DWDM puede ayudar a la exhausta fibra, su valor se extiende más allá de esta simple ventaja, en SONET/SDH el aumento de la capacidad es la base de tirar más cable o ampliarlo, pero DWDM hace más que esto, porque lo que le da valor añadido en las redes metropolitanas, es su rápido y flexible aprovisionamiento de protocolos del DWDM, transparente en cuanto a la velocidad, centralización de datos, servicios protegidos, junto a la posibilidad de ofrecer nuevas y más altas velocidades a menor costo
Las Redes DWDM deben ser capaces de soportar la amplia gama de servicios que se implementan sobre TDM (SONET o PDH) y ATM, además debe soportar conexiones de redes punto a punto, anillo, permitir la conectividad entre anillos, mallas y topología de estrella mientras provee la combinación de redes de banda ancha y transporte óptico.
Figura 1. Arquitectura de la Red.
El subsistema tributario permite proveer de forma directa de una variedad de servicios desde conexiones LAN, IP y servicios ATM hasta los tradicionales servicios de voz, porque múltiples servicios pueden ser adaptados a un formato común y de esta forma se conforman los paquetes y son multiplexados para que los recursos se puedan compartir eficazmente.
El subsistema de multiplexación debe llevar a cabo la conformación de los paquetes y el múltiplex basado en ATM, en SONET ó la combinación de los dos, donde la combinación ATM/SONET se beneficiará de las ventajas de ambos sistemas.
La capa WDM proporciona la flexibilidad para mapear el tráfico generado en las longitudes de onda múltiple y la topología básica es un anillo de Fibra Óptica que interconecta varios puntos de acceso que usan los canales ópticos.
Figura 2. Anillo de Fibra con diferentes conexiones.
En esta topología, un solo par de fibra conecta muchos elementos y les permite que transporten el tráfico entre si y hacia cada uno de ellos, la configuración en anillo es la de máxima conectividad con mínimo de ramas, permitiendo la constitución de redes gestionables flexibles además es tolerante a fallos, una estructura en anillo permite protección eficiente al establecer los canales de servicio y de protección por caminos diferentes. Cada punto de acceso ofrece un Multiplexor Add/Drop óptico que agrega y extrae canales ópticos hacia y desde el anillo, además cada punto de acceso debe procesar el tráfico según la capa y el protocolo con el tráfico asociado, como SONET, ATM, TDM, IP, etc, los canales de WDM son utilizados para conectar a los nodos en el anillo y soportar la conectividad punto a punto entre ellos y los sistemas de protección deben aplicarse para que el canal óptico se transmita en ambas direcciones en el anillo y el receptor selecciona la señal con más calidad, además si una de las trayectorias se interrumpe se conmuta la otra.
II.1.- Conexión entre anillos.
La Red Óptica debe soportar la interconexión de muchos anillos para formar una red de área metropolitana multi-anillo, las opciones de topologías adicionales como son la malla y estrella también deben ser asimiladas.
Una red de anillo dual se muestra en la figura 3, donde pueden ser implementados canales adicionales ajenos al DWDM fuera de los anillos y pueden usarse para protección o para aumentar el ancho de banda que puede cruzar entre los anillos.
Figura 3. Anillo de Fibra Dual.
II.2.- Capa Óptica.
La capa óptica en una arquitectura de DWDM provee el transporte óptico para las capas superiores. (SONET y ATM)
La función principal de la capa óptica será que consiste en transformar las señales eléctricas de las capas superiores a las longitudes de onda definidas por las Recomendaciones de la UIT-T para los sistemas DWDM en la banda de los 1550nm, además debe cuidar que el BER de extremo a extremo de cada canal óptico debe ser mejor que 10-12.
Los Amplificadores ópticos deben ser capaces de lograr amplificar la señal sin necesidad de llevar a cabo la regeneración óptico-eléctrico-óptico para mayores distancias.
Los sistemas de administración de la red deben supervisar los canales ópticos proporcionando una gestión eficiente y un rendimiento óptimo facilitando el manejo de la capa óptica y detectando cualquier falla potencial en la red.
II.3.- Equipos utilizados en las Redes Ópticas.
En las Redes Ópticas se emplean diferentes equipos, como el caso de los EDFA y los multiplexores Add/Drop ópticos tratados anteriormente, ahora nos referiremos entonces a otro equipo que es el elemento que más flexibilidad dota a una Red Óptica: Los Transconectores Ópticos (Cross Connect Óptico o OXC)
Figura 4. Transconductor Óptico.
