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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER ELTITlJLO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL DEBERA(N) DESARROLLAR C. LAURA AZUCENA ANAYA LÓPEZ
C. NORA ESTHER HERNÁNDEZ PÉREZ
"TRIPLE PLAY A TRÁVES DE LA RED ELÉCTRICA"
INVESTIGAR Y DESARROLLAR APLICACIONES PARA LA TRANSMISIÓN EN PLC DE SERVICIOS TRIPLE PLAY Y SU IMPLEMENTACIÓN EN RED
.:. ANTECEDENTES. •:. INTRODUCCIÓN. •:. ESTADO DEL ARTE. •:. TRANSMISIÓN DE DATOS. •:. PROTOCOLO TCP/IP.
•:. PLC COMUNICACIÓN ATRAVÉS DE LA RED ELÉCTRICA. •:. DISPOSITIVOS PLC.
.:. DESARROLLO DEL PROYECTO. •:. CONCLUSIONES.
MÉXICO D. F., A 03 DE SEPTIEMBRE DE 2010.
ASESORES
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ANCILLA LEÓN M. EN C CALICIA GALlCIA
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ING.ARMAN
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INGENIERIA EN COMUNICACI ES y ｅＡｙｾｲJ
ICAÍndice
Índice de Figuras ... v
Índice de Tablas ... vii
Objetivo General ... i
Objetivo Particular ... ii
Esquema General ...iii
Antecedentes ... v
Historia de las Comunicaciones ... v
Triple Play ... vi
Introducción ... viii
Medios de Transmisión ... viii
Redes por Cable... viii
Redes Inalámbricas (Wireless) ... xiii
Ventajas y Desventajas de Redes Inalámbricas frente al Cable. ... xiv
Justificación ... xv
Estado del Arte ... xvi
Introducción a la Tecnología PLC ... xvi
Situación Actual ... xvi
Capítulo 1 Transmisión de Datos ... 1-1
1.1 Comunicación de Datos a través de Redes ... 1-4
1.1.1 Redes de Área Local ... 1-4
1.1.2 Redes de Área Amplia ... 1-4
1.2 Conversión Analógica-Digital ... 1-5
1.2.1 Digitalización de Voz ... 1-5
1.3 Vídeo ... 1-10
1.3.1 Codificación del vídeo. ... 1-11
1.3.2 Protocolos de Streaming Media ... 1-11
1.3.3 Estándar H.323 ... 1-12
Capítulo 2 Protocolo TCP/IP ... 2-15
2.1 Protocolo de Internet IP ... 2-19
2.1.1 Direcciones IP ... 2-19
2.1.2 Datagrama IP ... 2-21
2.2 Protocolo de Control de Transmisión TCP ... 2-24
2.2.1 Formato de la Cabecera TCP ... 2-25
2.3 Protocolos de Aplicación ... 2-27
2.3.1 Protocolo de Transferencia de Ficheros FTP ... 2-27
2.3.2 Protocolo para la Transferencia de Hipertextos HTTP ... 2-28
2.3.3 Protocolo Sencillo de Transferencia de Correo Electrónico SMTP... 2-28
2.3.4 TELNET ... 2-28
2.3.5 Sistema de Ficheros en Red NFS ... 2-28
2.3.6 Llamada a Procedimiento Remoto RPC ... 2-29
Capítulo 3 PLC Comunicación a través de la Red Eléctrica... 3-30
3.1 Introducción ... 3-30
3.1.1 ¿Qué es la Tecnología PLC? ... 3-30
3.1.2 Sistema Eléctrico ... 3-31
3.2 Funcionamiento ... 3-34
3.2.1 Estructura de la Red PLC ... 3-34
3.3 Transmisión de la Señal ... 3-37
3.3.1 Características de la Línea Eléctrica como Canal de Comunicación ... 3-38
3.3.2 Modulación usada en Tecnología PLC ... 3-38
3.4 Seguridad en Redes PLC ... 3-51
3.4.1 Algoritmos de Clave Simétrica ... 3-52
3.5 Normalización ... 3-59
3.5.1 Estándar HomePlug ... 3-59
3.5.2 Estándar 802.3... 3-60
3.5.3 Estándar 802.3u ... 3-61
3.6 Ventajas y Desventajas ... 3-64
3.6.1 Ventajas ... 3-64
3.6.2 Desventajas ... 3-64
Capítulo 4 Dispositivos PLC ... 4-66
4.1 Características Físicas ... 4-68
4.2 Especificaciones Técnicas ... 4-69
4.3 Pruebas al Dispositivo PLC ... 4-70
4.3.1 Instalación de Software TRENDnet TPL-202E ... 4-71
4.3.2 Prueba de Conversación y Transferencia de Archivos ... 4-74
4.3.3 Prueba de Transmisión de Audio y Vídeo ... 4-77
Capítulo 5 Desarrollo del Proyecto ... 5-80
5.1 Modelo Cliente -Servidor ... 5-80
5.2 Servidor de Internet ... 5-81
5.2.1 Hardware del Servidor. ... 5-81
5.2.2 Software del Servidor. ... 5-83
5.2.3 Funciones del Servidor Windows Server. ... 5-83
5.3 Interfaz con el Usuario ... 5-86
5.3.1 Lenguajes de Internet... 5-87
5.4 Pruebas del Prototipo del Proyecto ... 5-94
5.4.1 Servidor Internet Information Services IIS ... 5-95
5.4.2 Página de Internet de la Aplicación del Proyecto ... 5-97
5.4.3 Servidor de Vídeo en Tiempo Real (Streaming) ... 5-99
Conclusiones ... 104
Glosario ... 107
Glosario de Acrónimos ... 112
Bibliografía ... 115
Anexo A Código para Página de Internet ... 118
Código en HTML de la página de Inicio: ... 118
Código HTML página Vídeos ... 119
Código HTML página Canciones ... 121
Anexo B Dispositivos PLC que se Consultaron ... 123
1 KIT POWERLINE TECNOPLC ... 123
2 Kit de adaptador Fast Ethernet Powerline a 85Mbps ... 124
5 Adaptador Ethernet AV HomePlug 200 Mbps ... 129
Índice de Figuras
Figura 1 Señales Analógicas y Digitales ... 1-2 Figura 2 Muestreo de Señal Analógica ... 1-6 Figura 3 Cuantificación de Señal Discreta ... 1-7 Figura 4 Señal Analógica representada por un Tren de Pulsos ... 1-9 Figura 5 Diagrama a Bloques de Conversión Analógico-Digital ... 1-9 Figura 6 Arquitectura del Estándar H.323 ... 1-12 Figura 7 Estructura del Protocolo TCP/IP ... 2-16 Figura 8 Modelo de Arquitectura de Protocolo TCP/IP ... 2-17 Figura 9 Correspondencia TCP/IP con Modelo OSI8 ... 2-18 Figura 10 Dirección IP ... 2-19 Figura 11 Clases de Direcciones IP11 ... 2-20 Figura 12 Formato de Datagrama IP11 ... 2-23
Figura 13 Cabecera TCP/IP3 ... 2-26
Figura 14 Algunos Protocolos de Aplicación de la familia TCP/IP3 ... 2-27
Figura 15 Sistema Eléctrico ... 3-33 Figura 16 Estructura de la Red Eléctrica PLC ... 3-34 Figura 17 Red Interior PLC ... 3-36 Figura 18 Unidad de Acondicionamiento HFCPN ... 3-37 Figura 19 Señal modulada s(t) ... 3-39 Figura 20 Modulación PSK ... 3-40 Figura 21 Modulación FSK ... 3-41 Figura 22 Señal PAM con Muestreo Natural ... 3-43 Figura 23 Modulación QAM ... 3-44 Figura 24 Diagrama de Constelación en QAM ... 3-45 Figura 25 Filtro Transversal ... 3-47 Figura 26 Elementos básicos del cifrado de producto a) Caja P b) Caja S c) Producto5 ... 3-52
Figura 27 Esbozo general del Estándar de Encriptación de Datos5 ... 3-53 Figura 28 Detalle de una iteración, el signo de + significa OR exclusivo5 ... 3-54 Figura 29 Triple Encriptación con DES5 ... 3-55 Figura 30 Triple Desencriptación con DES5 ... 3-55 Figura 31 AddRoundKey7 ... 3-56
Figura 32 ByteSub7 ... 3-57
Figura 33 ShiftRow7 ... 3-57
Figura 39 Pantalla Principal de TRENDnet Powerline Utility cuando los Dispositivos PLC están conectados ... 4-73 Figura 40 Introducción de Contraseña ... 4-73 Figura 41 Red entre 2 Equipos utilizando Dispositivos PLC ... 4-74 Figura 42 Instalación de Microsoft NetMeeting ... 4-74 Figura 43 Ventana Principal de Microsoft NetMeeting ... 4-75 Figura 44 Establecimiento de Llamada... 4-75 Figura 45 Conversación en Microsoft NetMeeting ... 4-76 Figura 46 Transferencia de Archivos en Microsoft NetMeeting ... 4-76 Figura 47 Red entre 2 Equipos utilizando Dispositivos PLC para prueba de Transmisión de Audio y Vídeo ... 4-77 Figura 48 Establecimiento de Llamada y Ajuste de Audio ... 4-78 Figura 49 Vista de vídeo en ambos Equipos ... 4-78 Figura 50 Finalizar llamada ... 4-79 Figura 51 Esquema de Arquitectura Cliente-Servidor 10 ... 5-80
Figura 52 Pantalla Principal del Administrador de Servicios de Internet IIS ... 5-84 Figura 53 Acceso a una Página de Internet ... 5-85 Figura 54 Esquema de una Arquitectura Cliente-Servidor para Internet con documentos HTML 10 5-87
Índice de Tablas
i
Objetivo General
•
Investigar y desarrollar aplicaciones para la Transmisión en PLC de servicios
ii
Objetivo Particular
•
Utilizar como medio de transmisión la Infraestructura de la Red
Eléctrica, utilizando Dispositivos PLC.
