Sistemas de comunicaciones full dúplex GPON

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Sistemas de Comunicaciones Full Dúplex GPON Autor: Martha Evelyn Martí Reyes. Tutor: Ing. Aniel López Pérez. Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Sistemas de Comunicaciones Full Dúplex GPON Autor: Martha Evelyn Martí Reyes e-mail: [email protected]. Tutor: Ing. Aniel López Pérez e-mail: [email protected]. Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Toma una sonrisa. Regálala al que nunca la haya tenido. Toma un rayo de sol. Hazlo volar allá donde reine la noche. Descubre una fuente. Haz bañar a quien vive en el barro. Toma una lágrima. Ponla en el rostro de quien nunca ha llorado. Toma la valentía. Ponla en el ánimo de quien no sabe luchar. Descubre la vida. Nárrala a quien no sabe entenderla. Toma la esperanza y vive en su luz. Toma la bondad. Y dónala a quien no sabe donar. Descubre el amor y hazlo conocer al mundo. (Mahatma Gandhi).

(5) ii. DEDICATORIA. A mi madre, por ser mi mejor amiga, mi confidente, mi mano firme en los momentos difíciles y por ser la mejor mamá del mundo. Te Amo….

(6) iii AGRADECIMIENTOS. A Dios, por darme la vida, la capacidad de estudiar y ser mi buen pastor. A la Virgen de Fátima, por ser mi madre y acompañarme todos los días de mi vida. A mi mamá por darme su apoyo, su amor incondicional, sus consejos y ser la razón principal que me ha motivado a llegar hasta el final. A mi papá, por estar conmigo, por ayudarme, darme esperanzas y esforzarse cada día para brindarme un futuro mejor y depositar en mis manos todos los recursos necesarios para realizar este sueño. Te quiero mucho. A mis abuelos, aunque hoy no estén conmigo, yo sé que me miran y están felices por mí. Gracias por ser mis consentidores, por ayudarme, por su constante preocupación, por cada sonrisa y por todos sus esfuerzos hasta el último momento. Siempre estarán en mi corazón. A mi tío, por ser el mejor del mundo, por preocuparse por mí, por darme aliento, por vivir y sentir cada uno de mis éxitos y fracasos. Eres mi otro papá. Te quiero mucho. A mi hermano, por obligarme a ser un ejemplo para él en mi condición de hermana mayor. A mi novio, por estar siempre ahí para ayudarme, apoyarme, animarme y presionarme cuando no he tenido las ganas suficientes. Gracias por ser el motivo de mi inspiración desde que llegaste a mi vida. Te quiero mucho mi Tito. A mis amigos Giovany y Rocio, por ser los mejores, por todos los momentos buenos y malos, por los días de estrés y de sacrificios, donde siempre nos mantuvimos juntos y por todos nuestros cafés. Los quiero. A mi tutor, por orientarme, por aceptar a último momento tutorear mi tesis, por atenderme siempre y por sus sabios consejos. A todos mis maestros y todas las personas que hicieron posible la culminación de mis estudios. Gracias a todos….

(7) iv. RESUMEN. En este trabajo de diploma se desarrollan sistemas bidireccionales GPON, para ello se realiza un estudio de las características principales de las Redes Ópticas Pasivas, de los componentes básicos de los sistemas de este tipo y sus principales estándares. Se utiliza la herramienta de simulación OptiSystem de Optiwave que ofrece amplias posibilidades para el diseño de sistemas ópticos y para la valoración del desempeño de los sistemas bidireccionales GPON basándose en el comportamiento de sus parámetros de calidad: factor de calidad y la probabilidad de error de bits. Además se diseñan, analizan y simulan dos escenarios de redes GPON bidireccionales: el primero de 8 ONU y el segundo de 32 ONU. Finalmente se demuestra la funcionalidad de la red diseñada para brindar servicios de banda ancha a los usuarios finales basándose en los resultados gráficos y cuantitativos obtenidos gracias a los componentes de visualización que brinda OptiSystem. Mediante los valores de potencias, probabilidad de bits erróneos y factor de calidad se confirma que los resultados cumplen con la recomendación de la UIT-T G. 984.2..

(8) v. TABLA DE CONTENIDOS. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS. PASIVAS. 4. 1.1. Redes Ópticas Pasivas .............................................................................................. 4. 1.2. Características y funciones de los elementos de una red PON ................................ 7. 1.2.1. Terminal Óptico de Línea .................................................................................. 7. 1.2.2. Red de Distribución Óptica............................................................................... 9. 1.2.3. Terminal Óptico de Red .................................................................................. 12. 1.3. Sistemas unidireccionales y sistemas bidireccionales .......................................... 13. 1.4. Estándares de la tecnología PON .......................................................................... 14. 1.4.1. Arquitectura APON ........................................................................................ 15. 1.4.2. Arquitectura BPON......................................................................................... 15. 1.4.3. Arquitectura EPON ......................................................................................... 16. 1.4.4. Arquitectura VPON ........................................................................................ 17. 1.4.5. Arquitectura GPON ........................................................................................ 18. 1.5. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 21. CAPÍTULO 2.. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN ........................................................ 22. 2.1. Breve introducción a OptiSystem ........................................................................... 22. 2.2. Elementos utilizados en la simulación ................................................................... 23.

(9) vi 2.3. Escenarios de Simulación ...................................................................................... 27. 2.3.1. Escenario de simulación 1: Red GPON de 8 ONU ........................................ 27. 2.3.2. Escenario de simulación 2: Red GPON de 32 usuarios ONU ........................ 37. 2.4. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 39. CAPÍTULO 3.. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS .............. 40. 3.1. Parámetros fundamentales para el análisis e interpretación de resultados ............. 40. 3.2. Análisis de la red GPON de 8 ONU....................................................................... 42. 3.3. Análisis de la red GPON de 32 ONU..................................................................... 48. 3.4. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 55. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 57 Conclusiones ..................................................................................................................... 57 Recomendaciones ............................................................................................................. 58 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 59 GLOSARIO .......................................................................................................................... 62.

(10) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. En el transcurso de los años las telecomunicaciones han ido evolucionando, por lo que surge la necesidad de migrar de una red de voz a una red de datos. Las aplicaciones de Internet como el correo electrónico, transferencia de archivos, entre otros que utilizamos cada día, son relativamente tolerantes al retardo y a las pérdidas, pero los servicios que ahora se están imponiendo como videoconferencia, telefonía VoIP, televisión digital, comercio electrónico, entre otros requieren de redes de mayor capacidad de transporte de ancho de banda, que cumplan con requisitos de Calidad de Servicio (Quality of Service, QoS), los cuales permitan movilidad y sean capaz de soportar los servicios convergentes (Carmona and Montes, 2009). La necesidad de ancho de banda ha hecho nacer varias tecnologías de acceso de banda ancha: Línea de Abonado Digital (Digital Subscriber Line, DSL) en todas sus formas simétricas y asimétricas, utiliza la infraestructura de cobre para dar servicios a velocidades de hasta algunos megabits por segundo; Sistema de Distribución Local Multipunto (Local Multipoint Distribution Service, LMDS) ofrece velocidades de banda ancha a usuarios residenciales y a profesionales independientes vía tecnología inalámbrica; Sistema de Terminación de Módem por Cable (Cable Modem Termination System, CMTS) emplea el cable coaxial para entregar servicios digitales a muchos usuarios; el Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS) fue concebido para servicios de voz y de datos de tercera generación. A pesar de las enormes diferencias entre estas tecnologías, todas ellas se caracterizan por el aumento de la velocidad de transferencia de datos en un orden de magnitud muy superior en comparación con las soluciones de banda estrecha que les precedieron (Alvarez et al., 2009)..