Por matriz de conmutación óptica (OXC), se suelen entender dos elementos diferentes: El Conmutador Espacial de fibra y el Reencaminador en longitud de onda, en ambos casos un conjunto de Fibras Ópticas de entrada se conecta con otro conjunto de fibras de igual número de salida, en el primer caso todas las señales ópticas de una fibra de entrada se encaminan hacia otra de salida y en el segundo las portadoras ópticas de las fibras de entrada se reencaminan hacia las de salida de forma individual.
Figura 5. Funciones de un Transconectores Óptico.
El tamaño de la matriz de conmutación lo determina el número de fibras, no el de longitudes de onda y en un conmutador óptico son necesarios tantos conmutadores espaciales individuales como longitudes de onda y el número de puertos de cada conmutador espacial son iguales al de fibras de entrada. (Igual al de salida). Los OXCs permiten el establecimiento de enlaces ópticos en longitudes de onda individuales entre elementos de diferentes subredes. Los Transconectores Ópticos al igual que sus homólogos de SONET trabajan con independencia de la señal y con ausencia de bloqueo de esta, es decir, una señal puede conectarse a cualquier salida e incluso a varias salidas, por ejemplo la distribución de la señal de TV.
Limitaciones de las Redes Ópticas
Actualmente la implementación de redes totalmente ópticas presenta algunos inconvenientes, los cuales se mencionan a continuación:
Escasa madurez con dispositivos DWDM recientes.
Existencia de dispersión cromática y por modo de polarización en las fibras ya instaladas.
Acumulación de diferencias de ganancias para distintas longitudes de onda en redes con EDFA en serie.
La conmutación de paquetes sobre las capas ópticas obliga a disponer de buffers de almacenamiento en los nodos ópticos.
Los dispositivos sintonizables son caros y tienen rango de sintonía baja lo que reducen la cantidad de canales a Multiplexar.
Ausencia de métodos efectivos de administración y gestión de redes.
Redes Ópticas Pasivas. (PON- Passive Optical Networks)
En los últimos años, la Sociedad de la Información ha experimentado un rápido desarrollo debido en gran parte a la mayor competitividad impulsada por la desregulación del mercado de las Telecomunicaciones y a la aparición de nuevos servicios de banda ancha, el resultado de estos dos factores se ha traducido en una necesidad de mejores las redes de comunicaciones para que sean capaces de ofrecer un mayor ancho de banda a un menor coste, en la actualidad la tecnología ADSL es la estrella indiscutible en el panorama europeo, ya que es una tecnología que sigue explotando el bucle de abonado en cobre. Por otro lado, la demanda de los usuarios es cada vez mayor porque la necesidad de aumentar el ancho de banda ha hecho replantear a los operadores consolidados y emergentes sus estrategias, comenzando una carrera por la duplicación de la velocidad de sus líneas que a los ojos del profano parece no tener fin, sin embargo, ADSL cuenta con una limitación técnica importante: El máximo ancho de banda que puede ofrecer no supera en ningún caso los 8Mbps en canal descendente y los 4Mbps en canal ascendente, además estos valores disminuyen drásticamente a medida que el usuario se aleja de la central.
En vista a lo planteado anteriormente se dice que la tecnología de la Fibra Óptica se presenta como una firme solución al problema gracias a la robustez, a su potencial ancho de banda ilimitado y al continuo descenso de los costes asociados a los láseres y si a lo dicho anteriormente unimos que las nuevas construcciones (nuevas urbanizaciones, nuevos bloques de viviendas, centros comerciales) ya integran cableado estructurado de Fibra Óptica Monomodo por su bajo coste marginal en el proyecto, estamos hablando de un escenario completamente abonado para poder desplegar soluciones de conectividad en Fibra Óptica que directamente lleguen hasta la vivienda, y si por otro lado hablamos de arquitecturas de futuro, que son las conocidas Redes PON se postulan como una apuesta fiable, porque su costo contenido en equipamiento electroóptico y la eficiencia de las topologías árbol-rama aportan un incentivo adicional frente a los despliegues tradicionales basados en conectividad punto a punto.
IV.1.- Características comunes de los sistemas PON.
Las Redes Ópticas Pasivas (PON) toman su modelo de las redes CATV recicladas para ofrecer servicios de banda ancha mediante la habilitación del canal de retorno, una red CATV está compuesta por varios nodos ópticos unidos con la cabecera a través de Fibra Óptica de los cuales se derivan mediante una arquitectura compartida de cable coaxial, los accesos a los abonados, habitualmente en CATV cada nodo óptico ataca a un determinado número de usuarios (en función del ancho de banda que se quiere asignar a los usuarios) utilizando cable coaxial y Splitters (divisores) eléctricos, por ello las Redes Ópticas Pasivas sustituyen el tramo de coaxial por Fibra Óptica Monomodo y los derivadores eléctricos por divisores ópticos, para de esta manera la mayor capacidad de la fibra permite ofrecer unos anchos de banda mejorados en canal descendente y sobre todo en canal ascendente, superando la limitación típica de 36Mbps de los sistemas cable-modem DOCSIS y EURODOCSIS por nodos ópticos.