•
Realizar el análisis e implementación de dicho sistema.
•
Transmitir Triple Play (Voz, Datos e Imagen)
•
Desarrollar una Página de Internet que permita implementar dicha
aplicación.
iii
Esquema General
El proyecto consiste en implementar un prototipo, con el cual se pueda demostrar la transmisión de Triple Play, utilizando como medio de transmisión la infraestructura de la Red Eléctrica.
Se hace uso de la Tecnología PLC, Comunicación a través de la Red Eléctrica (Power Line Communications). Así, a lo largo del presente trabajo, se analizarán las características principales, ventajas y desventajas que proporciona la Tecnología PLC.
A continuación, se describe brevemente la manera en la que se abordan los temas relacionados con el proyecto, con el fin de dar un panorama más claro del alcance y desarrollo del proyecto, “Triple Play a través de la Red Eléctrica”
EnAntecedentes, se ha hace una breve descripción de la Historia de las Comunicaciones, para
entender cómo a lo largo del tiempo, las comunicaciones han tenido un gran avance, permitiendo comunicar a más personas y haciendo que las distancia que las separa, no suponga un problema. Así, pasando por el telégrafo y el teléfono se ha llegado a las comunicaciones inalámbricas y satelitales.
Además, actualmente con la creciente necesidad de comunicar a un mayor número de personas, y de enviar la mayor cantidad de información posible, a través de un único medio de comunicación, se ha llegado a la Transmisión de Tiple Play. Así, en Antecedentes se describen brevemente las características generales de Triple Play.
Con el fin de elegir un medio de transmisión adecuado para transportar Triple Play, en la
Introducción, se hace un análisis de los diferentes Medios de Transmisión, tanto cableados como
inalámbricos, que pueden utilizarse para implementar el prototipo del proyecto.
Una vez que se eligió la Tecnología PLC para transportar Triple Play, en el Estado del Arte, se da
una Introducción a la Tecnología PLC, analizando también la Situación Actual, tanto en el Mundo como en México.
En el Capítulo 1 Transmisión de Datos, se aborda lo relacionado con el transporte de Datos, refiriéndonos a Datos, Voz y Vídeo, ya que al trabajar con transporte de Triple Play, es importante describir las características generales de cada uno de los tipos de datos que se transmitirán. Asimismo, se da una breve explicación de la manera en que se digitalizan los datos analógicos, ya que al utilizar la Red de Internet, los datos transportados son digitales.
En el Capítulo 2 Protocolo TCP/IP, se explicará la manera en la que trabaja este protocolo. Analizarlo es importante, ya que la Red de Internet, se basa en el protocolo TCP/IP. Así se entiende la manera en la que nuestros datos viajan a través de la red y llegan a su destino.
iv
Comunicación a través de la Red Eléctrica, se explica detalladamente el funcionamiento de esta
tecnología, así como las modulaciones que utiliza esta tecnología, con el fin de entender la manera en que se transmiten los datos, a través de la infraestructura de la Red Eléctrica.
Para poder transmitir datos a través de la Red Eléctrica, es necesario utilizar Dispositivos PLC, los
cuales nos permitirán inyectar la señal de datos a la infraestructura de la Red Eléctrica, así como recoger la señal en otra toma de corriente o enchufe, dentro de la misma red, sin olvidar que los Dispositivos PLC, nos permiten que la Señal de Energía Eléctrica y la Señal de Datos, puedan compartir la misma infraestructura. De esta manera, en el Capítulo 4 Dispositivos PLC, se describen las características generales de los Dispositivos PLC que se adquirieron, para implementar el prototipo del proyecto, así como las pruebas que se realizaron con ellos, para verificar su funcionamiento correcto, y asegurar que en el prototipo del proyecto, los dispositivos PLC no presenten ningún problema.
Así, se llega al Capítulo 5 Desarrollo del Proyecto, en el cual se describe la manera en la que se llevó a cabo el desarrollo de la Página de Internet, que es la interfaz con el usuario del proyecto. Se abordan los temas pertinentes para entender el funcionamiento del prototipo, ya que utiliza el modelo Cliente-Servidor. Además se describen algunas de las pruebas que se realizaron para verificar el funcionamiento del proyecto.
El presente trabajo cuenta con un Glosario, como apoyo, para el entendimiento de algunos de los conceptos abordados a lo largo del desarrollo del trabajo. Además de un Glosario de Acrónimos, en inglés y español, ya que existen muchos nombres de Tecnologías al que se hace referencia,
únicamente por sus siglas en inglés. Esta consideración es con el fin de que, no represente un problema al lector.
Todas y cada uno de las figuras que se encuentran en el trabajo, cuentan con su número y nombre
v
Antecedentes
Historia de las Comunicaciones
Desde la época más antigua el hombre ha tenido la necesidad de comunicarse, en la prehistoria el hombre se comunicaba por medio de gruñidos y otros sonidos, también hacía señales con las manos y otros movimientos del cuerpo.
Posteriormente, durante la época de los Egipcios, las ideas se representaban mediante símbolos, en medios como el papel papiro, madera, etc., tiempo después en Grecia se desarrolló una nueva forma de comunicación la Heliografía , a través de la cual se refleja la luz del sol en superficies brillosas como los espejos, dicha forma de comunicación era usada para poder hacer llegar la información a largas distancias, de manera similar, los romanos utilizaron antorchas puestas en grupos apartados a distancias variantes, en la cima de las montañas para comunicarse en tiempos de guerra.
Otra forma de comunicarse en la antigüedad era a través de medios acústicos e incluso por medio de la elaboración de señales de humo.
Con el descubrimiento de la electricidad, y después de experimentos se comenzaron a desarrollar los primeros sistemas telegráficos, lo cual constituye la primera forma de comunicación eléctrica, esta invención fue hecha por Samuel Morse quien sentó las bases para que posteriormente Alexander G. Bell usando los circuitos existentes del telégrafo, diera la mayor de las contribuciones al mundo de las comunicaciones al transmitir el primer mensaje telefónico, y esto provocó que en 1878 se produjera el primer enlace telefónico. En los años siguientes se desarrollaron grandes avances dentro de la telefonía, como por ejemplo la invención del marcado telefónico en el año de 1886, además de que se instalaron Líneas Telefónicas por todo Estados Unidos.
En 1898 Marconi hace realidad la Tecnología Inalámbrica, posteriormente en el año de 1918 y debido a que el uso del teléfono se incrementaba día a día, fue necesario desarrollar una metodología para combinar dos o más canales sobre un simple alambre dando como origen a lo que se conoce como "Multicanalización".