(11) INTRODUCCIÓN. 2. En un panorama global, se puede observar que las redes ópticas van evolucionando hacia una red de transporte cada vez más eficiente, dotadas de funcionalidad que proporciona transporte, multiplexación, encaminamiento, supervisión y capacidad de supervivencia de señales que son procesadas predominantemente en el dominio óptico. Entre las nuevas propuestas se encuentra la Red Óptica Pasiva (Passive Optical Network, PON) la cual permite llegar hasta los hogares y empresas empleando fibra óptica, medio de transmisión capaz de soportar los servicios de nueva generación y que se utiliza en las redes de Fibra al Hogar (Fiber To The Home, FTTH). Entre las últimas tecnologías de las redes PON se encuentra la Gigabit-PON (Gigabit Passive Optical Network, GPON), la cual está regulada por la recomendación G.984 de la UIT-T. El estándar GPON es el más atractivo para ofrecer fibra óptica hasta el hogar porque permite la convergencia de todos los servicios de telecomunicaciones sobre una única infraestructura de red basada en IP, permitiendo a los abonados servicios mucho más potentes (voz sobre IP, televisión digital de alta definición, video bajo demanda, Internet de banda ancha sin restricciones de distancias y velocidad, juegos en red, etc.) (Añazco, 2013). A pesar de haberse desarrollado varios trabajos relacionados con temáticas que hacen referencia al diseño de enlaces ópticos pasivos, según una revisión bibliográfica detallada, se hace necesario el diseño sistemas de comunicaciones full dúplex con parámetros reales a nivel físico utilizando el estándar GPON para la implementación de servicios interactivos de última generación lo que conduce a plantear la situación problémica siguiente: ¿Cómo determinar el comportamiento de sistemas bidireccionales GPON? En correspondencia con el problema planteado, se establece como objetivo general: desarrollar sistemas de comunicaciones ópticas bidireccionales basados en el estándar GPON utilizando OptiSystem. Para dar cumplimento al objetivo general, se deben cumplir los objetivos específicos siguientes: . Caracterizar los sistemas ópticos pasivos, sus componentes y sus parámetros básicos.. . Describir el estándar GPON según lo establecido por la UIT-T para enlaces full dúplex.. . Diseñar enlaces full dúplex GPON en OptiSystem..

(12) INTRODUCCIÓN. . 3. Evaluar el desempeño de los sistemas ópticos basándose en sus parámetros de calidad.. El informe de este trabajo de diploma se organiza de la forma siguiente: resumen, introducción, capitulario, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y glosario. En el Capítulo I: “Características generales de las Redes Ópticas Pasivas”, se aborda el desarrollo contextual de las tecnologías ópticas pasivas, reúne los conceptos básicos de las redes PON y los conceptos principales del estándar GPON en el cual se profundiza. En el Capítulo II: “Escenarios de Simulación”, se realiza una breve introducción a la herramienta de simulación OptiSystem de Optiwave, se presentan todos los componentes utilizados en los diseños y sus principales parámetros. Se muestran los dos escenarios de simulación de las redes GPON, el primero consta de 8 usuarios ONU y el segundo de 32 usuarios ONU. En el Capítulo III: “Análisis e interpretación de los resultados”, se definen los parámetros a tener en cuenta para la interpretación de los resultados como son: razón de bits erróneos y el factor de calidad. Se muestran los resultados de las simulaciones a través de gráficos que permiten valorar el comportamiento de las señales apoyadas en los datos de transmisión. Luego se presentan las conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y el glosario..

(13) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 4. CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. Las redes de comunicaciones se han desarrollado a lo largo de los años, la creciente demanda de ancho de banda ha motivado a la actualización de la infraestructura de red, comenzando una carrera por el incremento de la capacidad de trasmisión. La madurez tecnológica que han alcanzado las redes PON se debe a que requieren menos equipos que una red activa, adicionalmente la gestión se vuelve más sencilla para los proveedores de servicios permitiendo obtener mayores velocidades, mejores prestaciones y precios atractivos para el usuario. 1.1. Redes Ópticas Pasivas. En 1995, siete operadores de telecomunicaciones vislumbraron las posibilidades de las redes PON y fundaron la Red de Acceso Multiservicio (Full Service Access Network, FSAN) con el objetivo de unificar especificaciones para el acceso en banda ancha a los hogares. Los miembros de la FSAN desarrollaron una especificación de una red óptica totalmente pasiva que desde un nodo óptico atacaba a un número definido de usuarios utilizando la tecnología ATM y su protocolo de nivel 2 (FSAN, 2008). Una red óptica pasiva es una configuración de red que por sus características provee una gran variedad de servicios de banda ancha a los usuarios mediante accesos de fibra óptica, Entre los mismos se encuentran los servicios Triple Play, los cuales incluyen: telefonía, Internet de banda ancha y televisión (Hintze, 2012). Una arquitectura de red PON está formada por los siguientes equipos: un Terminal Óptico de Línea (Optical Line Terminal, OLT) en la central local del proveedor de servicios, una.

(14) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 5. Red de Distribución Óptica (Optical Distribution Network, ODN) y las Unidades de Red Ópticas (Optical Network Units, ONU) próximas a los usuarios de acceso(Lalangui, 2015 ). En la figura 1.1 se observa la arquitectura general de una red PON, así como sus componentes principales.. Figura 1.1. Ejemplo de arquitectura de una Red PON. (Martínez, 2013). Todas las transmisiones en una red PON se realizan entre la OLT y la ONU. Habitualmente la unidad OLT se interconecta con una red de transporte que recoge los flujos procedentes de varias OLT y los encamina a la cabecera de la red. La unidad ONU se ubica en el domicilio del usuario (Furukawa, 2012). Existen varias topologías adecuadas para el acceso a red, incluyendo topologías en anillo (no muy habituales), árbol, árbol-rama y bus óptico lineal. Cada una de las bifurcaciones se consiguen encadenando divisores ópticos 1x2 o bien divisores 1xN. Todas las topologías PON utilizan fibra monomodo para el despliegue. Todas las diferentes tecnologías PON dadas las longitudes de onda con las que operan son capaces de funcionar con fibras ópticas estándar, según ITU-T G.652, sin la necesidad de utilizar fibras especiales (Abreu et al., 2009). En el sentido descendente una PON es una red punto a multipunto. El equipo OLT maneja la totalidad del ancho de banda que se reparte a los usuarios en intervalos temporales. Mientras que en el sentido ascendente la PON es una red punto a punto donde múltiples ONU transmiten a un único OLT (Saborit and Rey, 2006). En la figura 1.2 se observa la topología en estrella de una red PON..

(15) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 6. Figura 1.2. Topología en estrella de una Red PON. (Telnet, 2009). La forma de optimizar las transmisiones de los sentidos descendente y ascendente sin entremezclarse consiste en trabajar sobre longitudes de onda diferentes utilizando la técnica de Multiplexación por División de Longitud de Onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM). La mayoría de las implementaciones superponen dos longitudes de onda, una para la transmisión en sentido descendente y otra para la emisión a la cabecera en sentido ascendente. Al mismo tiempo la arquitectura PON utiliza técnicas de Multiplexación por División de Tiempo (Time Division Multiple, TDM) para que en instantes determinados por el controlador de cabecera OLT, los equipos ONU puedan enviar su trama al canal ascendente. De manera semejante el equipo de cabecera OLT debe utilizar una técnica de Acceso Múltiple por División de Tiempo (Time Division Multiple Access, TDMA) para enviar de manera selectiva, en diferentes slots, la información a cada ONU (Telnet, 2009). En las arquitecturas PON se ha resuelto otro aspecto importante: la dependencia de la potencia de transmisión del equipo OLT con la distancia a la que se encuentra el equipo ONU, que puede variar hasta un máximo de 20 km. Evidentemente un equipo ONU muy cercano al OLT necesitará una menor potencia de su ráfaga para no saturar su fotodiodo. Los equipos muy lejanos necesitarán que su ráfaga temporal se transmita con una mayor potencia. Esta prestación también ha sido introducida en los transceptores ópticos PON, que han simplificado notablemente la electrónica anteriormente necesaria para actuar sobre un control de ganancia externo al transceptor. La nueva óptica miniaturiza, integra y simplifica el trabajo con ráfagas de diferente nivel de potencia (EXFO, 2012). Las tendencias para las tecnologías de acceso en los próximos 10 años irán hacia anchos de banda más simétricos. Compartir archivos multimedia, aplicaciones peer-to-peer y más.