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Figura 6. Modelo de las Redes.
Esta nueva arquitectura es una evolución de menor coste a alternativas tradicionales como las redes punto a punto o las redes conmutadas hasta la manzana, puesto que reducen el equipamiento necesario para la conversión electroóptica y prescinden del equipamiento de red de alta densidad necesario para la conmutación.
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Figura 7. Arquitectura punto a punto vs punto-multipunto con Switch.
Las arquitecturas PON están centrando la atención de la industria de las Telecomunicaciones como una manera de atacar a la problemática de la última milla, puesto que presenta evidentes ventajas:
Las Redes PON permiten atacar a usuarios localizados a distancias de hasta 20Km desde la central (O nodo óptico), dicha distancia supera con creces la máxima cobertura de las tecnologías DSL. (Máximo 5Km desde la central)
Las Redes PON minimizan el despliegue de fibra en el bucle local al poder utilizar topologías árbol-rama mucho más eficientes que las topologías punto a punto, además de que este tipo de arquitecturas simplifica la densidad del equipamiento de central, reduciendo el consumo.
Las Redes PON ofrecen una mayor densidad de ancho de banda por usuario debido a la mayor capacidad de la fibra para transportar información que las alternativas de cobre (xDSL y CATV)
Como arquitectura punto-multipunto, las Redes PON permiten superponer una señal óptica de Televisión procedente de una cabecera CATV en otra longitud de onda sin realizar modificaciones en los equipos portadores de datos. (ver apartado: Tecnología VPON)
Las Redes PON elevan la calidad del servicio y simplifican el mantenimiento de la red, al ser inmunes a ruidos electromagnéticos, no propagar las descargas eléctricas procedentes de rayos, etc.
Las Redes PON permite crecer a mayores tasas de transferencia superponiendo longitudes de onda adicionales.
IV.2.- Breve descripción para las topologías PON.
Las Redes PON es una tecnología punto-multipunto, todas las transmisiones en una Red PON se realizan entre la unidad Óptica Terminal de Línea OLT (Optical Line Terminal), localizada en el nodo óptico o central y la Unidad Óptica de Usuario (ONU), habitualmente la unidad OLT se interconecta con una red de transporte que recoge los flujos procedentes de varias OLTs y los encamina a la cabecera de la red y la unidad ONU se ubica en domicilio de usuario configurando un esquema FTTH. (Fibra hasta el usuario Fiber To The Home)
Existen varios tipos de 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 1×2 o bien divisores 1xN, en algunos casos dependiendo de la criticidad del despliegue a la red de acceso puede requerir protección.
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Figura 8. Topología de una Red PON.
Todas las topologías PON utilizan Monofibra para el despliegue y en canal descendente una PON es una red punto multipunto, donde el equipo OLT maneja la totalidad del ancho de banda que se reparte a los usuarios en intervalos temporales, en el otro canal el canal ascendente la PON es una red punto a punto donde múltiples ONUs transmiten a un único OLT, trabajando sobre Monofibra la manera de optimizar las transmisiones de los sentidos descendente y ascendente sin entremezclarse consiste en trabajar sobre longitudes de onda diferentes utilizando técnicas WDM (Wavelength Division Multiplexing), aquí la mayoría de las implementaciones superponen dos longitudes de onda, una para la transmisión en sentido descendente (1290nm) y otra para la emisión a la cabecera (1310nm) sentido ascendente, la evolución de la tecnología óptica ha permitido miniaturizar los filtros ópticos necesarios para esta separación hasta llegar a integrarlos en los transceptores ópticos de los equipos de usuario y se utilizan estas portadoras ópticas en segunda ventana (en lugar de trabajar en tercera ventana) para contener al máximo los costes de la optoelectrónica.