En el siglo XX, con la invención de los tubos al vacío y el contínuo desarrollo de la electrónica, se lograron grandes avances, se inventa el radio, la primera emisión que se llevó a cabo fue en 1906 en Estados Unidos, lo cual produjo que para el año de 1925 existieran 600 emisoras de radio en todo el mundo.
vi
Con todos estos avances tecnológicos y la creciente necesidad de comunicación, tuvo lugar la transmisión de datos, la cual fue tomando cada vez más auge, produciéndose así los primeros intentos para conjugar las comunicaciones y el procesamiento de datos, esto se llevó a cabo durante los años cuarenta del siglo XX.
Desde las primeras máquinas programables manualmente o con procedimientos electrónicos, hasta nuestros días las computadoras se han introducido en prácticamente todas las áreas de la sociedad y debido a la necesidad de que exista una constante comunicación entre estas, se produce el surgimiento de las Redes
Con estos desarrollos se ha logrado lanzar un vehículo espacial, así como los primeros satélites artificiales, los cuales pueden tener fines múltiples tales como comunicaciones, navegación, militares, meteorológicos, de estudio de recursos terrestres y científicos, cabe mencionar que la mayoría de los satélites son utilizados para la comunicación telefónica, la transmisión de datos digitales e imágenes de televisión.
Todo este desarrollo de las comunicaciones dio lugar a las Telecomunicaciones las cuales pretendentransportar la mayor cantidad de información en el menor tiempo y de una manera segura.
En la actualidad, y ante el gran desarrollo que los sistemas de comunicación, ya no sólo es necesario lograr una comunicación a distancia, sino también se trata de alcanzar todo el potencial que la tecnología nos ofrece, ya que es importante enviar la mayor cantidad de información posible, intentando reducir costos. Esto ha dado origen a lo que conocemos como “Triple Play”.
Triple Play
El desarrollo tecnológico de las telecomunicaciones actualmente, permite transmitir eficazmente
Voz, Vídeo y Datos, a través de un único soporte físico, es decir, sobre una infraestructura común de transmisión de datos, ya sea Cable Coaxial, Fibra Óptica, Cable de Par Trenzado, Microondas, Red Eléctrica, etc. Al empaquetamiento de estos tres servicios se le conoce como Triple Play.
El Triple Play representa la posibilidad como usuarios de recibir servicios telefónicos, televisión e Internet, a través del mismo prestador de servicios.
vii
La televisión en alta definición maneja el mismo concepto de ceros y unos, con el fin de recibir una imagen sin problemas y libre de errores. Todo esto se basa en la evolución hasta las Redes de Próxima Generación, ya que Triple Play requiere de una Red de Próxima Generación, para permitirnos conjugar los tres tipos de información en el mismo medio de comunicación.
En la actualidad, debido al manejo de grandes cantidades de información, el Triple Play se ha convertido en una opción factible, debido a que permite transportar en un solo cable, señales de audio, vídeo e Internet, de modo que con un solo medio de conducción, pueda hacer llegar a todo un edificio o casa, dichas señales.
Este tipo de servicio podrá permitir reducir los costos, además de facilitar el manejo de las redes desde un mismo control central, haciendo que de esta manera se puedan monitorear las señales, para así poder tener un mejor manejo y control de la información que se desea enviar.
viii
Introducción
Es importante primero analizar los diferentes Medios de Transmisión que se pueden utilizar para transportar Datos en una red, con el fin de elegir el más conveniente, para implementar el prototipo del proyecto.
Medios de Transmisión
El medio de Transmisión, constituye una parte fundamental en la transmisión de señales, que permiten la comunicación entre dos puntos, ya que gracias a él, la información viaja de un extremo a otro en forma de algún tipo de señal, como puede ser eléctrica, luminosa u onda electromagnética. Dicho medio, puede ser de diferente naturaleza, y de acuerdo al tipo de medio de transmisión, una red puede clasificarse de la siguiente manera:
• Medios Guiados (Redes por Cable): Proporcionan un camino físico, a través del cual la
señal se transporta para llegar del Transmisor al Receptor.
• Medios No Guiados (Redes Inalámbricas): Utilizan una antena para transmitir las señales
a través del aire, vacío o agua.
Como se ha mencionada con anterioridad, VoIP puede transmitirse a través de cualquier Red de Datos, actualmente se usan diversos medios o tecnologías para transmitir, como pueden ser:
Cable Coaxial, Fibra Óptica, Par Trenzado, Redes Inalámbricas, Red Eléctrica, etc. Cada una de ellas ofrece ventajas y desventajas, las cuales son importantes visualizar, para determinar cuál se acopla más a nuestras necesidades y exigencias.
Actualmente, las tecnologías más utilizadas para Redes de Datos, son las Redes Inalámbricas, ADSL o por cable, y en países europeos se ha implementado el uso de PLC. A continuación se describe brevemente cada una de estas tecnologías.
Redes por Cable
Los cables de cobre a lo largo del desarrollo de las comunicaciones, han jugado un papel de suma importancia, ya que ha sido el medio más utilizado para transmitir, y soporta redes de larga y corta distancia. Las comunicaciones telefónicas tienen como base el uso de cables de cobre
Al mismo tiempo, el desarrollo tecnológico ha ocasionado cambios fundamentales en los procesos de transmisión de datos, principalmente por el creciente uso de las comunicaciones vía satélite, las comunicaciones inalámbricas y el uso creciente de la Fibra Óptica.
ix
Cable Par Trenzado
Ha sido el medio más utilizado para comunicaciones de cualquier tipo, inicialmente se utilizó para conectar teléfonos y computadoras en el mismo cableado. En un principio, se comenzó a utilizar en sistemas telefónicos cables No Trenzados, lo que se traducía en una mayor susceptibilidad a interferencias electromagnéticas entre cables adyacentes, y para reducir dicho problema, se implementó el cable de Par Trenzado.
Este medio se utiliza para transmitir señales analógicas y digitales. Es importante mencionar que es el medio de transmisión más económico y el más sencillo de manejar, no obstante, tiene más limitaciones en cuanto a velocidad de transmisión y distancia máxima.
Cable Coaxial
Por sus características físicas, opera sobre un rango mayor de frecuencias que el Par Trenzado, además de que logra cubrir mayor distancia, y se puede conectar un mayor número de equipos en la misma línea. Originalmente fue utilizado en Redes de Área Local.
Las principales aplicaciones en las que se utiliza cable de cobre como medio de transmisión, son:
• Distribución de Televisión. • Telefonía a larga Distancia.
• Conexión con periféricos a corta distancia. • Redes de Área Local.
El Cable Coaxial se utiliza para transmitir señales analógicas y digitales.
Sin embargo, una de sus principales desventajas es la atenuación, ruido térmico y el ruido de intermodulación, así como la susceptibilidad que presenta tanto a interferencias, como a diafonía, pero cabe mencionar que el Par Trenzado, es más susceptible aún a dichos fenómenos, por lo que el Cable Coaxial representa una mejora a las características del Par Trenzado.
x
Fibra Óptica
Uno de los avances más significativos en la transmisión de datos, ha sido el desarrollo de sistemas basados en Fibra Óptica
Este medio, nos proporciona muchas ventajas frente al cable de cobre, ya que al trasmitir información a través de rayos de luz, y no de pulsos eléctricos, eliminamos por completo el problema de interferencias electromagnéticas, muy comunes en las comunicaciones por cable. Además proporciona un enorme aumento en el ancho de banda, ya que alcanza anchos de banda en el rango de TeraHertz, lo que nos provee de un medio óptimo para la trasmisión de Triple Play, y de muchos canales de comunicación, simultáneamente utilizando el mismo medio de transmisión.
El uso de Fibra Óptica como medio de transmisión, facilita las comunicaciones de larga distancia, y proporciona la capacidad de transmitir grandes cantidades de información.
Sin embargo, también presenta algunas desventajas, ya que su fabricación e instalación, supone un costo económico más elevado que el cable de cobre. Y aún cuando es más pequeña y más ligera, esto la hace más frágil, y requiere de procedimientos especiales de instalación y tratamiento. Además que al transmitir luz, requiere de transductores óptico-eléctricos y electro-ópticos, lo que eleva el costo de la implementación de sistemas a base de Fibra Óptica.