(16) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 7. aplicaciones de uso intensivo de datos utilizadas por usuarios del hogar. Sin embargo, es difícil imaginar una completa simetría en aplicaciones residenciales debido a la enorme cantidad de ancho de banda requerido para HDTV y servicios de entretenimiento en general aunque los pequeños negocios podrían verse beneficiados por la simetría. Sin embargo, PON ofrece una alta tasa de datos de subida a los operadores de FTTH como una ventaja competitiva clave sobre DSL o los proveedores de cable (Añazco, 2013). 1.2 Características y funciones de los elementos de una red PON Como ya se ha visto, los elementos principales que componen una red PON son el OLT, la ODN y las ONU. A continuación se detallan las características y funciones generales de cada uno de estos elementos. 1.2.1 Terminal Óptico de Línea El OLT es el elemento activo situado en la central del proveedor. Del mismo parte el cable principal de fibra hacia los usuarios y se encarga de gestionar el tráfico hacia los usuarios o proveniente de ellos, es decir, realiza funciones de router para poder ofrecer todos los servicios demandados por los usuarios. Cada OLT suele tener la suficiente capacidad para proporcionar un servicio a cientos de usuarios. Además, actúa de puente con el resto de redes externas, permitiendo el tráfico de datos con el exterior. Algunos de los objetivos de los OLT son: . Realizar las funciones de control en la red de distribución: control de las potencias emitidas y recibidas, corrección de errores e interleaving.. . Coordinar la multiplexación de los canales de subida y de bajada. Cada OLT, adquiere datos de tres fuentes diferentes de información: la PSTN, Internet y el Video broadcast, actuando como concentrador de todas ellas (Prat, 2008). Así pues, el OLT de cabecera tiene conexión con las siguientes redes: 1) Red Telefónica Conmutada Pública (Public Switched Telephone Network, PSTN), para los servicios de voz; el OLT se conecta a través de un router de voz o un Controlador. gateway. de voz mediante el correspondiente Protocolo de. Gateway. de Medios de Comunicación (Media Gateway. Controller Protocol, MGCP)..

(17) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 8. 2) Internet, para los servicios de datos o VoIP; el OLT se conecta a través de un router o gateway IP/ATM de voz, mediante encapsulamiento IP sobre ATM. 3) Video broadcast (Video on Demand, VoD), para los servicios de videodifusión; el OLT se conecta directamente, o bien indirectamente a través de un router o gateway ATM. Sin embargo, el OLT no es un hardware único, sino que se subdivide en tres módulos o equipos diferentes, cada uno de ellos encargados de gestionar un tráfico determinado (Saheb and Patil, 2011). Así pues, existen tres componentes que conforman la OLT: 1) OLT Proveedor (Provider OLT, P-OLT). Este equipo tiene dos tareas fundamentales. Es el encargado de recoger las tramas de voz y datos agregadas que se dirigen hacia la red PON, procedentes de las redes PSTN e Internet, y las transforma en señales inyectables en las diferentes ramas de los usuarios por difusión a través del protocolo TDM. Para ello, utiliza una longitud de onda dedicada, siendo esta 1490 nm. Absorbe todas las tramas de voz y de datos procedentes de los ONT de usuarios, concentrándolos en una sola vía de escape en función de la naturaleza de los datos recibidos. Así pues el tráfico de voz lo redirige hacia la PSTN, y el tráfico de datos hacia la red Internet. Para ello, utiliza una longitud de onda dedicada, siendo esta 1310 nm. El P-OLT además de concentrar la información, y dividirla en función de su naturaleza (voz-datos), también se encarga de multiplexar el canal descendente (en dirección a los ONT) y ascendente (en dirección al OLT) a través de la misma fibra. 2) OLT de Video (Video OLT, V-OLT). Este equipo se encarga únicamente de transportar las tramas de video y video bajo demanda VoD procedentes de la red de videodifusión, hasta los ONT de los usuarios. Para ello, transforma las tramas de video en señales inyectables en las ramas de todos los usuarios (difusión), que viajan en una longitud de onda dedicada de 1550 nm. 3) OLT Multiplexador (Multiplexer OLT, M-OLT). Es un equipo multiplexor WDM que permite la multiplexación y demultiplexación entre las señales procedentes del P-OLT y VOLT. .En la figura 1.3 se muestra la estructura del OLT:.

(18) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS 1490 nm. M-OLT. 1310 nm. P-OLT. 9. Tx. Rx. 1550 nm. V-OLT. Figura 1.3. Estructura de una OLT.. 1.2.2. Red de Distribución Óptica. La Red de Distribución Óptica brinda la comunicación entre el OLT y el usuario y viceversa. Consta básicamente de dos elementos: la fibra óptica y un splitter (divisor óptico pasivo). 1) La fibra óptica La fibra óptica es un medio guiado para transmitir información en forma de luz (visible o infrarroja), muy utilizada en la actualidad por las ventajas que ofrece en relación a otros medios como: el par trenzado, cable coaxial, aire, etc. Las ventanas típicas en las que opera la fibra óptica son los 850, 1310 y 1550 nm de longitud de onda correspondiente a la luz infrarroja, sin que esto signifique que en la fibra óptica no opere la luz visible, la cual, tendrá una mayor atenuación que el infrarrojo (Oviedo, 2011). En el transmisor se necesita un conversor electroóptico para pasar señales eléctricas a señales luminosas, mientras que en el receptor se necesitará un conversor óptico-eléctrico que transforma las señales ópticas a eléctricas. La tecnología PON implica la distribución de las señales sin usar elementos activos en la red hasta el cliente. Usan divisores ópticos, divisores por longitud de onda, etc. Cuando la fibra llega hasta el edificio, en general termina con fibra hasta el terminal del cliente a través de un divisor final (Bocalandro, 2006). En otros casos se usa el acceso final por par de cobre y VDSL2 o cable coaxial y enlaces por Especificación de Interfaz para Servicios de Datos por Cable (Data Over Cable Service Interface Specification, DOCSIS) en las redes de los operadores de TV (Añazco, 2013)..

(19) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 10. Básicamente existen tres configuraciones (López, 2016). En la figura 1.4 se muestran las diferentes configuraciones de fibras ópticas. a) Fibra monomodo de índice escalonado. Este tipo de fibra posee un núcleo suficientemente pequeño (normalmente entre 5 y 10 µm de diámetro) para que atraviese un solo haz de luz. El índice de refracción del núcleo de vidrio aproximadamente es de 1,5 y del revestimiento varía dependiendo del material con el que esté construido. Para longitudes de onda mayores a su longitud de onda de corte, este tipo de fibra transmite un solo modo. b) Fibra multimodo de índice escalonado. Esta configuración es similar a la monomodo con la diferencia que el núcleo central es más grande (típicamente entre 50 y 100 µm de diámetro aunque puede ser de mayor longitud), lo que permite que más de un haz de luz pase por dicho núcleo. No todos los haces de luz tienen la misma trayectoria y en consecuencia no todos tardan lo mismo en recorrer la longitud de la fibra. c) Fibra multimodo de índice gradual. En estas fibras el índice de refracción varía, siendo máximo en el núcleo y disminuyendo hacia el extremo opuesto. El haz de luz se propaga por refracción, un haz pasa de una zona menos densa a otra más densa cuando el rayo viaja diagonalmente desde el exterior del núcleo hacia su centro, los haces que viajan en la zona más cercana al centro recorren menos distancia que los que viajan en la zona más externa, pero los rayos que viajan más alejados al núcleo van a mayor velocidad. El núcleo tiene entre 50 y 85 µm de diámetro aunque puede ser mayor.. Figura 1.4. Configuraciones básicas de la fibra óptica. (Castillo and Figueroa, 2013).