Al mismo tiempo las arquitecturas PON utilizan técnicas de multiplexación en tiempo TDMA para que en distintos instantes temporales determinados por el controlador de cabecera OLT, los equipos ONU puedan enviar su trama en canal ascendente, de manera equivalente el equipo de cabecera OLT también debe utilizar una técnica TDMA para enviar en diferentes slots temporales la información del canal descendente que selectivamente deberán recibir los equipos de usuario. (ONU)
Las arquitecturas PON también han tenido que resolver 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 como se ha detallado anteriormente, puede variar hasta un máximo de 20Km, evidentemente un equipo ONU muy cercano al OLT necesitará una menor potencia de su ráfaga para no saturar su fotodiodo y los equipos muy lejanos necesitarán que su ráfaga temporal se transmita con una mayor potencia, donde esta prestación también ha sido introducida recientemente en los transceptores ópticos PON que han simplificado notablemente la electrónica anteriormente necesaria para actuar sobre un control de ganancia externo al transceptor y la nueva óptica miniaturiza, integra y simplifica el trabajo con ráfagas de diferente nivel de potencia.
Variantes de Redes Ópticas: APON, BPON y GPON.
La transmisión en canal descendente está formada por ráfagas de celdas ATM estándar de 53bytes a las que se le añaden un identificador de tres bytes que identifican el equipo ONU generador de la ráfaga, la máxima tasa soportada en canal ascendente suponiendo una única unidad ONU es de 155Mbps, este ancho de banda se reparte en función del número de usuarios asignado al nodo óptico (Número de ONUs), en canal ascendente la trama se construye a partir de 54 celdas ATM donde se intercalan dos celdas PLOAM y se introduce información de los destinatarios de cada celda e información de operación y mantenimiento de la red.
Aunque el sistema funciona internamente en modo ATM, lo cual permite una mayor eficiencia que utilizando protocolos Ethernet hacia el exterior, tanto en el lado "Usuario", como en el lado "Central" tiene interfaces, además del nativo ATM del tipo TDM (Por ejemplo 2Mbit/s.) o Ethernet mediante emulación de ambos tipos de señales, los distintos fabricantes disponen también normalmente tanto de terminales de usuario (ONT/ONU) como del lado núcleo de la red (OLT) con los distintos interfaces de usuarios adaptados a telefonía convencional o cualquier aplicación de datos, video, o telemetría. Posiblemente APON provee el conjunto más rico y exhaustivo de características de operación y mantenimiento (OAM) de todas las tecnología PON.
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 y por otro lado el ancho de banda de los equipos APON está limitado a 155Mbps repartido entre los usuarios que componen en nodo óptico, pero posteriormente este límite fue ampliado a 622Mbps.
El término APON acuñado inicialmente por la FSAN fue reemplazado por BPON (Broadband PON –Redes Ópticas Pasivas de Banda Ancha-) haciendo referencia a la posibilidad de dar soporte a otros estándares de banda ancha, incluyendo Ethernet, distribución de video, VPL (líneas privadas virtuales, virtual private line), etc.
En 1997 FSAN envió las especificaciones al comité ITU-T, tras un período de siete años ITU-T aprobó las siguientes recomendaciones relacionadas con las Redes Ópticas Pasivas de banda ancha:
G.983.1. (Descripción general)
G983.2. (Capa de gestión y mantenimiento)
G983.3. (Calidad de servicio en BPON)
G983.4. (Asignación de ancho de banda dinámico)
G983.5. (Mecanismos de protección)
G983.6. (Capa de control de red OTN)
G983.7. (Capa de gestión de red del ancho de banda dinámico)
G983.8. (Soporte del protocolo IP, Video, VALN y VC).
La recomendación original especificada en la G.983.1 de la arquitectura BPON define una red simétrica de un ancho de banda total de 155Mbps, tanto en canal descendente como en ascendente, dicha especificación fue modificada en el 2001 para permitir configuraciones asimétricas (622 Descendente y 155 Ascendente) y simétricas de mayor capacidad. (622Mbps)
BPON no es la última contribución de la FSAN a las Redes Ópticas Pasivas, el incremento del ancho de banda demandado por los usuarios unido al balanceo del tipo de tráfico exclusivamente hacia tráfico IP, incidieron directamente en el desarrollo de una nueva especificación que se apoyaba en el estándar BPON, altamente ineficiente para el transporte de tráfico IP, el cual mejorara utilizaba un procedimiento de encapsulación denominado GFP (Procedimiento General de Segmentación –General Framing Procedure-) que aumentaba la eficiencia de la arquitectura permitiendo mezclar tramas ATM de tamaño variable.
Esta nueva recomendación, estandarizada por ITU-T y denominada Gigabit-capable PON (GPON) fue aprobada en 2003-2004 por ITU-T en las Recomendaciones G.984.1, G984.2 y G.984.3.
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.
GPON es un estándar muy potente pero a la vez muy complejo de implementar que ofrece:
Soporte global Multiservicio incluyendo voz (TDM, SONET, SDH), Ethernet 10/100 Base T, ATM, Frame Relay y muchas más.
Alcance físico de 20km.