Es una tecnología que está en pleno crecimiento, y que se perfila para que muchas de las comunicaciones actuales migren a esta tecnología. Ejemplo claro de ello, es la actual infraestructura de Fibra Óptica, que Comisión Federal de Electricidad (CFE), ha comenzado a implementar en México.
Las aplicaciones más importantes, en la que podemos encontrar Fibra Óptica como medio de transmisión, son:
xi
xDSL
La familia de Tecnologías xDSL, utilizan la Red Telefónica Pública para soportar un ancho de banda mayor, lográndolo gracias a que convierten la red analógica en una red digital de alta velocidad, con el fin de explotar las capacidades de un canal de comunicación ya implementado, y reducir costos.
A lo largo de muchos años, se ha utilizado el cable telefónico para acceder a Internet, sin embargo, surgió la necesidad de mejorar este servicio, ya que para acceder a Internet, se mantenía ocupada la línea telefónica, y viceversa, es decir, mientras se realizan llamadas telefónicas, no se podía acceder a Internet. Hasta llegar a desarrollar la Tecnología xDSL.
Hoy en día, es muy común el uso de la Tecnología xDSL para acceder a Internet, utiliza el cable tradicional de Par Trenzado de cobre, configurando Redes Públicas Actuales.
xDSL, constituye una tecnología de acceso para conseguir anchos de banda importantes, accesibilidad y madurez tecnológica, y que se puede describir como un conjunto de tecnologías de banda ancha, basadas en un concepto de módem avanzado, que se obtiene del escenario de la TV por cable, y que deja libre las Líneas Telefónicas, a diferencia del Módem Telefónico convencional analógico.
Está conformada por diferentes tecnologías, como HDSL (High Data rate Digital Subscriber Line), SDSL (Single Digital Subscriber Line), ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line) y VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Line).
En definitiva, constituye un medio para transportar Voz y Datos a alta velocidad sobre el cable telefónico convencional de cobre, que conecta al usuario con la oficina central local.
xii
Red Eléctrica (PLC)
Este sistema es llamado PLC, por sus siglas en inglés Power Line Comunication, nos permite realizar transmisión de datos, utilizando como medio la Red Eléctrica. Esta tecnología permite llevar la electricidad a la par con la transmisión de datos, debido a que ambas señales viajan a frecuencias diferentes, lo cual permite la transmisión de ambas señales simultáneamente, La electricidad viaja a una frecuencia de 60 Hz, mientras que la señal que transporta los datos, viaja sobre el mismo medio físico, pero a altas frecuencias, en el rango comprendido entre 1.6 MHz y 30 MHz. Por ello no existe ningún impedimento para trasportar amabas señales, a través de la misma infraestructura de la Red Eléctrica.
Algunas de las características de esta tecnología, son:
• No es necesario ningún tipo de obra adicional para implementar la red, pues utiliza la Red
Eléctrica existente.
• Permite llegar a cualquier punto geográfico donde esté implementada una Red Eléctrica. • Reducción de costos, por no ser necesaria una nueva Red de Cable.
• Ofrece conexión permanente las 24 horas del día.
• Dispone de una gran cantidad de tomas donde se pueden conectar los módems con
Tecnología PLC.
• No sufre los inconvenientes de ADSL o cable que en muchos casos no llega a los usuarios. • Ofrece un ancho de banda de 45 Mbps, aunque actualmente ya se alcanzan velocidades
de 135 Mbps, y en breve se llegará a 200 Mbps, permitiendo la distribución de Datos, Voz y Vídeo de manera rápida y confiable.
• Posibilita la integración de servicios Triple Play, como Internet a altas velocidades,
Telefonía VoIP, Videoconferencias, VPN's, Redes LAN, Teletrabajo y comercio electrónico.
Al ser el PLC una tecnología relativamente nueva, presenta algunos inconvenientes:
• El estado de las Líneas Eléctricas, en muchos casos está deteriorado y afecta la transmisión
de datos.
• Es una red de distribución que no se creó con fines de comunicaciones, por ello, la
transmisión es afectada por algunas interferencias, ocasionadas por el uso de electrodomésticos, ya que éstos son fabricados para cumplir ciertas funciones, sin preocuparse por no generar ruido, lo cual impide mantener la calidad de la comunicación.
• Limita la distancia de transmisión, ya que la distancia óptica es de 100 metros, a mayores
distancias es necesaria la instalación de repetidores.
• Falta de seguridad (confiabilidad)
xiii
Redes Inalámbricas (Wireless)
Las Redes Inalámbricas, conocidas como Wireless, son una buena opción para determinadas necesidades de conectividad, en las que como su nombre lo dice, no utilizan cableado para la transmisión, es decir, comunican dos extremos sin hacer uso de un medio guiado. La transmisión se realiza a través de ondas electromagnéticas, que se envían y reciben por medio de antenas.
La difusión de radio, microondas terrestres y comunicaciones vía satélite, son las principales áreas de las comunicaciones que utilizan antenas para trasmitir señales.
Estas redes son muy útiles cuando se requiere la movilidad de los equipos conectados a la red, o que no pueden permanecer en un solo lugar.
A continuación, se enlistan algunas ventajas que estas redes nos ofrecen:
• Costos reducidos, ya que se ahorra en la instalación de cables y se protege la inversión, en
el caso de tener que cambiar de instalaciones, así como del costo de mantenimiento.
• Posibilidad de Evolución, las Redes Inalámbricas están teniendo gran aceptación por ser
una alternativa viable, en entornos donde la instalación de cables deja de tener sentido, y como consecuencia se garantiza el crecimiento de esta tecnología.
Dentro de estas redes, tenemos las tecnologías WiMAX o Interoperabilidad Mundial de Acceso de Microondas (Worldwide Interoperability for Microwave Access) y WiFi (Wireless Fidelity).
Wi-Fi
Diseñada para utilizarse en interiores, permitiendo el acceso a la red a equipos ubicados en cualquier parte dentro de un edificio, por ello la potencia de emisión de las antenas es limitada, ya que no se requiere de una gran potencia para la aplicación para la que está orientada.
Un ejemplo del uso de Tecnología Wi-Fi, es la utilizada en el Módem ADSL, para proveer conexión a Internet dentro de cualquier lugar dentro de una casa.
Wi-Fi ofrece una tasa de transferencia que va de 11 Mbps a 54 Mbps y una cobertura de 300 metros. Además la frecuencia más usada para el estándar WiFi, es la de 2.4 GHz.
WiMAX
Esta tecnología permite transmisión inalámbrica de señales, sin necesidad de tener línea de vista directa entre Transmisor y Receptor, como es el caso de las señales enviadas por Microondas terrestres.
xiv
WiMAX ofrece tasas de transferencia de 124 Mbps y una cobertura a distancias de entre 40 Km y 70 Km de una estación base. Es por esta razón, por la que WiMAX está orientada principalmente a su uso en grandes ciudades. Su espectro de frecuencia oscila entre los 2 GHz y 11 GHz.
Ventajas y Desventajas de Redes Inalámbricas frente al Cable.
Principalmente nos permite conectarnos libremente, sin estar atados a un cable, con ello conseguimos mayor movilidad, además nos da la posibilidad de que muchas personas puedan conectarse a una red, sin tener que establecer grandes instalaciones de cables para lograrlo.
xv
Justificación
Ante la creciente necesidad de integrar servicios de Voz, Vídeo y Datos a través de un mismo medio de comunicación, se ha llegado al desarrollo y mejora de diversas tecnologías para transmitir. Cada una de las cuales presenta ventajas y desventajas, sin embargo PLC es una tecnología, que como se ha mencionado con anterioridad, está en pleno desarrollo, y nos ofrece la ventaja de transmitir datos sobre una red ya existente, con lo cual podemos llegar a lugares en los que tecnologías para Redes Inalámbricas, ADSL y otras no han llegado aún.