(20) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 11. 2) El Divisor óptico o Splitter El Divisor Óptico es un elemento pasivo situado a lo largo del tramo que se extiende entre el OLT y sus respectivas ONU. Sus funciones básicas son las de multiplexar y demultiplexar las señales recibidas. Por otra parte, son dispositivos de distribución óptica bidireccional. Por tanto es capaz de realizar las siguientes funciones(Abreu et al., 2009): . La señal que accede por el puerto de entrada (enlace descendente), procede del OLT y se divide entre los múltiples puertos de entrada.. . Las señales que acceden por las salidas (enlace ascendente), proceden de los ONT (u otros divisores) y se combinan en la entrada.. Se puede considerar como el elemento más importante de la red, ya que ofrece la posibilidad de tanto de juntar como de dividir las señales, haciendo más económico el despliegue y el mantenimiento de la red. Al mismo tiempo, por el hecho de ser un elemento totalmente pasivo no requiere energización externa (Marchukov, 2011). Posee tan sólo un inconveniente, y es que introduce pérdidas de potencia óptica sobre las señales de comunicación, que son inherentes a su propia naturaleza. Estas pérdidas se pueden calcular porque están relacionadas con el número de salidas del divisor: Atenuación divisor= 10 log (1/N), donde N es el número de salidas del divisor. En la tabla 1.1 se pueden observar las pérdidas promedio por splitter: Tabla 1.1. Atenuación Splitters. (Carmona and Montes, 2009) Splitter. Atenuación (dB). 1:2. 4,3. 1:4. 7,6. 1:8. 11,1. 1:16. 14,1. 1:32. 14,5. 1:64. 20,8.

(21) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 12. Existen diversos tipos de divisores, debido a que no todos se construyen a partir de la misma tecnología. No obstante, los divisores más habituales son de dos tipos: . Para dispositivos con gran número de salidas (> 32 salidas), se utilizan divisores realizados basándose en tecnología planar.. . Para dispositivos con menor número de salidas (< 32 salidas), se utilizan divisores realizados a base de acopladores bicónicos fusionados.. 1.2.3. Terminal Óptico de Red. Los ONT son los elementos encargados de recibir y filtrar la información destinada a un usuario determinado procedente de un OLT. Además, de tomar la información y dársela al usuario en un formato adecuado, cumple la función inversa. Es decir, encapsula la información procedente de un usuario y la envía en dirección al OLT de cabecera, para que este la redireccione a la red correspondiente (Marchukov, 2011). Existen dos tipos de ONT según la función que desempeñen: . ONT del Hogar (Home ONT, H-OLT), instalado directamente dentro de la vivienda para otorgar servicios a un usuario en particular. Instalado en redes FTTH.. . ONT de Edificio (Building ONT, B-ONT), preparado para ser instalado en los cuartos de comunicaciones de los edificios privados o empresas, y que se encuentran capacitados para dar servicio a varios usuarios conectados a él a través de un repartidor. Este tipo de ONT se instala en redes FTTB.. El filtrado de la información recibida en el ONT, se lleva a cabo a través del Método de Encapsulación PON (PON Encapsulation Method, PEM) (Añazco, 2013). La trama, consta de tres campos: . Cabecera (Header): este campo contiene información sobre sincronización de la trama.. . CRC: que permite conocer si la información enviada ha llegado correctamente y sin errores a su destino.. . Carga útil (Payload): son los datos a enviar.. A continuación en la figura 1.5 se muestran los campos de la trama PEM:.

(22) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. HEADER. CRC. 13. PAYLOAD. Figura 1.5. Campos de la trama PEM.. Una vez realizado el filtrado y obtenido la información que interesa, el ONT debe diferenciar las señales de video (que proceden del V-OLT) y las tramas de voz y datos (procedentes del P-OLT). Para realizar este segundo filtrado, el módulo electroóptico posee dos fotodiodos: un Fotodiodo Analógico (Analogic Photo-Diode, APD) y un Fotodiodo Digital (Digital Photo-Diode, DPD) (Marchukov, 2011). A parte del filtrado de la información recibida, el ONT es capaz de enviar información al OLT de cabecera en una longitud de onda dedicada de 1310 nm. Para ello dispone de un Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode, LED) encargado de enviar señales luminosas. Para evitar la colisión entre las tramas enviadas por los ONT se recurre a la Multiplexación por División en el Tiempo, la cual es gestionada por el OLT, encargado de asignar intervalos de tiempo a cada ONT. 1.3 Sistemas unidireccionales y sistemas bidireccionales Los sistemas de transmisión unidireccionales necesitan utilizar dos fibras, una para el canal de subida y otra para el canal de bajada. Por lo contrario, los sistemas bidireccionales disponen solo de una fibra para ambos canales, de subida y de bajada. Para el transporte de la información en los sistemas unidireccionales se dispone de una capacidad de W canales (longitudes de onda) para cada cable de fibra óptica (W para el enlace ascendente y W para el enlace descendente). Mientras que en las redes bidireccionales se tiene una capacidad total de W canales, es decir W/2 canales para la subida de datos y W/2 para la bajada (Marchukov, 2011). En la figura 1.6 se muestra la estructura de los dos sistemas explicados. Debido a esto, vamos a comparar ambos sistemas en función de la capacidad de cada uno: . Las redes unidireccionales son superiores a las redes bidireccionales, debido a que poseen el doble de canales que las bidireccionales..

(23) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. . 14. La amplificación resulta más sencilla en los sistemas unidireccionales, pero tanto la ganancia como el nivel de potencia que se obtienen a la salida son mejores en los sistemas bidireccionales.. . Los sistemas bidireccionales requieren una banda de guarda entre canales para evitar las interferencias. W longitudes de onda. W longitudes de onda. Sistema Unidireccional W/2 longitudes de onda. W/2 longitudes de onda. Sistema Bidireccional. Figura 1.6. Esquema de sistema unidireccional y bidireccional.. 1.4 Estándares de la tecnología PON La tecnología PON es una arquitectura que ha transitado por varios estándares de calidad y de operación bien delimitados por la UIT-T y la IEEE en algunos casos. La tecnología se divide básicamente en dos, la basada en ATM y la que se basa en Ethernet. La tecnología más usada en la actualidad es la GPON, que es el resultado de las redes PON que se manejan con ATM. Las redes de fibra ópticas pasivas que se utilizan en su totalidad, incluyendo la de la última milla, toman impulso gracias a la reducción de la fibra óptica y el vertiginoso crecimiento de la demanda de datos en el área residencial. A continuación se ofrecen los diferentes estándares que forman parte de la familia PON:.

(24) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 15. 1.4.1 Arquitectura APON Red Óptica Pasiva ATM (A-PON o ATM-PON) está definida en la revisión del estándar de la UIT-T G.983, el cual fue el primer estándar desarrollado para las redes PON. Los sistemas APON usan el protocolo ATM como portador. A-PON se adecua a distintas arquitecturas de redes de acceso. ATM PON provee el conjunto más rico y exhaustivo de características de Operación y Mantenimiento (Operation Administration and Maintenance, OAM) de todas las tecnologías PON (Espinosa, 2013). Como contrapartida, la interconexión de los equipos de cabecera APON OLT con las redes de transporte se realiza a nivel SDH/ATM, requiriendo una infraestructura de transporte de esta naturaleza. Por otro lado el ancho de banda de los equipos APON está limitado a 155 Mbps repartido entre los usuarios que componen el nodo óptico. Posteriormente este límite fue ampliado a 622 Mbps (Añazco, 2013). La transmisión de datos en el sentido descendente se realiza con una corriente de ráfagas de celdas ATM de 53 bytes cada una, con 3 bytes para la identificación del ONT. Para el canal ascendente, en cambio, se utilizan ráfagas de 54 celdas ATM, de las cuales dos son de Mantenimiento y Operaciones del Nivel Físico (Physical Level Operations And Maintenance, PLOAM) que contienen información de destinos de cada celda y mantenimiento de la red. 1.4.2 Arquitectura BPON La Red Óptica Pasiva de Banda Ancha (Broadband PON, BPON) constituye una mejora de la tecnología APON, además posee sus características. La recomendación original especificada en la recomendación G.983.1 en la arquitectura BPON define una red simétrica de una capacidad de transmisión total de 155 Mbps, tanto en canal descendente como en ascendente. Esta especificación fue modificada en 2001 para permitir configuraciones asimétricas (622 Mbps descendente y 155 Mbps ascendente) y simétricas de mayor capacidad (622 Mbps), (UIT-T, 2005a). Sin embargo, y a pesar de presentar mejoras respecto a las redes APON, tenían un elevado costo de implantación, así como diversas limitaciones técnicas. De esta forma, se ha ido avanzando poco a poco para.

