sucesivas, todos juntos, equivalen a la mitad
del de la zona 1, y por tal razón suele calcularse el radio sólo para la primera
zona de Fresnel [ITU-R]. Ante esta circunstancia, podemos directamente calcular el
radio que involucra la Zona de Fresnel como una única área (y no la sucesión de
capas) directamente como:
De todos modos, este fenómeno no exige que exactamente nada invada esa
zona crítica, sino que nos obliga a trabajar con un criterio de obstrucción.
Este criterio es complejo, ya que ante los objetos especulares y los objetos filosos la
onda no tiene el mismo comportamiento, pero como criterio rector debería
procurarse que el área obstruida no supere el 15% del área circular de la Z1 de
Fresnel para no tener que calcular pérdidas adicionales por difracción.
Esquema de Tx/Rx por Radiofrecuencia
*Los radios o radiobases.
Una RBU (por radio base unit) es un equipo que cumple con las operaciones
necesarias para que el flujo binario de datos entregados por el DTE desde su
interfaz pueda ser irradiado. Sus datos importantes están la potencia de
transmisión PX que indica la potencia útil total de la señal emitida y la sensibilidad S
R que indica la potencia que es capaz de sensibilizar al receptor.
*Los alimentadores
El alimentador es el conductor de señales guiadas o semiguiadas que conecta a la
RBU con el radiante en la antena, y tiene interés porque introduce una pérdida que
no es despreciable en el transporte entre antena y RBU.
*Las antenas
La transmisión por RF se apoya en antenas directivas que privilegian una
dirección hacia la cual transmitir, no directivas que irradian hacia un sector y
omnidireccionales que irradian en todas direcciones. Cuando se pretende hacer un
enlace punto a punto se usa una antena directiva y cuando se pretende hacer un
enlace del tipo Punto a Multipunto o hacer difusión, se usan antenas no directivas u
omnidireccionales.
*El medio
El medio que atraviesa la microonda para alcanzar su objetivo es el aire.
Como vivimos en él y es nuestro medio natural, le solemos asignar caprichosamente
características que lo igualarían al vacío. Por ejemplo, suponemos que su índice de
refracción es 1.
Técnicas de transmisión:
*Enlace con asignación de banda
Es la forma más directa de transmitir por radiofrecuencia, y la más usada
durante mucho tiempo para las aplicaciones punto a punto de cierta distancia,
o que requieren alta capacidad o para los sistemas de frecuencia alta en la banda
de RF.
Se debe requerir a la CNC que asigne una banda única del espectro de RF.
La banda asignada está identificada por una frecuencia central para la portadora y
sus bandas laterales de modulación y guarda. La frecuencia y la potencia que
tendrá la transmisión deben adecuarse a los valores regulados: mientras se
respeten esos valores, el titular de la exclusividad de uso puede ocupar la banda
a su antojo.
La autoridad de aplicación, luego de examinar la traza, la frecuencia y la
potencia, asigna la banda con exclusividad para esas condiciones
Quien obtiene la licencia no puede cambiar la región asignada, cambiar los valores
de potencia o la declaración que específica para que usa esa banda.
Está técnica de transmisión con banda regulada se utiliza cuando las transmisiones
son PaP o PMP, cuando la potencia en la punta de antena debe ser mayor
que un vatio o cuando la aplicación requiere frecuencias altas
El espectro es finito y puede no alcanzar para todos. En tal caso, puede licitarse
una licencia disponible.
*Enlace con espectro ensanchado
tiene una alta inmunidad al ruido comparada con la transmisión por
radio convencional.
Muchos usuarios pueden compartir la misma frecuencia.
Las reglas para la transmisión fueron diseñadas para la
implementación de comunicaciones de datos locales o de alcances
limitados, del tipo urbano e interurbano corto.
Respecto a la regulación, no es necesario pedir licencia a la autoridad de
aplicación. Sin embargo, en Argentina es necesario declarar los
enlaces de datos que funcionan en dichas bandas, según un
procedimiento definido por la CNC
*Definición de espectro esparcido o spread spectrum (SS)
Es una técnica de transmisión en la cual un código de seudo-ruido, independiente de
los datos a transmitir, es empleado como forma de onda de modulación para esparcir
la energía de la señal sobre una banda del espectro mucho más grande que el
ancho de banda de la señal de datos.