Cada vez es más necesario estar comunicados desde cualquier lugar y a cualquier parte del mundo, con la mayor facilidad, movilidad y seguridad posibles.
xvi
Estado del Arte
Introducción a la Tecnología PLC
A pesar que en los años 50, ya se había creado un sistema que permitía controlar el consumo de energía eléctrica, encendido y apagado de alumbrado público y el valor de las tarifas eléctricas por medio de una señal eléctrica de baja frecuencia (100 Hz), que viajaba a través de los cables de la Red Eléctrica en un solo sentido, junto con la electricidad, fue hasta los 80 que se iniciaron las investigaciones para transmitir datos, y que éste fuera en ambos sentidos, a través de la Red Eléctrica. Para los años 90 se logró la transmisión por la red, compartiendo este medio la señal eléctrica y la señal de datos, con lo cual se abrió un nuevo campo de las telecomunicaciones, y que en la actualidad está en pleno crecimiento en algunos países, y que sin duda, debido a las ventajas que ofrece, llegará a convertirse en una tecnología potencial para la transmisión.
Así pues, el origen del PLC fue la transmisión de señales de control y lecturas de contadores, a través de una señal de baja frecuencia transmitida por la Red Eléctrica.
En 1997, las compañías United Utilities, de Canadá, y Northern Telecom, de Inglaterra, presentaron al mercado una tecnología que podía conseguir que Internet fuera accesible desde la Red Eléctrica: el PLC. Esto marcó el inicio del desarrollo comercial de esta tecnología, ya que diversos países europeos y un gran número de compañías eléctricas, comenzaron a desarrollar e implementar Tecnología PLC para hacer más efectivas sus redes, y por supuesto, aprovechar la infraestructura eléctrica existente para fines de comunicación.
Alemania fue el primer país en desarrollar esta tecnología y en ofrecerla de manera comercial. RWE y Ascom (Suiza), hicieron una primera prueba piloto con 200 hogares conectados a la red de bajo voltaje.
Para el año 2000, España, a través de la empres ENDESA toma parte en el desarrollo de PLC. Y para el año 2002, RWE cesó sus servicio de PLC por problemas regulatorios no resueltos de la utilización del espectro.
Situación Actual
Hoy en día, España es el país en el que la Tecnología PLC se ha desarrollado a gran escala, a través de empresas como Endesa, Iberdrola y Unión Fenosa. Se ha logrado la implementación de este sistema en distintas ciudades españolas, obteniendo resultados exitosos y sobre todo una buena aceptación por parte del usuario. Estas empresas están presentes en una gran cantidad de ciudades españolas, y pretenden extender el servicio a otras zonas donde las compañías suministran electricidad.
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necesarios para dar soporte a la Tecnología PLC, y ha desarrollado los servicios profesionales de valor añadido necesarios para el despliegue, puesta en marcha y mantenimiento de la Red PLC. DS2 (Diseño de Sistemas en Silicio), es otra compañía española situada en Valencia, que se dedica al diseño de chips PLC, siendo líder en este campo. Esto se debe a que es la empresa cuyos chips consiguen mayores velocidades de transmisión, y la única que cuenta con Tecnología PLC para redes de Media Tensión (entre 15 KV y 50 KV).
Los competidores actuales de DS2, son principalmente ASCOM, una empresa de origen suizo y MAIN.NET, de origen israelí. Sin embargo, ambas empresas están orientadas a la fabricación de Modems, y alcanzan velocidades de transmisión por debajo de las obtenidas con los chipset de DS2
PLC al ser una tecnología de reciente desarrollo, no existen muchas empresas que se dediquen a explotar esta tecnología. Por ello en el resto del mundo, desafortunadamente no se puede decir que esta tecnología se encuentre en desarrollo, ya que en muchos de éstos no se conoce la Tecnología PLC.
Los dos usos principales de la Tecnología PLC en la actualidad, tienen que ver con el control del hogar y el establecimiento de Redes Locales, que pueden proporcionarnos conexión a Internet.
México no es un país en que PLC se esté desarrollando comercialmente, sin embargo, esta tecnología es conocida y se están haciendo pruebas con la misma.
Comisión Federal de Electricidad (CFE), es la empresa estatal Mexicana encargada de la distribución de energía eléctrica en el país, la cual ha creado un departamento llamado COMENERGY, el cual es el encargado de crear redes de comunicaciones de Área Local, utilizando Tecnología PLC, proporcionando así conexión a Internet.
Las empresas ASCOM Power Line Communication y Endesa trabajan con CFE, con el fin de ofrecer conexión a Internet, utilizando la Red Eléctrica como medio de transmisión de datos. Se han realizado pruebas en Jocotitlán, Estado de México; Morelia, Michoacán; Monterrey, Nuevo León y Mérida, Yucatán.
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CFE y Grupo IUSA, realizaron ese mismo año una prueba más amplia en Morelia, Michoacán, en la que se estudiarán los aspectos técnicos y comerciales de esta tecnología, ya que de tener éxito en las pruebas la Tecnología PLC, podría ofrecerse en alianza con la iniciativa privada, por lo que no será un servicio gratuito.
Ofrecer esta tecnología en México, asegura tener comunicado al 96% del territorio mexicano, ya que éste es el porcentaje cubierto por las Líneas Eléctricas.Sin embargo, PLC tendrá que convivir con otras tecnologías ya probadas y muy competitivas, como ADSL y cable. Además, todavía requiere eliminar ciertos problemas técnicos de interferencia, calidad y adopción de estándares.
Actualmente, ya se alcanzan velocidades de transmisión de 200 Mbps, permitiendo la distribución eficaz y fiable de Datos, Voz y Vídeo. De esta manera, se ofrece la posibilidad de implementar servicios como VoIP, Telefonía IP, Videoconferencias, Internet a alta velocidad y Juegos en Línea.
Una parte importante de analizar es la situación actual de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y de la reciente desaparición de Luz y Fuerza del Centro (LFC), ya que esta paraestatal es quien tiene a su cargo la infraestructura de la Red Eléctrica en México. Así como la actual Red de Fibra Óptica a cargo de CFE, la cual estará a disposición del sector de Telecomunicaciones para ofrecer servicios de Triple Play. La información a continuación descrita fue tomada de las referencias 21-30 de la bibliografía del presente trabajo.
En el sistema de distribución eléctrica existe un cable llamado de “guarda”, que hace las funciones de pararrayos siguiendo toda la red, hace alrededor de cuatro años la CFE cambio este cable por Fibra Óptica para conectar de este modo los Centros de Consumo y Producción de electricidad, así como para monitorear las cargas de energía. Es una red de más de 19 mil kilómetros de Fibra Óptica que construyó para supervisar sus tendidos de distribución eléctrica en todo el país.
El costo de esta implementación en la red fue de alrededor de 75 millones de dólares, sin embargo hasta el día de hoy esta red tiene un mínimo de doce cables que pueden ser rentados a terceros para aumentar la conectividad en el país. Esto se debe a que el monitoreo que se realiza al sistema eléctrico de la CFE, sólo ocupa un par de cables, otro par es destinado a explotar la concesión que tiene desde 2006 para operar y explotar una red pública de telecomunicaciones, en esta red la CFE transporta datos para clientes como Pemex o Axtel, y es llamada ‘red iluminada’. El resto de los pares se mantiene sin usar y se denomina ‘fibra oscura’. La tarifa que pagan las empresas que usan la red de la CFE es 15% menor a la que ofrece Telmex.
A partir del año 2006 en México la CFE comenzó un programa para integrarse al mundo de las telecomunicaciones, como parte de una estrategia para ampliar la cobertura de servicios en el país, donde hay dos teléfonos fijos por cada 10 mexicanos.
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Esto ha provocado que diversos organismos del sector de las telecomunicaciones hayan solicitado al gobierno la apertura de esta infraestructura a la iniciativa privada, con el principal objeto de ampliar su infraestructura y bajar los costos de los servicios, debido a que en la actualidad, sólo Telmex cuenta con una red semejante, lo que provoca que el cobró de ésta a las demás empresas sea caro, es decir, se pretende que las empresas afiliadas a la Cámara Nacional de la Industria de las Telecomunicaciones por Cable puedan usar esta red para ofrecer sus servicios de Telefonía, Internet y Televisión (Triple Play), ahorrándose las altas tarifas cobradas por Telmex.
Actualmente hay 165,000 kilómetros de Fibra Óptica instalada en México, de la cual, dos terceras partes son propiedad de Telmex, la mayor parte de esta Red de Fibra Óptica está en el llamado triángulo de cristal, cuyas aristas son la ciudad de México, Guadalajara y Monterrey.