(25) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 16. solventar los problemas que suponía esta tecnología (Salt, 2015). Actualmente permite de forma asimétrica alcanzar velocidades de hasta 1,2 Gbps de la siguiente forma: . Canal descendente: 1,244 Gbps.. . Canal ascendente: 622 Mbps.. Algunas de sus características más importantes son (Cecilio, 2007): . Admiten una razón máxima de 32 divisores por OLT, y cada divisor admite un máximo de 64 salidas a usuarios (ONT). Esto supone un total de 2048 usuarios posibles por cada OLT.. . La máxima longitud de fibra que puede haber entre un OLT y un ONT es de 20 km.. . Se utiliza fibra monomodo estándar según la norma UIT-T G.652.. . El OLT es capaz de calcular la distancia que hay hasta cada ONT. El OLT envía un paquete a un ONT determinado y mide el retardo de ida y vuelta de dicho paquete. Esto supone una mejora del sistema en cuanto a transmisión, pues se evitan las colisiones entre los paquetes procedentes de distintos ONT.. . Utiliza protección de red. Los distintos esquemas son: . Tipo A: Una fibra adicional. . Tipo B: Duplicado de fibra y OLT. . Tipo C: Duplicado de toda la PON. . Tipo D: Duplicado independiente de fibras de alimentación y distribución. 1.4.3 Arquitectura EPON En enero de 2001, la IEEE configuró un grupo de estudio llamado Ethernet en la Última Milla. Este grupo de trabajo generó una nueva especificación de redes ópticas pasivas, denominada Ethernet PON (EPON). Esta nueva arquitectura se diferencia de las anteriores en que no transporta celdas ATM sino directamente tráfico nativo Ethernet. Usa el estándar 8b/10b (codificación de línea) y siempre que es posible, mantiene fielmente el espíritu de la recomendación 802.3, incluyendo el uso full dúplex de acceso al medio. Posiblemente el principal atractivo que presenta esta tecnología es su evidente optimización para el tráfico IP frente a clásica ineficiencia de las alternativas basadas en ATM..

(26) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 17. Además, la interconexión de islas EPON es mucho más sencilla que la interconexión de APON/BPON, GPON puesto que no requiere arquitecturas SDH para realizar el transporte WAN (Carvajal, 2014). Sus principales ventajas frente a los sistemas anteriores APON y BPON son: . Ofrece Calidad de servicio (QoS) en ambos sentidos, tanto descendente como ascendente.. . Facilita en gran medida la llegada con fibra hasta los abonados, pues los equipos con los que se accede son más económicos al usar interfaces Ethernet.. . La gestión y administración de la red se basa en el protocolo SNMP, lo cual permite reducir la complejidad de los sistemas de gestión de otras tecnologías.. Toda la arquitectura EPON trabaja a velocidades del orden de los Gigabits. Por lo tanto, el máximo ancho de banda que se ofrecerá a los usuarios depende del número de ONU que se encuentren conectadas a cada OLT. Si un nodo óptico diera servicio a 10 usuarios, la máxima capacidad del servicio por usuario sería de 1 Gbps/10 = 100 Mbps. Evidentemente con 100 usuarios por nodo óptico, el ancho de banda por usuarios se reduciría hasta los 10 Mbps. Las características principales de este tipo de red son: . La tasa binaria es simétrica: 1,244 Gbps tanto para el sentido descendente como para el sentido ascendente.. . Admite una razón de división máxima de 16 divisores por OLT.. . El tipo de fibra que se utiliza es monomodo estándar según la norma UIT-T G.652.. . La longitud máxima de la fibra no puede superar los 10 km.. El uso de EPON permite a los operadores de transporte eliminar los complejos y costosos elementos ATM y SDH, simplificando las redes y, de esta manera, disminuyendo el costo de implementación para los abonados. 1.4.4 Arquitectura VPON Gracias a una nueva variedad de transceptores ópticos es posible superponer una señal de video junto al tradicional caudal de datos de las redes ópticas pasivas A/B/GPON y EPON. Esta señal, transmitida a 1550 nm y modulada en frecuencia desde un láser ultra lineal tipo.

(27) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 18. CATV ubicado en la cabecera de la red, puede transportar el espectro UHF y VHF a todos los equipos ONU de la arquitectura PON. Esta señal es extraída en los equipos de usuarios por el transceptor óptico, amplificada utilizando un amplificador de banda ancha para el rango V/UHF y, directamente, puede ser introducida al conector de antena de televisores analógicos o decodificadores digitales. Este esquema de trabajo, denominado Video RF, Video PON o VPON no utiliza el ancho de banda de la señal de datos para encapsular las señales de video, sino que se trata de un esquema mucho más simplificado que puede ser implementado utilizando una cabecera tradicional analógica de televisión por cable disminuyendo de este modo el costo de los codificadores digitales de cabecera IP (y los decodificadores de usuario) para el transporte de las tramas MPEG2 (Carmona and Montes, 2009). 1.4.5 Arquitectura GPON La UIT-T empezó a trabajar sobre GPON en el año 2002. La principal motivación de GPON era ofrecer mayor ancho de banda, mayor eficiencia de transporte para servicios IP, y una especificación completa adecuada para ofrecer todo tipo de servicios. GPON está estandarizado en el conjunto de recomendaciones UIT-T G.984.x (x = 1, 2, 3, 4, 5). Fue aprobado en 2003-2004 en las recomendaciones G.984.1, G984.2 y G.984.3 (Millán, 2010). En la recomendación G.984.1 se describen las características generales de un sistema PON capaz de transmitir en ATM: su arquitectura, velocidades binarias, alcance, retardo de transferencia de la señal, protección, velocidades independientes de protección y seguridad. En la recomendación G.984.2 se describe una red flexible de acceso en fibra óptica capaz de soportar los requisitos de banda ancha de los servicios a empresas y usuarios residenciales. Las técnicas GPON permiten mantener la red de distribución óptica, el plano de longitud de onda y los principios de diseño de la red de servicio integral consignados en las recomendaciones G.983. Asimismo, aparte de acrecentar la capacidad de la red, las nuevas normas permiten un manejo más eficiente de IP y de Ethernet..