Soporte para varias tasas de transferencia, incluyendo tráfico simétrico de 622Mbps, tráfico simétrico de 1.25Gbps y asimétrico de 2.5Gbps en sentido descendente y 1.25 en sentido ascendente.
Importantes facilidades de gestión, operación y mantenimiento, desde la cabecera OLT al equipamiento de usuario ONU.
Seguridad a nivel de protocolo (Encriptación) debido a la naturaleza multicast del protocolo.
La organización de la red y la terminología utilizada es la misma que en las Redes BPON, se espera no obstante que la normativa GPON aumente todavía más la interoperatividad entre los distintos fabricantes permitiendo en un mismo sistema utilizar ONUs y OLTs de distintos fabricantes.
V.1.- Ethernet PON, EPON.
En Enero de 2001 el IEEE (Instituto de los Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) configuró un grupo de estudio llamado Ethernet en la última milla (EFM), este grupo tenía como objetivo extrapolar la tecnología Ethernet al área residencial y de negocios llevándola hasta el hogar aprovechando el auge que esta tecnología había experimentado en los últimos años por su simplicidad, rendimiento y facilidad de despliegue.
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, 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.
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Figura 9. Interconexiones de APON, BPON y GPON.
Toda la arquitectura de red EPON trabaja a velocidad de Gigabyte-Ethernet, por lo tanto, el máximo ancho de banda que se ofrecerá a los usuarios depende del número de ONUs que cuelguen de cada OLT, si un nodo óptico diera servicio a 10 usuarios la máxima capacidad del servicio por usuario sería de 1Gbps/10 = 100Mbps, evidentemente con 100 usuarios por nodo óptico el ancho de banda por usuarios se reduciría hasta los 10Mbps, no obstante existen técnicas ópticas generalizables a todas las arquitecturas PON, como por ejemplo, utilizar múltiples portadoras ópticas de colores diferentes, como es el caso de WDM para incrementar el ancho de banda por nodo óptico si modificar la infraestructura.
En una arquitectura de medianas dimensiones coexisten varios controladores de cabecera en función del ancho de banda máximo que se quiera garantizar a los usuarios, un valor recomendado para este tipo de redes puede ser 10 abonados por nodo óptico, pero valores de 64, 100 y 256 también pueden ser posibles para obtener alcances de 20Km en fibra desde la cabecera de la red hasta el abonado.
Entre las variaciones de interfaces disponibles para el equipamiento de usuario (ONU o Gateway VoIP) se encuentran puertos 10/100 (orientados al mercado doméstico) o bien puertos Gigabyte-Ethernet orientados al mercado empresarial, donde se necesite una granularidad de ancho de banda superior a los 100Mbps.
EPON permite asignar calidad de servicio en canal descendente y en canal ascendente al tiempo que codifica todas las comunicaciones mediante el algoritmo DES, 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 abaratando el coste de implantación a los abonados, actualmente los costes de EPON por unidad de usuario repercutidos son aproximadamente un 10% menores del coste de equipamiento GPON equivalente.
Por último IEEE ya anuncia una nueva revisión del estándar que permitirá, utilizando la tecnología 10GbE multiplicar en un factor 10 el ancho de banda de una arquitectura EPON de primera generación, este esfuerzo de desarrollo se recogerá en la futura especificación GEPON un nuevo estándar IEEE que tenderá hacia la convergencia con el estándar UIT GPON.
V.2.- Resumen de los diferentes estándares.
El siguiente cuadro resumen las principales características de los tres estándares dominantes.
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Tabla 1. Resumen de las tecnologías PON.
V.4.- 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 1550nm y modulada en frecuencia desde un láser ultra lineal tipo CATV ubicado en la cabecera de la red, puede transportar el espectro UHF y VHF a todos los equipos ONUs de la arquitectura PON, a través de una sencilla circuitería, esta señal es extraída en los equipos de usuarios por el Transceptor Óptico y 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.
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Figura 10. Módulo electroóptico de usuario (ONU) preparado para una arquitectura VPON.
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 los costes de los codificadores digitales IP de cabecera y los decodificadores de usuario para el transporte de las tramas MPEG2.
V.5.- Comparación entre EPON y GPON.