El costo de conexión por megabit de datos para un carrier (operador de telefonía) es de 5 dólares en Estados Unidos, mientras que en los lugares donde solo hay Fibra Óptica de Telmex el costo es de 450 dólares por megabit, si hay competencia en el lugar el precio puede bajar hasta 200 o 40 dólares.
Telmex es una empresa con presencia en el extranjero, por ejemplo, en Colombia ofrece un acceso dos veces más rápido que en México por casi el mismo precio, en Brasil la conexión es seis veces más rápida y con un precio mayor alrededor de un 20%.
Después de la desaparición de Luz y Fuerza del Centro (LFC), se anunció que no se privatizaría el sector eléctrico ya que la CFE se encargaría de suministrar la energía eléctrica a los 6 millones de clientes que atendía LFC. Sin embargo, casi el 50% de la electricidad que se consume en México es privada, generada por consorcios extranjeros y nacionales, bajo la figura de productor independiente, autoabastecimiento y cogeneración.
Durante los gobiernos de Vicente Fox y Felipe Calderón, un grupo de corporativos creó una industria eléctrica paralela a la del Estado, utilizando parte de la infraestructura de LFC y la CFE, produciendo más electricidad de la que supuestamente consumirían, esto con el objeto de vendérsela a empresas privadas y a las dos paraestatales, pues el Gobierno Federal obligó a LFC y la CFE a comprar los excedentes a precios mucho más altos del costo de la generación directa, generando así, el incremento de tarifas, según la Auditoría Superior de la Federación (ASF).
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Hasta Julio de 2009 la CRE había otorgado 24 permiso a consorcios españoles, estadunidenses, canadienses, japoneses, alemanes, franceses y belgas: Iberdrola, Unión Fenosa, Tractebel, Abengoa, Mitsubishi, Alstom, Electricitè de France, Bechtel, Intergen, que producen y venden casi la mitad de la energía eléctrica que se consume en México, esto sumado a 595 permisos de “autoabastecimiento”, 58 para cogeneración, 37 para importación, 7 para exportación, 3 para pequeña producción y 48 para usos continuos. La capacidad total de generación autorizada por la CRE a los privados mediante los 772 permisos especiales asciende a 166 mil 682 Giga-watts-hora, que representa el 49.4% del consumo Nacional, con esto se están restando considerables ingresos a LFC y CFE.
Bajo una figura inexistente de autoabastecimiento las empresas trasnacionales tienen su Central Generadora en cualquier parte del país, produce la energía para posteriormente transmitirla y distribuirla en el país por las redes de CFE y en la zona central por LFC. Además, estos permisos brindan la oportunidad a las empresas de incluir, en sus planes de expansión, a cuantas empresas quieran, para el “aprovechamiento de la energía eléctrica que se genere”.
En su primer permiso como autogeneradora, Iberdrola registró a 109 compañías, las cuales dejaron de comprarle la energía eléctrica al Estado para comprársela a la compañía española.
A medida que se incrementaron los permisos para la producción privada, las paraestatales dejaron de percibir considerables ingresos por esos clientes. Para finales del actual sexenio (en 2012), la CFE habría perdido por lo menos el 34% de la producción de energía y sus respectivos ingresos, en beneficio de corporativos como las españolas Unión Fenosa e Iberdrola, la japonesa Mitsubishi, la canadiense Transalta.
En los últimos siete años, los productores privados han impuesto a la CFE tarifas mucho más altas al costo que tendría la generación directa; en consecuencia, a partir de 2006, los consumidores debieron pagarle a la CFE las tarifas más caras del mundo: 0.8 centavos de dólar por kilowat/hora más que en Estados Unidos, las tarifas eléctricas en México se han incrementado a medida que avanza la privatización. La Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico coincide que en México se paga la electricidad a los precios más altos del mundo, ya que si a la CFE le cuesta 0.60 el kilowat de la electricidad que proviene de la producción independiente, los corporativos extranjeros se la venden a LFC a más de 0.90 centavos.
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El ganador de la licitación se dará a conocer a principios de enero del 2010, para que a más tardar en el primer trimestre de 2010, se inicie la explotación de la llamada Fibra Óptica "oscura" de la CFE. Además, deberá instalar 34 segmentos adicionales de Fibra Óptica complementaria en una longitud total de 1,739 kilómetros, para completar la red que abarcará tres rutas: Pacífico, Centro y Golfo.
La ruta Pacífico se extiende con diversos ramales por el poniente del país; va de Baja California a Oaxaca, e incluye dos tramos no conectados con resto del país, en Baja California y Baja California Sur, la ruta Centro cruza el país de norte a sur por el centro; va de Chihuahua a Chiapas y tendrá acceso a Guatemala por Tapachula, mientras que la ruta del Golfo corre el país por el lado oriente; tiene dos salidas a la frontera norte, por Nuevo León y Tamaulipas, y llega a la Península de Yucatán, con salida al cable submarino que conecta a Florida.
Esto abrirá la posibilidad de que los operadores puedan ofrecer nuevas opciones para el transporte de Voz, Datos y Vídeo, así como analizar la posibilidad de aprovechar la infraestructura eléctrica para la técnica del Power Line Comunication (PLC), tecnología que está en etapa preliminar.
Algunas compañías de telefonía han expresado su interés de participar en el concurso, como Teléfonos de México (Telmex), Telefónica, Megacable, Alestra, Iusacell, Axtel, entre otras. CFE es una empresa con pérdidas, que en los últimos años ha trabajado con números rojos por cerca de 27,000 millones de pesos, por lo que entrar a un mercado con valor de 4,800 millones de pesos podría permitirle recuperar parte de sus crecientes pérdidas.
Durante este año la Comisión Federal de Competencia abrirá paso a la Cofetel para fijar límites a Telmex en el mercado de las telecomunicaciones, es decir el planteamiento de mecanismos tarifarios para asegurar un acceso a costo razonable a sus redes de Fibra Óptica.
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Capítulo 1
Transmisión de Datos
Como se ha mencionado, desde siempre, el hombre ha tenido la necesidad de comunicarse, y aunque inicialmente, sólo le bastaba con entenderse con sus semejantes, después surgió la necesidad de comunicarse con personas que se encontraban a grandes distancias de él. Así, se llegó al gran intercambio y distribución de información en el que estamos inmersos actualmente, y que además, sigue evolucionando.
La transmisión de información desde un punto a otro, de Transmisor a Receptor, debe hacerse de manera fiable, y que nos permita recuperar la información original en el extremo del receptor. Por ello, la transmisión de información se lleva a cabo mediante el transporte de la información codificada, de un punto a otro.
Cuando se envía información, debe hacerse de manera rápida y fiable. Por esta razón, la información es modificada para adecuarla, y así poder ser transmitida a un determinado lugar. El Receptor, al recibir los datos, debe convertirlos a su formato original, para poder reconocer y comprender la información que le envío el Transmisor.
Un Dato, es cualquier entidad capaz de transmitir información y los datos se transmiten a través de señales, las cuales pueden ser eléctricas, electromagnéticas, ópticas o electroópticas, y los medios que se utilizan para transportar dichas señales, pueden ser Medios Guiados, como Cable Coaxial, Fibra óptica, etc., o Medios No Guiados. Los cuales se han analizado en la Introducción del presente trabajo. Así se puede decir, que una Señal es la representación eléctrica o magnética de Datos.
Es importante aclarar, que cuando hablamos de Transmisión de Datos, nos referimos a la información que se desea transmitir, los diferentes tipos de datos, como son:
• Datos de Texto, • Datos de Audio, • Datos de Vídeo, y • Datos de Gráficos.
Los Datos se pueden representar con señales Analógicas o Digitales. Las Señales Analógicas
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Figura 1 Señales Analógicas y Digitales
Por lo tanto, la transmisión de Información puede hacerse de dos maneras:
• Transmisión Analógica: Consiste en el envío de información en forma de ondas, a través
de un medio de transmisión físico, por cable o por aire. La información es enviada a través de una señal portadora, a la cual se le varía algún parámetro (amplitud, frecuencia o fase), dicho cambio será el encargado de representar cierta información.
• Transmisión Digital: Consiste en el envío de información en forma de Señales Digitales, lo
que implica que las señales analógicas se digitalicen antes de ser enviadas.