(28) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 19. Este estándar se basa en una capa de transmisión completamente nueva, GPON ofrece una estructura de trama escalable de 622 Mbps hasta 2,5 Gbps, así como soporte de tasas de bit asimétricas. La velocidad más utilizada por los actuales suministradores de equipos GPON es de 2,488 Gbps para sentido descendente y de 1,244 Gbps para sentido ascendente. Sobre ciertas configuraciones se pueden proporcionar hasta 100 Mbps por abonado (Sultan, 2011). La red de acceso es la parte de la red del operador más cercana al usuario final, por lo que se caracteriza por la abundancia de protocolos y servicios. El Método de Encapsulación (GPON Encapsulation Method, GEM) que emplea GPON es el que permite soportar cualquier tipo de servicio (Ethernet, TDM, ATM, etc.) en un protocolo de transporte síncrono basado en tramas periódicas de 125 µs. GPON permite a los operadores continuar ofreciendo sus servicios tradicionales (voz basada en TDM, líneas alquiladas, etc.) sin tener que cambiar los equipos instalados en las dependencias de sus clientes (Marchukov, 2011). GPON es un estándar muy potente pero a la vez muy complejo a la hora de implementar. El mismo ofrece: • Soporte global multiservicio: incluyendo voz (TDM, SONET, SDH), Ethernet 10/100 Base T, ATM, Frame Relay. • Alcance físico de 20 km. • Importantes facilidades de gestión, operación y mantenimiento, desde la cabecera OLT al equipamiento de usuario ONU. La tecnología GPON soporta muchos servicios de alta calidad y nuevos servicios que requieren gran ancho de banda, soporta voz, datos, videos y otras aplicaciones nuevas como la telemedicina, telepresencia, seguridad con cámaras de alta resolución, videoconferencias a tiempo real además de video de ultra resolución, video bajo demanda con servicios muy potentes, también juegos online e Internet de banda ancha sin restricciones. De entre las tecnologías xPON más usadas en el mundo (EPON y GPON), para el estudio de los sistemas bidireccionales en cuestión se opta por el estándar GPON por las siguientes razones (Romero, 2011): . Mayor tasa de transmisión, eficiencia y ancho de banda..

(29) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 20. . Mayor razón de división (1:64), permite mayor número de usuarios por OLT.. . Emplea el Método de Encapsulación que permite soportar cualquier tipo de servicio (Ethernet, TDM, ATM, etc.).. . Se basa en el procedimiento de entramado genérico GFP (Generic Framing Procedure) de la UIT-T G.7041. Permite a los operadores continuar ofreciendo sus servicios tradicionales sin tener que cambiar los equipos instalados en las dependencias de sus clientes.. . EPON solo admite el modo de transporte Ethernet mientras que GPON permite el transporte de señales de video tanto RF como IP.. . GPON implementa capacidades de OAM avanzadas, ofreciendo una potente gestión del servicio extremo a extremo.. . En cuanto a la calidad de servicio, GPON aventaja a EPON pues tiene el concepto integrado; gracias a un par de campos en sus frames que permiten identificar tipos de servicio y prioridad de los mismos, GPON es capaz de garantizar QoS. Por su parte, EPON, que no tiene mecanismos QoS incorporados a priori, utiliza distintas técnicas para poder suministrarlo de manera similar a como lo hace ATM.. En la tabla 1.2 se encuentra la comparación entre las diferentes tecnologías de redes PON. Tabla 1.2. Tecnologías PON. (Salt, 2015) APON/BPON. GPON. EPON. 155-622 Mbps. 622-1250-2500 Mbps. 1250 Mbps. (108-454 Mbps). (578-1160-2320 Mbps). (980 Mbps). 155-622 Mbps. 155-622-1250 Mbps. 1250 Mbps. (108-454 Mbps). (108-568-980 Mbps). (612,5 Mbps). 82% en Bajada. 93% en Bajada. 98% en Bajada. 73% en Subida. 93% en Subida. 97% en Subida. Max. 32 usuarios por puerto. Max. 64 usuarios por puerto. Max. 32 usuarios por puerto. Distancia Máxima. 20-25 km. 20-25 km. 20-25 km. Clase de Operación. Clase B o C. Clase B o C. Clase B o C. Velocidad del canal de bajada. Velocidad del canal de subida. Eficiencia.

(30) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS REDES ÓPTICAS PASIVAS. 21. 1.5 Conclusiones del capítulo Se realizó un estudio de las principales características de las redes PON, sus principales componentes, funcionamiento y los principales estándares que ofrece esta tecnología. Se puede concluir que una arquitectura de red PON está formada por los siguientes equipos: el OLT, una ODN y las ONU. Todas las topologías PON utilizan fibra monomodo para el despliegue. En el sentido descendente una PON es una red punto a multipunto, mientras que en el sentido ascendente la PON es una red punto a punto. La ODN consta básicamente de dos elementos: la fibra óptica y un splitter. Además, la tecnología PON es una arquitectura que ha transitado por varios estándares de calidad, estos son: APON, BPON, EPON, VPON y GPON. Entre las tecnologías mencionadas, GPON soporta muchos servicios de alta calidad y nuevos servicios que requieren gran ancho de banda, soporta voz, datos, videos y otras aplicaciones. Por último, de entre las tecnologías xPON más usadas en el mundo (EPON y GPON), para el estudio de los sistemas bidireccionales se opta por el estándar GPON por sus múltiples ventajas frente a las restantes..

(31) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 22. CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. En este capítulo se muestran los principales componentes que se utilizan en el diseño de cada sistema y se presentan los escenarios de simulación. 2.1. Breve introducción a OptiSystem. En la actualidad existe una gran variedad de programas que permiten simular redes de datos de fibra óptica. Se elige el simulador OptiSystem al presentar las características necesarias para el desarrollo de los sistemas GPON. Cabe resaltar que la empresa canadiense Optiwave, creadora de este software cuenta con una trayectoria de más de 15 años diseñando software de simulación para la investigación en el área de la electrónica y las redes ópticas, los cuales son muy utilizados a nivel mundial en el entorno académico y empresarial (Salt, 2015). El simulador OptiSystem permite hacer un diseño virtual de cualquier tipo de conexión óptica en la capa física, y el análisis de una amplia gama de redes ópticas, de los sistemas más sencillos de transmisión hasta los de larga distancia. El software puede ser utilizado en la simulación de las siguientes aplicaciones: diseño de las redes de CATV o TDM/ WDM, simulación de Redes Ópticas Pasivas basadas en FTTx, simulación de sistemas Free Space Optic y Sistemas Radio sobre fibra (ORP), simulación de anillo SONET / SDH, simulación y diseño de transmisores, canales, amplificadores y receptores y estimación de la BER en sistemas con modelos de receptores diferentes..

(32) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 23. Elementos utilizados en la simulación. 2.2. Dentro del simulador OptiSystem, existen diversos elementos que permiten la realización del diseño de red, los que se muestran a continuación son los utilizados en el diseño los sistemas bidireccionales GPON: . WDM Transmisor (OLT). A continuación en la figura 2.1 se muestra el transmisor WDM, este dispositivo hace la función de una OLT, es una matriz del transmisor que permite diferentes tipos de modulación, mediante el uso de diversos componentes agrupados en un solo elemento los usuarios pueden personalizar los diseños (OptiSystem, 2007). La OLT acopla la red de acceso a la red de transporte. Dentro de sus parámetros fundamentales se encuentran: número de puertos, frecuencia de operación, espaciamiento entre frecuencias, razón de transmisión, tipo de modulación, etc.. Figura 2.1. WDM Transmitter.. . Circulador Bidireccional. Este componente redirecciona la señal de un puerto a otro de forma secuencial dependiendo de la longitud de onda, la pérdida de inserción y pérdidas de retorno (OptiSystem, 2007). El mismo se muestra en la figura 2.2 y está conectado a la OLT y al splitter.. Figura 2.2. Circulator Bidirectional..

(33) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN . 24. Fibra bidireccional. La fibra óptica utilizada en el desarrollo de este diseño es fibra monomodo bidireccional estándar, la cual se observa en la figura 2.3. En el software este elemento simula la propagación bidireccional de las señales ópticas (OptiSystem, 2007). Esta fibra se emplea para conectar todos los elementos del diseño.. Figura 2.3. Fibra Óptica Bidireccional. . Splitter. Como se muestra en la figura 2.4, el splitter divide la señal de entrada a los puertos de salida, existen divisores ópticos de 1:2 hasta 1:64, en el diseño se utilizó para el primer escenario un divisor de 1:8 y para el segundo de 1:32, el mismo va conectado al circulador bidireccional en su puerto de entrada y a la salida se conectan las ONU.. Figura 2.4. Splitter 1xN Bidireccional. . ONU. La unidad óptica de red que se muestra en la figura 2.5 sirve de interfaz entre la red de acceso y la red interna de comunicación dentro de la casa del usuario, este dispositivo está conectado a los divisores ópticos (splitters) y a la salida se conecta un analizador BER, para estudiar el comportamiento de la señal que este recibe.. Figura 2.5. Optical Network Units (ONU)..