Claramente hay sustanciales diferencias entre la tecnología EPON y GPON sobre todo en capa 2, sin embargo, los diseñadores de arquitectura de red también encontraran diferencias en términos de ancho de banda, alcance, eficiencia, coste por usuario y gestión, a continuación trataremos estas diferencias con mayor detalle:
Ancho de banda aprovechable: Los anchos de banda varían entre los dos protocolos, GPON promete 1.25Gbps ó 2.5Gbps en canal descendente y un ancho de banda escalable desde 155Mbps hasta los 2.5Gbps y EPON por su parte ofrece un acho de banda simétrico de 1Gbps donde se desperdician aproximadamente 250Mbps en la codificación 8b/10b. (Hasta completar la velocidad de línea de 1.25Gbps)
GPON no minora ancho de banda para la codificación, puesto que utiliza un esquema NRZ y un entrelazado de datos típico de las redes SDH, de esta manera GPON dispone de un ancho de banda superior en un 25% a EPON en canal ascendente.
Sin embargo, cuando se trata de agregar el tráfico de varios controladores de cabecera, lo que parecía en GPON una ventaja en ancho de banda, se pierde al hacer una conversión a los flujos Gigabyte-Ethernet que necesitan los conmutadores de cabecera, es decir, en líneas generales GPON añade un ancho de banda que no será aprovechado por los operadores cuando la señal GPON se transporte en redes WAN Gigabyte-Ethernet.
Alcance: Como sucede con cualquier otro protocolo el alcance sobre fibra viene definido por el rango dinámico del enlace óptico, en la actualidad el alcance de ambos protocolos es aproximadamente de unos 20Km, siendo limitado por el número de ONUs definidos para el nodo.
GPON promete soportar hasta 128 ONUs, con EPON no existe una limitación en el número de nodos aunque 256 es un valor máximo adecuado, en estas condiciones de equipado máximo de nodos, evidentemente el alcance máximo de EPON se reduce frente a GPON al existir mayores pérdidas de inserción derivadas del uso de un número mayor de divisores ópticos.
Coste por suscriptor: El uso de EPON elimina completamente los costosos y complejos equipos de transporte ATM/SDH de los operadores de transporte, simplificando sus redes y por lo tanto no imputando sus costes a los usuarios, se ha estimado que EPON repercute un 10% menos que GPON el coste de los equipos de cabecera sobre los usuarios, estando al mismo nivel que otras tecnologías de acceso como VDSL.
Eficiencia de cada estándar: Ambos protocolos PON añaden Overhead (Tráfico no útil) a las tramas del protocolo que encapsulan (IP), EPON es una estándar optimizado para longitud variable de paquete (Tramas Ethernet de hasta 1518bytes) según el estándar 802.3 Ethernet en sistemas PONs ATM (Incluido GPON) los datos se transmiten en tramas fijas (celdas) de 53bytes (48bytes de carga útil y 5bytes de Overhead), este formato es extremadamente ineficiente para el transporte de tráfico IP cuyos segmentos pueden variar hasta alcanzar tamaños de 64Kbytes.
Los sistemas GPON que transportan tráfico IP deben segmentarlo en tamaños de 48bytes introduciendo la información de segmentación en cabeceras de 5bytes, este proceso además de complicado añade latencia.
Se ha calculado que una encapsulación Ethernet como la que realiza EPON sobre tráfico IP añade una ineficiencia de un 7.42% mientras que la encapsulación de IP sobre ATM eleva este valor hasta el 13.22%.
Por otro lado, la codificación 8b/10b que realiza EPON y que desperdicia ancho de banda se convierte en una ventaja a la hora de realizar la conversión electroóptica, puesto que precisa de una electrónica de sincronismo mucho más simplificada y no tan precisa como necesita GPON.
Sistemas de gestión: EPON basa su experiencia en sistemas de gestión Ethernet sobre SNMP, mucho más simplificados que los modelos de gestión y mantenimiento de capa 2 de ATM, de esta manera los sistemas de gestión EPON suelen poder integrarse con soluciones que ya dispone el operador, como HPOpenView o similares.
Encriptación: GPON utiliza la encriptación definida en ITU estándar, sin embargo GPON sólo limita la encriptación al canal descendente, de forma tal que EPON utiliza mecanismos DES para canales ascendentes y descendentes.
Protección de red: Ambos protocolos disponen de mecanismos de protección de red específicos de cada implementación por parte del fabricante, estos mecanismos incluyen protección del tramo de red y del tramo de interconexión con el operador de transporte.
Aplicaciones
LAN de fibra son ampliamente utilizadas para comunicación a larga distancia, proporcionando conexiones transcontinentales y transoceánicas, ya que una ventaja de los sistemas de Fibra Óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de necesitar un Repetidor o Regenerador para recuperar su intensidad, ya en la actualidad los Repetidores de los sistemas de transmisión por Fibra Óptica están separados entre sí unos 100km, frente a aproximadamente 1,5km en los sistemas eléctricos y los Amplificadores Ópticos recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia.