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Es importante mencionar, que en la Transmisión Analógica a través de grandes distancias implica que la señal se atenúe, por ello, se utilizan Amplificadores, los cuales inyectan energía a la señal, sin embargo, esto distorsiona considerablemente a dicha señal. Por otro lado, la Transmisión Digital limita un poco la distancia de transmisión, ya que si se transmite a grandes distancias, se pone en riesgo la integridad de los datos originales. Sin embargo, para conseguir mayores distancias se utilizan Repetidores, éstos reciben la señal digital, regeneran el patrón de ceros y unos y los retransmiten. Si se transmiten datos digitales a través de una señal analógica, también se pueden utilizar repetidores.
El proceso de Transmisión de Datos, puede dividirse en tres funciones principales, las cuales se implementan por medio de protocolos.
• Funciones de Edición: Dan el formato adecuado a la información y se encarga de controlar
errores.
• Funciones de Conversión: Convierte la información al formato adecuado para su envío. • Funciones de Control: Se ocupan del control de la red y del envío y recepción de la
información.
Un Sistema de Transmisión de Datos, tiene como objetivo reducir el tiempo y esfuerzo, aumentar la velocidad de entrega de la información, reducir costos de operación, aumentar la capacidad de las organizaciones o empresas a un costo incremental razonable, y aumentar la calidad y cantidad de información que se envía.
Internet, es un conjunto de redes independientes conectadas entre sí a lo largo de todo el mundo, por esta razón, es necesario el uso de un protocolo en común, que establezca las reglas a partir de las cuales, estas redes podrán intercambiar información y establecer comunicación. El protocolo que proporciona la compatibilidad necesaria, para establecer comunicación entre dichas redes, es el Protocolo TCP/IP, el cual se abordará más a detalle en el Capítulo 2 Protocolo TCP/IP, del presente trabajo.
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1.1 Comunicación de Datos a través de Redes
Las redes pueden clasificarse de distintas maneras, de acuerdo a criterios, como: tamaño, tecnología empleada, topología, aplicación específica, administración, etc.
De acuerdo a su distribución geográfica o tamaño, tradicionalmente se sugieren dos grandes categorías:
• Redes de Área Local (LAN) • Redes de Área Amplia (WAN)
1.1.1 Redes de Área Local
Es una red que interconecta varios dispositivos en un área geográfica reducida, como puede ser un edificio o un conjunto de ellos, siempre y cuando dichos edificios estén próximos entre sí. Existe una serie de recursos compatibles a los que tienen acceso todos los usuarios de la red.
Generalmente una Red LAN, depende de un medio físico para comunicar los dispositivos pertenecientes a dicha red.
Las velocidades de transmisión, generalmente son de 10 Mbps a 100 Mbps, aunque en ocasiones se utilizan velocidades de 1 Gbps y hasta 10 Gbps en empresas grandes.
1.1.2 Redes de Área Amplia
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1.2 Conversión Analógica-Digital
Al utilizar la red de Internet, la cual está bajo el Protocolo TCP/IP, la información se envía en forma de paquetes de datos, por lo que es importante entender el proceso de digitalización de datos, lo cual se describe brevemente, tomando como ejemplo la Digitalización de la Voz, ya que al trabajar con transmisión de Triple Play, Voz es uno de los tipos de datos que se transmitirán.
1.2.1 Digitalización de Voz
Una Señal de Voz se ubica en un rango de frecuencias que va de 20 Hz a 20 KHz, sin embargo, comúnmente se dice que el rango es de 300 Hz a 3,400 Hz debido a que es dentro de este rango donde se concentra la mayor parte de información de la voz, ésta es la razón por la que los Sistemas Telefónicos Convencionales utilizan este último rango, como el ancho de banda de una Señal de Voz.
La Voz es una Señal Analógica o Señal Continua, tanto en tiempo como en amplitud, la cual para poder ser enviada en forma de paquetes de datos, es necesaria su conversión a señal digital. Dicha conversión se realiza sometiendo la señal a los siguientes procesos:
1. Muestreo de la Señal 2. Cuantificación 3. Codificación
A continuación se explica brevemente, cada uno de estos procesos.
Muestreo de la Señal
También llamado Discretización de la señal, y es la primera parte del proceso de digitalización. Aquí se toman muestras de la señal continua, sólo en determinados instantes de tiempo, los cuales están determinados por el Teorema de Nyquist.
El tomar sólo algunos valores de la señal en determinado tiempo, representa pérdida de información, sin embargo, es importante asegurar que dicha pérdida no sea tan grande, como para perder la mayor parte del contenido de información de la señal.
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Figura 2 Muestreo de Señal Analógica
Teorema de Nyquist
El Teorema de Nyquist, nos auxilia al elegir la frecuencia con la que se tomarán las muestras de información de una señal continua, sin que se pierda una cantidad importante de información. En otras palabras, el Teorema de Nyquist nos proporciona la Frecuencia de Muestreo.
La frecuencia, debe ser de al menos el doble del ancho de banda de la señal analógica que se desea digitalizar.
≥ 2
Donde:
ℎ ñ ó
= 1
Donde:
Elegir una señal de muestreo menor a la que nos indica el Teorema de Nyquist, nos impide recuperar la señal original.
Por lo tanto, la señal de voz en un canal telefónico, se muestrea a una frecuencia de = 8 ℎ , o lo que es lo mismo, se toma una muestra cada 0.125 $ , ya que el Ancho de Banda es de
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Cuantificación
Muestrear la señal significa discretizar en tiempo, pero como se mencionó, la señal analógica es también continua en amplitud, por lo que es necesario discretizarla, también en este dominio. Es esto justamente lo que se hace en el proceso de Cuantificación.
Aquí se asigna un valor de amplitud, a cada una de las muestras obtenidas durante el muestreo. El valor se asigna de acuerdo a N valores posibles, y ese valor de amplitud se mantiene hasta llegar al siguiente instante de tiempo, el cual corresponde al de la siguiente muestra, donde entonces se asigna otro valor de amplitud. El valor de amplitud, se asigna de acuerdo a la cercanía de la amplitud de la muestra, con alguno de los N valores posibles, es como realizar un redondeo de amplitud. La Figura 3 Cuantificación de Señal Discreta muestra la cuantificación de una señal discreta en tiempo.
Figura 3 Cuantificación de Señal Discreta
Así como para muestrear una señal, es importante tomar muestras a cierta frecuencia que nos permita recuperar la señal original, al cuantificar una señal sucede lo mismo, es importante que los N valores posibles de amplitud, nos permitan representar todos los valores de amplitud de las muestras tomadas.
El conjunto de valores discretos de amplitud (N), que puede tomar la señal muestreada, se obtiene dividiendo, el rango de los valores de amplitud continuos que puede tomar la señal muestreada, en M niveles de tamaño ∆ (intervalo de cuantificación), obteniendo así una distribución de cuantificación.
De acuerdo a la distribución que tomen los N valores posibles de amplitud, se tienen dos tipos de Cuantificación:
a) Cuantificación Uniforme
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Cuantificación Uniforme
El intervalo de cuantificación ∆, es igual para todos los niveles de cuantificación N. ∆ se obtiene a partir de la siguiente fórmula:
∆= ()*. − 1−
(,-Donde: ∆ / 0 1 ó
()* $2 $á4 $ ñ $
(,- $2 $í $ ñ $
. 6ú$ 6 0 1 ó
Cuantificación No Uniforme
El intervalo de cuantificación ∆, no es igual para todos los niveles de cuantificación N.
La señal que se obtiene después del proceso de cuantificación tiene un formato digital.
Codificación
En esta parte del proceso, se asigna a cada uno de los valores discretos de amplitud obtenidos en la Cuantificación, un código binario.
A cada nivel de cuantificación le corresponde un valor binario, tal como se muestra en la Tabla 1 Código Binario para Nivel de Cuantificación.
Valor de Nivel de Cuantificación
Código Binario
+5 0000
+4 0001
+3 0010
+2 0011
+1 0100
-1 0101
-2 0110
-3 0111
-4 1000
-5 1001
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Ahora, se representan los valores discretos de amplitud obtenidos en la cuantificación, como un tren de pulsos, de acuerdo a los valores de la Tabla 1 Código Binario para Nivel de Cuantificación.