(34) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. . 25. 3R Regenerator – BER Analyzer. El 3R mostrado en la figura 2.6, es un subsistema basado en el componente de recuperación de datos y un generador de pulsos NRZ que regenera la señal eléctrica creando una secuencia de bits que se utilizará para el análisis de BER (OptiSystem, 2007). El Analizador BER que se encuentra conectado al 3R, estima la tasa de error de bits de la señal recibida y muestra su diagrama de ojo. Necesita tres señales para su funcionamiento: la señal binaria a transmitir, la señal eléctrica a transmitir y la señal eléctrica recibida.. Figura 2.6. 3R Regenerator y BER Analyzer. . Optical Spectrum Analyzer. En la figura 2.7 se muestra el analizador de espectro, este instrumento permite al usuario calcular y mostrar las señales ópticas en el dominio de frecuencia (OptiSystem, 2007). Puede mostrar la intensidad de la señal y la densidad espectral de potencia, se conecta a la OLT o a la ONU.. Figura 2.7. Optical Spectrum Analyzer.. . Medidor de la potencia óptica. El instrumento de la figura 2.8 muestra la potencia óptica media de la señal en dBm o en Watts de la señal en su entrada.. Figura 2.8. Electrical Power Meter Visualizer..

(35) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. . 26. Fotodetector APD. En la figura 2.9 se muestra un fotodiodo APD, caracterizado fundamentalmente por su responsividad y corriente de oscuridad.. Figura 2.9. Photodetector APD.. . Buffer Selector. El buffer selector se utiliza para seleccionar la señal asociada a una iteración específica de una serie de iteraciones. Su importancia reside en que filtra una iteración particular y solo la señal de esa iteración es enviada al detector. Las iteraciones se pueden cambiar. El parámetro Selection está puesto por defecto en 0. Si en el mismo se establece Iterations-1 (utilizando el modo Script) el componente envía la señal asociada a la iteración final de la serie de iteraciones (OptiSystem, 2007). En la figura 2.10 se muestra este componente:. Figura 2.10. Buffer Selector.. . Filtro Bessel Paso Bajo (LPF). El Filtro Bessel Paso Bajo (LPF) mostrado en la figura 2.11, se utiliza en los demoduladores y en los receptores. Filtra las señales tanto en el dominio del tiempo como en el dominio óptico. Este elimina los componentes de alta frecuencia de las señales transmitidas y permite el paso de las frecuencias que están dentro de la banda de paso del LPF. Por ello, filtra las frecuencias que estén por encima de la frecuencia de corte (Cutoff Frequency) (OptiSystem, 2007)..

(36) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 27. Figura 2.11. Bessel Filter.. 2.3. Escenarios de Simulación. A continuación se presentan los diferentes escenarios de simulación que se consideraron en este trabajo de diploma. La elección de la frecuencia de los canales a multiplexar, la separación entre canales, las velocidades binarias empleadas, el máximo alcance de la red, los valores de potencia de transmisión y recepción así como los parámetros de los componentes utilizados se corresponden con valores de la práctica; estos se encuentran estandarizados por la UIT-T en las RFC correspondientes. La tecnología GPON está estandarizada en el conjunto de recomendaciones UIT-T G.984.1 a la G.984.5 (Millán, 2010). El propósito de este proyecto es obtener una simulación lo más cercana posible a la operación real de una conexión GPON a 2,488 Gbps, este representa el peor caso posible en el que las velocidades de bajada y subida son iguales y las más altas que puede soportar el estándar, por lo que existe una mayor ocupación del canal. Se consideró solo una fibra óptica para llevar la señal de forma bidireccional. Dicha ruta representa la de mayor distancia entre el OLT y ONT establecido para esta tecnología. Como se había explicado con anterioridad esta distancia es de 20 km. 2.3.1 Escenario de simulación 1: Red GPON de 8 ONU El primer escenario representa una red GPON bidireccional que posee 8 ONU. La simulación tiene los valores que se muestran en la figura 2.12. La tasa de bits del diseño es de 2,488 Gbps con una ventana de tiempo de 0,41 ms y cada secuencia con una longitud de 1024 bits y 32 muestras por bit, obteniéndose 32768 muestras..

(37) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 28. Figura 2.12. Parámetros Globales de la simulación.. La ventana de tiempo de la simulación es compartida por todos los elementos de simulación y define la frecuencia de separación en el dominio de la frecuencia, lo que implica que la señal de la muestra tendrá la misma separación. El parámetro Time Window es = Sequence Length / bit rate. Calculado automáticamente por el software. La longitud de la secuencia es el número de bits utilizados en potencias de dos. El número de muestras por bit se utiliza para convertir la señal muestreada a una señal discreta y también potencia de dos. El número de muestras se obtiene del producto del número de muestras y el número de la longitud de la secuencia (Number of samples) = Sequence Length * Samples per bit (López, 2014). El esquema de la figura 2.13 muestra el diseño completo de la red. Para la mejor comprensión se dividirá en los tres bloques fundamentales que conforman una red PON..

(38) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 29. Figura 2.13. Escenario completo de simulación de la red GPON.. En varios puntos a lo largo del circuito se colocaron visualizadores para el análisis, como medidores de potencia óptica, analizadores de espectro y visualizadores del espectro en el dominio del tiempo, lo que permite obtener información a lo largo del sistema óptico para poder ver el comportamiento del sistema y su correspondencia con los estándares que definen esta tecnología. La simulación se desarrollará en tres módulos: . El módulo de OLT consta de dos transmisores ópticos, uno para transmitir voz y datos a una longitud de onda de 1490 nm, otro para la transmisión de video en una longitud de onda de 1550 nm y un fotodetector para recibir la señal en una longitud de onda de 1310 nm.. . El segundo módulo está constituido por el circuito de fibra óptica que va desde la OLT a las ONU, aquí se encuentra la sección de divisor óptico y la distribución.. . El tercer módulo se compone de las ONU ubicadas generalmente en lugar del usuario final; consta de dos fotodetectores APD, para recibir las señales ópticas en.

(39) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 30. las longitudes de onda de 1490 nm y 1550 nm y un transmisor óptico para transmitir voz y datos a una longitud de onda de 1310 nm. Una vez creado el nuevo proyecto en OptiSystem, se inicia la creación del circuito mediante la colocación de los elementos ópticos. Para la creación del bloque OLT se colocaron dos transmisores ópticos WDM tal y como se muestra en la figura 2.14 con las siguientes características: el primero con una longitud de onda de 1490 nm para simular el tráfico de bajada de voz y datos, el segundo con una longitud de onda de 1550 nm para simular la señal de vídeo analógica. Ambos con una potencia de salida de la señal óptica de 2 dBm y una razón de extinción de 15 dB. La tasa de transmisión de datos es de 2,488 Gbps, con una codificación NRZ.. Figura 2.14. Propiedades de los Transmisores WDM de la OLT.. Para unir las dos señales en la misma fibra óptica se colocó una WDM Mux 2x1, este bloque multiplexa las señales de longitud de onda de 1490 nm y 1550 nm respectivamente en la misma fibra. En la figura 2.15 se muestran sus propiedades. Este elemento óptico es considerado sin atenuación, pues forma parte de un solo elemento, la OLT, que ya posee una atenuación global definida..