Al recibir la señal, un recolector llamado ds se encarga de recuperar la
señal con un código de seudo-ruido similar al utilizado en la transmisión, el
cual se encuentra sincronizado.
Existen dos métodos básicos de spread spectrum:
Método de Salto en frecuencia: FHSS
El método FHSS esparce la señal en pequeñas señales de banda
estrecha sobre toda la banda, como una función del tiempo. La banda en
uso, para eso, se divide en canales de igual ancho que se usarán
de manera pseudoaleatoria, en la que el receptor y el transmisor
sincronizadamente saltarán de frecuencia en frecuencia según ese
patrón que por ello es denominado semilla del salto. Con esta técnica,
que es la más sencilla de describir, el canal aparece ocupado en el
total del ancho de banda todo el tiempo, pero la energía de la señal está
esparcida en los subcanales. Se puede ver en la figura 6 que, de
hecho, esta técnica funciona como si fuera una multiplexión por
tiempo TDM en la que el round-robin está armado con un patrón
conocido sólo por ambos extremos.
Método de Secuencia directa: DSSS
el modulador toma la señal a transmitirse y la esparce sobre una banda
muy ancha dentro de la banda asignada, mezclando los datos con un
código seudo aleatorio de alta velocidad antes de ser modulado y enviado
a la etapa de radio frecuencia. Este código de alta velocidad puede ser de
varios órdenes mayores que la señal de datos. El proceso de recuperación
de la señal, comienza con recolectar los datos esparcidos, lo cual es
realizado mezclando la señal con el mismo código que fue utilizado para
armar la señal esparcida. En definitiva DSSS, que también es muy usado,
puede verse como una técnica surgida de esparcir la señal mediante una
técnica de CDM.
*Ventajas de SS
El propósito es permitir que el sistema entregue información más segura y libre de
error en un ambiente de señal ruidosa. Las comunicaciones concurrentes que ocurren
entre otros pares o corresponsales y que no son objetos de un receptor en un
momento dado, son vistas por éste (por el receptor) como simple ruido. Las
comunicaciones con espectro esparcido tienen la propiedad de ser vistas como
ruido por aquellos que no están involucrados en una transmisión.
*Frecuencias para el uso de SS
La FCC permite la utilización tanto de FHSS como de DSSS en tres bandas
de frecuencia.
– 928,0 MHz
– 2.483,5 MHz
– 5.850,0 MHz
Para todas ellas, el máximo de potencia de transmisión es de 1 vatio en
punta de antena aunque luego los estándares específicos de transmisión limiten la
potencia aún más cuando se trata de transmisiones que han sido concebidas para
indoor.
Cálculo del enlace
Consiste en considerar que desde un transmisor hasta sensibilizar al receptor la señal
sufrirá una pérdida en todo el sistema, producto de la sumatoria de pérdidas y la
ganancia que encontrará en la trayectoria.
Dichas pérdidas pueden verse en
la alimentación
la trayectoria
Un margen para el fading o desvanecimiento producto de distintos
fenómenos.
Los únicos componentes que introducen ganancia son las antenas.
*Perdidas de alimentación
*Perdida en la trayectoria
* Margen de desvanecimiento. Dado que la propagación ocurre por un espacio
no ideal y mediante una trayectoria no libre de interferencias, se presenta un
fenómeno llamado desvanecimiento o fading que es dependiente de las condiciones
específicas que encuentra la propagación.
*Ganancia
Como se dijo, se encuentra sólo en las antenas y ésta se encuentra tabulada
unitariamente según tipo de antena y frecuencia de la transmisión. Se encontrará en
cualquier manual comercial una tabla de ganancias. Ésta variará en función
de su naturaleza (directiva u omnidireccional) su material (rejilla, sólida) y su
forma (parabólica, plana, yagui, logarítmica, etc.).
*La ecuación de enlace
Para que el receptor se excite PR ≥ SR
Satélites (también es RF)
(RF terrestre sin línea de vista: características técnicas, bandas y tecnologías SS y
radio celular.)
Un satélite de comunicaciones se puede considerar como un enorme repetidor de
microondas en el cielo. Contiene numerosos transpondedores, cada uno de los cuales
se encarga de una parte del espectro, amplifica la señal entrante y a continuación la
retransmite en otra frecuencia para evitar interferencia con la señal entrante.