00110010000100000000000000000000000100100011010101111000100010011001100001110110
Figura 4 Señal Analógica representada por un Tren de Pulsos
Para un canal telefónico, generalmente se codifica con 8 bits por muestra, obteniendo así la posibilidad de representar 256 niveles de amplitud discretos (M), (28= 256).
Además, en los sistemas telefónicos se utiliza la Modulación por Codificación de Pulsos (PCM), donde cada muestra de la señal analógica se codifica con 8 bits, dando como resultado que la velocidad en el canal, sea de 64 Kbps. (8000 muestras/seg*8bits).
Sin embargo, como la información digital no puede ser enviada en forma de 0 y 1, debe ser codificada en la forma de una señal con dos estados, por ejemplo:
• Dos niveles de voltaje con respecto a la conexión a tierra, • Presencia y Ausencia de corriente en un cable,
• Presencia y Ausencia de Luz.
En la Figura 5 Diagrama a Bloques de Conversión Analógico-Digital, se muestra el diagrama a bloques del proceso de digitalización de una señal analógica.
Figura 5 Diagrama a Bloques de Conversión Analógico-Digital
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1.3 Vídeo
Otro tipo de datos es el vídeo, para que se produzca una imagen en la pantalla, un haz de electrones barre de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo la superficie de la pantalla, al final de cada línea de barrido, el haz regresa hacia la izquierda (retroceso horizontal), al llegar a la parte más baja, se vuelve a la parte superior (retroceso vertical), en general, cuando se realiza el barrido, el valor analógico de la señal cambia, por lo que la imagen de vídeo puede ser considerada como una señal analógica variable en el tiempo.
Para tener una adecuada resolución, el haz debe de describir 483 líneas horizontales, a la velocidad de 30 barridos de pantalla por segundo, esta velocidad produce una sensación de parpadeo en lugar de movimiento, sin embargo, esto se puede eliminar con un proceso de entrelazado, el cual consiste en realizar el barrido de la pantalla, iniciando por la izquierda, y cuando se alcance la mitad de la línea inferior de la pantalla, tras haber barrido 214,5 líneas, reposicionar el haz a la mitad de la línea superior de la pantalla, volviendo a barrer las 214,5 líneas restantes entrelazadas con las anteriores, así la pantalla se refresca 60 veces por segundo, en lugar de las 30 veces anteriores
Las redes para la transmisión de Vídeo, tenían el enfoque de conectar computadoras para compartir datos en tiempo real, en la actualidad, con los enlaces de alta velocidad, se puede tener acceso a vídeos, que pueden estar siendo vistos simultáneamente por varios usuarios (multicast).
El vídeo en tiempo real involucra varias cuestiones, como la calidad del servicio (QoS) red y la compresión/descompresión de los datos.
La calidad del servicio, es importante, porque de ella depende la satisfacción del usuario, además, se debe considerar que una transmisión de vídeo es susceptible a los cambios en la red. El Protocolo IP, hace más fácil el diseño de una red con tecnología multicast, ya que permite que el vídeo sea enviado a un grupo de usuarios, esto a bajo costo.
El vídeo es una secuencia de imágenes, cuando se reduce el ancho de banda de la imagen, se refuerza la calidad, al proceso de reducir los cuadros repetidos en los vídeos, se le conoce como Compresión Digital de Vídeo.
La compresión se lleva a cabo con el fin de optimizar los recursos, tanto en la computadora como en la transmisión.
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Algunas de sus características son:
• Dos tipos de trama: la trama de programa es para un entorno libre de errores, y la trama
de transporte para entornos en donde existen errores.
• Soporte para la transmisión de datos criptográficos.
• El sistema DSMCC (Digital Storage Media Command Control), sirve para la reproducción de
tramas almacenadas en medios digitales.
Las técnicas de compresión aun están evolucionando, sin embargo, MPEG-2 abarca más formatos de codificación, y puede ser utilizado para la transmisión de señales digitales de televisión a 10 Mbps o 15 Mbps, y televisión de alta definición a 80 Mbps, además de datos comprimidos en velocidades menores a 4Mbps.
1.3.1 Codificación del vídeo.
Los estándares actuales para la codificación de vídeo, son:
• H.621 (UIT)
• H.120 (REEMPLAZADO POR H.261) • MPEG (ISO)
• Cell-B (Sun Microsystems) • NV (Xerox PARC)
1.3.2 Protocolos de Streaming Media
TCP es el protocolo para el transporte de la información en Internet, sin embargo, no es el protocolo de transporte adecuado para la transmisión de vídeo en tiempo real. Este protocolo no fue diseñado para la entrega síncrona de paquetes, y debido a que la transmisión de audio y vídeo debe llevarse a cabo de manera síncrona, es decir, debemos de tener un control de los retardos en la transmisión , la tasa de transferencia con la cual la información está siendo transmitida, y además se debe de ofrecer la garantía de la entrega correcta de los paquetes, por lo cual ha sido necesario el uso de otros protocolos, que lleven a cabo una transmisión síncrona en una red de conmutación de paquetes.
En 1995, aparecen los protocolos para la transmisión de vídeo a través de una red, los cuales son: RTP, RTCP, RTSP y RSVP.
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1.3.3 Estándar H.323
Define el método para llevar a cabo la trasmisión de audio y vídeo sobre redes, como Internet e Intranet, está formado por estándares y protocolos que incluyen la compresión de datos de audio y vídeo.
Este estándar asegura que los equipos de diferentes fabricantes se puedan comunicar entre sí.
Figura 6 Arquitectura del Estándar H.323
Los protocolos RTP (Real Time Transport Protocol), proporcionan el mecanismo para el transporte de datos en tiempo real, a través de una red, sin embargo, no garantiza la calidad del servicio, la cual se lleva a cabo con el Protocolo RTCP (Real Time Transport Control Protocol), el cual genera reportes estáticos acerca de envío y recepción en el Protocolo RTP, es decir, nos indica el grado de congestión de la red y reduce el número de paquetes perdidos.
Por otra parte el estándar H.323, hace uso de los procedimientos de señalización de los canales lógicos, contenidos en la norma H.245, dichos procedimientos son utilizados para establecer los servicios entre el emisor y receptor, y entre los cuales podemos mencionar el establecimiento o finalización de una llamada, así como el intercambio de información.
Para en el envío de los datos, H.323 se apoya de un conjunto de protocolos para soportar las aplicaciones multimedia. Entre estos protocolos están:
RTSP (Real Time Streaming Protocol). Es utilizado para controlar sesiones de datos para aplicaciones Streaming, entre los beneficios que proporciona, están:
• Bidireccionalidad, dando un control de flujo total
• Se puede implementar sobre infraestructuras de redes establecidas • Seguridad
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RSVP Resource Reservation Protocol, este protocolo proporciona un mecanismo que configura y gestiona el ancho de banda
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1.4 Triple Play
La evolución de las telecomunicaciones ha sido tal, que a partir del desarrollo de Internet se ha producido una gran convergencia tecnológica.
Esos desarrollos, han logrado que en la actualidad varios servicios (texto, audio, imágenes, vídeos, etc.), convivan dentro de una misma red.
En Telecomunicaciones, el concepto Triple-Play, se define como la transmisión de servicios de Voz, Vídeo y Datos, conlleva una solución única para varios problemas. Ya que se tienen todos los servicios sobre el mismo medio físico, basado en ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), surge a partir de la capacidad tecnológica de las nuevas redes, para transportar todo tipo de contenido, lo que abre la posibilidad de contar con un proveedor, que ofrezca conjuntamente tres servicios: Telefonía, TV e Internet.
Un elemento importante dentro de este proceso, es la digitalización, la cual permite el uso eficiente de las redes, reducir costos, además de desarrollar nuevos servicios y aplicaciones, tales como vídeo bajo demanda, descargas y streaming de vídeo, es decir, se incorpora la interactividad con el usuario, ofreciendo los servicios de comunicación e información en el momento, y en el lugar donde se encuentren, con las mejores condiciones.
El Protocolo IP (Internet Protocol), ha impulsado fuertemente el desarrollo de nuevos servicios, como en el caso de la telefonía, que ha evolucionado hacia la VoIP (Voice Over Internet Protocol), aportando una enorme cantidad de servicios de valor agregado propios de la telefonía, con una óptima relación costo-beneficio.
Permite al usuario disponer de los servicios y contenidos que desea utilizar, en el momento idóneo y con una gran calidad.