Una aplicación cada vez más extendida de la Fibra Óptica son las redes de área local, comúnmente abreviadas LAN (Local Área Network), dichas redes de área local están formadas por un conjunto de computadoras que pueden compartir datos, aplicaciones y recursos, por ejemplo, impresoras, las computadoras de una red de área local están separadas por distancias de hasta unos pocos kilómetros y suelen usarse en oficinas o campus universitarios, una LAN permite la transferencia rápida y eficaz de información entre un grupo de usuarios y reduce los costes de explotación y en este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios, lo cual conduce al desarrollo de nuevos componentes electroópticos y de óptica integrada aumentará aún más la capacidad de los sistemas de fibra.
Otros recursos informáticos conectados son las redes de área amplia o redes WAN y las centralitas particulares (PBX), las WAN son similares a las LAN pero conectan entre sí computadoras separadas por distancias mayores, situadas en distintos lugares de datos de corta duración empleados por la mayoría de las aplicaciones informáticas, al momento de conectar las WAN lo hacemos a través de sus interfaces seriales más luego para conectar Routers con PC a través de las interface Ethernet.
Nuevos requerimientos técnicos y económicos
Las redes por Fibra Óptica son un modelo de red que permite satisfacer las nuevas y crecientes necesidades de capacidad de transmisión y seguridad demandadas por las empresas operadoras de telecomunicación, todo ello además con la mayor economía posible, mediante las nuevas tecnologías y con elementos de red puramente ópticos se consiguen los objetivos de aumento de capacidad de transmisión y seguridad.
Aumento de la capacidad de transmisión.
Cuando las empresas encargadas de abastecer las necesidades de comunicación por medio de fibra necesitaron mayor capacidad entre dos puntos, pero no disponían de las tecnologías necesarias o de unas fibras que pudieran llevar mayor cantidad de datos, la única opción que les quedaba era instalar más fibras entre estos puntos, pero para llevar a cabo esta solución había que invertir mucho tiempo y dinero, o bien, añadir un mayor número de señales Multiplexadas por División en el Tiempo en la misma fibra, lo que también tiene un límite.
Es en este punto cuando la Multiplexación por División de longitud de onda (WDM) proporcionó la obtención, a partir de una única fibra de muchas fibras virtuales, transmitiendo cada señal sobre una portadora óptica con una longitud de onda diferente, de este modo se podían enviar muchas señales por la misma fibra como si cada una de estas señales viajara en su propia fibra.
Aumento de la seguridad.
Los diseñadores de las redes utilizan muchos elementos de red para incrementar la capacidad de las fibras ya que un corte en la fibra puede tener serias consecuencias, en las arquitecturas eléctricas empleadas hasta ahora cada elemento realiza su propia restauración de señal, para un sistema de fibras tradicional con muchos canales en una fibra, una rotura de la misma podría acarrear el fallo de muchos sistemas independientes, sin embargo, las Redes Ópticas pueden realizar la protección de una forma más rápida y más económica, realizando la restauración de señales en la capa óptica mejor que en la capa eléctrica, además, la capa óptica puede proporcionar capacidad de restauración de señales en las redes que actualmente no tienen un esquema de protección, así implementando Redes Ópticas se puede añadir la capacidad de restauración a los sistemas asíncronos embebidos sin necesidad de mejorar los esquemas de protección eléctrica.
Reducción de costes.
En los sistemas que utilizan únicamente multiplexación eléctrica, cada punto que demultiplexa señales necesitará un elemento de red eléctrica para cada uno de los canales incluso si no están pasando datos en ese canal, en cambio si lo que estamos utilizando es una red óptica, solo aquellas longitudes de onda que suban o bajen datos a un sitio necesitarán el correspondiente nodo eléctrico y los otros canales pueden pasar simplemente de forma óptica proporcionando así un gran ahorro de gastos en equipos y administración de red.
Otro de los grandes aspectos económicos de las Redes Ópticas es la capacidad para aprovechar el ancho de banda, algo que no sucedía con las fibras simples, para maximizar la capacidad posible en una fibra las empresas de servicios pueden mejorar sus ingresos con la venta de longitudes de onda, independientemente de la tasa de datos (Bit Rate) que se necesite y para los clientes este servicio proporciona el mismo ancho de banda que una fibra dedicada entre otros.
Redes Ópticas de alta velocidad
Ante los cada vez más rápidos cambios en la tecnología de las Telecomunicaciones, impulsadas por los avances de la Física lo cual nos permite el disfrute no sólo de enviar la voz a muy grandes distancias, sino también videos y televisión por Internet, tal vez perdemos la capacidad de asombro pero no el apetito por más ancho de banda y para discusión de equipos y marcas tales como Viewsat, Coclsat, Fortec, Dreambox, Sonicview, Satellite DVB, PCI cards, antenas, banda C y Banda Ku entre otros temas de instalación y operación de satellites FTA y TV por Cable.