Los haces pueden ser amplios y cubrir una fracción sustancial de la superficie de la
Tierra, o estrechos, y abarcar sólo algunos cientos de kilómetros de diámetro. Este
modo de operación se conoce como de tubo doblado.
Entre más alto esté el satélite, más largo es el periodo
La presencia de los cinturones de Van Allen, capas de partículas altamente
cargadas de energía, atrapadas por el campo magnético de la Tierra.
Cualquier satélite que vuele dentro de ellas sería destruido
*Satélites geoestacionarios
Con la tecnología actual, es poco aconsejable utilizar satélites geoestacionarios
espaciados a menos de dos grados en el plano ecuatorial de 360 grados para evitar
interferencia. Con un espaciamiento de dos grados, sólo puede haber 360/2 =180 de
estos satélites a la vez en el cielo. Sin embargo, cada transpondedor puede utilizar
múltiples frecuencias y polarizaciones para incrementar el ancho de banda
disponible.
Para evitar el caos total en el cielo, la ITU asigna la posición orbital. También ha
asignado bandas de frecuencia específicas a los usuarios de satélites. Esto se debe a
que transmisiones de los enlaces descendentes interfieren con los usuarios de
microondas existentes.
Se conoce como huella, a la zona iluminada por un haz espacial proveniente del
satélite. Estos haces reducidos, tienen forma elíptica y pueden ser tan pequeños
como algunos cientos de kilómetros.
Las microestaciones de bajo costo, llamadas VSATs (Terminales de Apertura Muy
Pequeña) tienen antenas de un metro o más pequeñas y pueden producir alrededor
de un watt de energía. Por lo general, el enlace ascendente funciona a 19.2 kbps,
pero el enlace descendente funciona con frecuencia a 512 kbps o más.
En muchos sistemas VSAT, las microestaciones no tienen suficiente potencia para
comunicarse directamente una con la otra, por lo cual es necesaria una estación
especial en tierra, la estación central, que cuenta con una antena grande, para
retransmitir el tráfico entre VSATs.
Con propósitos de comparación, los enlaces terrestres de microondas tienen un
retardo de propagación de casi 3 μseg/km, en tanto que los enlaces de cable coaxial
o la fibra óptica tienen un retardo de aproximadamente 5 μseg/km. El último es más
lento que el primero debido a que las señales electromagnéticas viajan más rápido
en el aire que en materiales sólidos.
*Satélites de Órbita Terrestre Media
Los satélites MEO (Órbita Terrestre Media) se encuentran a altitudes mucho más
bajas, entre los dos cinturones de Van Allen.
se desplazan lentamente y tardan alrededor de seis horas para dar la vuelta
a la Tierra.
tienen una huella más pequeña y se requieren transmisores menos potentes
para alcanzarlos.
Satélites GPS (Sistema de Posicionamiento Global) que orbitan a cerca de
18,000 km son ejemplos de satélites MEO.
* Satélites de Órbita Terrestre Baja
En una altitud más baja encontramos a los satélites LEO (Órbita Terrestre Baja).
Debido a la rapidez de su movimiento, se requieren grandes cantidades de ellos para
conformar un sistema completo.
Por otro lado, como los satélites se encuentran tan cercanos a la Tierra, las
estaciones terrestres no necesitan mucha potencia, y el retardo del viaje de ida y
vuelta es de tan sólo algunos milisegundos.
Ejemplos:
IRIDIUM
GLOBALSTAR
TELEDESIC
Destinada a usuarios de Internet de todo el mundo
Ofrecer enlace ascendente de hasta 100 Mbps y un enlace descendente de
hasta 720 Mbps mediante antenas tipo VSAT pequeñas y fijas, que ignoran
por completo el sistema telefónico.
*Comparación de fibra óptica vs Satélites.
Los satélites son más accesibles a los usuarios que la fibra óptica, dado que
cualquier usuario con una antena puede acceder a un ancho de banda
suficiente para el acceso a un ancho de banda alto.
Un msj enviado desde un satélite a muchas estaciones al mismo tiempo,
reduciría los costos en lugar de utilizar la difusión por tierra.