(40) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 31. Figura 2.15. Propiedades del WDM 2x1.. El siguiente elemento es un circulador óptico bidireccional, que le permite hacer la transmisión ascendente y descendente por una misma fibra. A partir del bloque circulador óptico bidireccional y hasta el divisor óptico se compone la red de alimentación formada por cables de fibra óptica y divisores ópticos. El cable de fibra óptica cumple con la Recomendación ITU-T G.652.D con una atenuación de 0,3 dB/km en fibra monomodo. En la figura 2.16 se muestran las propiedades del cable de fibra óptica bidireccional, contiene varias pestañas y en la principal, se presentan parámetros como la longitud de onda de referencia, la distancia y la atenuación.. Figura 2.16. Propiedades para el cable de fibra óptica bidireccional.. La ruta en cuestión se compone esencialmente del cable de fibra óptica desde el circulador óptico bidireccional hasta el divisor. Con el propósito de observar su comportamiento, se.

(41) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 32. colocó un analizador de espectro para comprobar confirmar si la longitud de onda se mantiene sin cambios y para determinar las variaciones de potencia. A continuación se analiza el divisor óptico, en el diseño se utilizó un Splitter bidireccional 1x64, en la figura 2.17 se muestra este y sus propiedades.. (a). (b) Figura 2.17. (a) Bloque divisor óptico o splitter. (b) Propiedades.. Las ONU, como puede observarse en la figura 2.18, se representan como un bloque subsistema, es decir, un bloque con componentes internos, que consta de más de un elemento, con dos entradas y dos salidas. El regenerador 3R recupera la señal de entrada,.

(42) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 33. que se envía al analizador de BER, este último examina el valor de la proporción de bits errados y así obtiene el diagrama de ojo del sistema, que permite a su vez, obtener el factor de calidad.. Figura 2.18. Bloques ONU.. En la figura 2.19 se pueden observar los componentes internos del subsistema creado, esto constituye una de las facilidades que brinda el software OptiSystem a la hora de realizar el diseño, ya que permite efectuarlo de una manera más organizada y mediante estructuras en bloque..

(43) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 34. Figura 2.19. Componentes internos de las ONU.. El transmisor del canal ascendente, es exactamente igual al de datos y voz para el canal descendente, con la diferencia que este está operando a una longitud de onda de 1310 nm y se han agregado selectores dinámicos, obsérvese la figura 2.19. En base a un slot de tiempo definido para cada ONT, y en base a un script en los selectores simulan el proceso de TDMA. En cada ONT se agrega un parámetro, como se observa en la figura 2.20, el mismo se ha denominado como Time Slot, y es diferente en cada ONT, este parámetro, es utilizado por los dos selectores para definir un intervalo de tiempo durante el cual el ONT puede transmitir, y como es diferente para cada uno, el intervalo de tiempo también será diferente, tal y como se observa..

(44) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 35. (a). (b) Figura 2.20. (a) Time Slot ONU 1. (b) Time Slot ONU 2.. Como se observa en la figura 2.21, los enlaces contienen tres colores diferentes, que corresponden a tres tipos de señales. Con el color verde se llevan las señales ópticas, las conexiones con el azul representan las señales eléctricas y con el color rojo se muestran las señales binarias generadas por un generador de secuencia de bloque de bits pseudoaleatorios incluidos en el regenerador 3R.. Figura 2.21. Vista de los 3R Regenerators.. El circuito del receptor óptico para señales de longitud de onda igual a 1310 nm ubicado en el OLT se compone de los elementos que se muestran en la figura 2.22. Al igual que en el subsistema de la ONU se emplea un regenerador 3R para utilizar el bloque analizador de BER. A este circuito llegan las señales eléctricas de salida de las ONU y salen tres señales..

(45) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 36. En el primer puerto de salida tiene una secuencia de bits, el segundo, la señal modulada NRZ y el tercero una copia de la señal de entrada.. Figura 2.22. Receptor óptico.. En la configuración de los receptores se utilizan fotodetectores APD que detectan la señal óptica que se filtra por un filtro de paso bajo de Bessel de orden 4 con un valor de frecuencia de corte aproximadamente igual 1866 MHz como se puede apreciar en la figura 2.23. Este tipo de filtro de Bessel es el más adecuado para los sistemas WDM, porque elimina gran parte del ruido generado por el fotodetector en la conversión de la señal óptica a señal eléctrica.. Figura 2.23. Propiedades del Filtro Bessel.. Los fotodetectores APD fueron elegidos porque son más sensibles que los fotodetectores PIN, con el fotodetector PIN no se pudo obtener el diagrama de ojo deseado. Estos datos al pasar por el buffer selector, son almacenados conforme llegan a la OLT, como se aprecia en la figura 2.24 para así poder visualizar todos los datos recibidos..

(46) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 37. (a). (b) Figura 2.24. (a) Propiedades del fotodetector APD. (b) Propiedades del Buffer Selector.. 2.3.2 Escenario de simulación 2: Red GPON de 32 usuarios ONU En este escenario se muestra el diseño de una red GPON básica. Sus componentes principales: OLT, splitter y ONU. En este caso la prueba se realizó con las mismas características y propiedades que el escenario anterior, lo que varía en el mismo es que en el primer diseño se utilizaron 8 ONU y en el segundo 32 ONU. El valor de potencia de excitación que se utilizó para los transmisores es 7 dBm. En la figura 2.25 se muestra la estructura en bloques de la red diseñada, con una razón de 2,488 Gbps.. OLT. Splitter. ONU 1. . . . ONU 32. Figura 2.25. Esquema básico de red GPON para 32 usuarios ONU.. El objetivo fundamental de esta práctica es analizar cómo se deteriora la señal, el factor de calidad (Q) y la Probabilidad de Bits Erróneos (BER) cuando se incrementa la capacidad de.

(47) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 38. usuarios ONU. En este caso solo se llegó a 32 usuarios debido a que al incrementar hasta 64 ONU, los valores de potencias necesarios para impedir errores catastróficos excederían al establecido por el estándar GPON y para evitarlo se necesitan colocar etapas amplificadoras. En este caso para no cambiar el escenario básico de la simulación solo se empleó dicha cantidad de usuarios. En la tabla 2.1 se muestran los parámetros fundamentales que se consideraron para la confección de las redes GPON de 8 y 32 ONU, estos son: potencia de transmisión, longitud de onda de trabajo para los canales de voz y datos y para el de video, razón de transmisión, razón de división para los splitters. Tabla 2.1. Parámetros utilizados en el diseño de ambos sistemas bidireccionales GPON.. Red GPON de 8 ONU. Red GPON de 32 ONU. 2 dBm. 7 dBm. 2,488 Gbps. 2,488 Gbps. 1490 nm. 1490 nm. 1550 nm. 1550 nm. Monomodo. Monomodo. Razón de División del Splitter. 1:8. 1:32. Potencia de Transmisión ONU. 2 dBm. 7 dBm. 2,488 Gbps. 2,488 Gbps. 1310 nm. 1310 nm. Potencia de Transmisión OLT Razón de Transmisión OLT Longitud de Onda de Transmisión para el canal de Voz y Datos Longitud de Onda de Transmisión para el canal de Video Tipo de Fibra Bidireccional. Razón de Transmisión ONU Longitud de Onda de Transmisión ONU.

(48) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 39. 2.4 Conclusiones del capítulo En este capítulo se ofrecieron los requerimientos fundamentales para realizar una corrida en OptiSystem y se mostraron los instrumentos virtuales y los componentes necesarios para el montaje de la red GPON. Se presentaron las características de los escenarios simulados y los parámetros de los componentes utilizados. A partir de la tabla 2.1 se puede concluir que de un sistema a otro las diferencias no son significativas, el comportamiento en los diferentes casos es similar, la mayor diferencia se aprecia debido al aumento de la razón de división del splitter, en el primer escenario la misma tiene un valor de 1:8 y en el segundo de 1:32, por lo que la potencia de transmisión varía de 2 dBm a 7 dBm, como resultado del incremento de la cantidad de usuarios ONU..