Por muchos años Ethernet ha sido el protocolo de Red dominante en las Redes LAN gracias a su simplicidad, que lo hace ser más fácil de operar y sumamente rentable, en contraste, los grandes operadores con sus Redes MAN y WAN ofrecen servicios muchos más complicados y con muchos menos ancho de banda como Frame Relay y ATM, ellos siempre han envidiado la simplicidad de Ethernet, en México según especialistas el mercado de Redes anda por los 800 millones de dólares, de la inversión total en el rubro el gigante de las Telecomunicaciones Telmex aporta el 80% mientras las demás operadoras invierten el restante 29%.
Internet, sitios WEB como el súper exitoso You-Tube y la Televisión IP han sido detonadores de una demanda sin precedentes de velocidad y ancho de banda, para enfrentar este reto los proveedores de servicio deben transformar sus Redes regionales y metropolitanas para hacerlas más rentables y capaces de proporcionar la próxima generación de servicios de triple play.
Los especialistas explicaron la evolución de los equipos que transmiten a través de Fibra Óptica las primeras redes ópticas a mediados de los 90 alcanzaban los 622Mbps con lo que se podían transmitir unas 16 mil llamadas telefónicas y los nuevos servicios demandan más ancho de banda y fue entonces cuando a finales de los 90 la explosión masiva de Internet obliga a proporcionar aún más ancho de banda y las Redes alcanzan los 2.5Mbps, por ello la demanda ha seguido creciendo y las Redes se han ido adaptando ahora el estándar es de 10Gbps.
Antes explica Luis Raúl García (Gerente Regional para América Latina de Cisco) por un enlace de Fibra Óptica sólo se podía pasar una señal, hoy se usa DWDM (Dense Wave Division Multiplexing) una tecnología de óptica que utiliza diferentes longitudes de ondas para Multiplexar múltiples señales, siendo posible mezclar las señales de transmisores que operan diferentes longitudes de ondas en una sola señal en la Fibra Óptica y con la tecnología WDM se puede multiplicar la capacidad por 4, 8, 16, 32 o incluso por mucho más alcanzando más de un Tera bit por segundo sobre una única fibra, una capacidad suficiente para transmitir simultáneamente 20 millones de conversaciones telefónicas de datos o fax, cuando el número de longitudes de onda (canales) que se multiplexan es superior a 8 la tecnología se denomina DWDM, la misma combina múltiplex señales ópticas de tal manera que pueden ser amplificadas como un grupo y transportadas sobre una única Fibra para incrementar su capacidad y cada una de las señales pueden tener una velocidad distinta y un formato diferente (ATM, Frame Relay, etc), al final del enlace las señales se pueden volver a discriminar y separar por longitudes de ondas.
La alta potencia de los Amplificadores DWDM y el bajo nivel de ruido permiten alcanzar distancias de hasta 600Km sin Repetidores para 2.5Gbits/Seg y 32 canales independientes.
Las tres grandes empresas de servicio telefónico Alcatel, Nortel y Cisco tienen el 20% cada uno del mercado de equipos de Redes de alta velocidad y nueva generación, el resto se lo reparten los demás, es un mercado finito y con un retorno de inversión de largo plazo, es un mercado oligopolio con lo que por su parte Galib Karim de Nortel y representante de la relación con clientes de gran tamaño a nivel nacional comen que las Redes Ópticas son la columna vertebral de los operadores pues manejan el tráfico de larga distancia y el metropolitano, añade además que un tercer jugador de Redes Ópticas que aún no se ve mucho en México son las cableras que han sustituido el cable por Fibra Óptica, Karim explica que los analistas hacen un distingo entre Redes Metropolitanas y Las Redes de Larga Distancia, donde las segundas pueden tener un enlace Méxici-Monterrey en el cual con equipos y Repetidores el mismo haz de luz transmite la información o la voz a miles de Km, los equipos de las Redes Metropolitanas no requieren de tanta potencia y la máxima distancia tal alcance los 100Km, añadió que dos tecnologías que han impactado de manera importante en la demanda de ancho de banda son el video servicio como You-Tube y la Televisión por Internet (IP TV), que consumen mucho ancho de banda y han hecho que vivamos una ola de cambio drástico, además planteo estamos viendo crecimientos de interfaces de 10Gb a unas de 40Gb por una sola fibra.
Karim plantea la nueva tendencia PBT (Provider Backbone Tran) la cual será una nueva tecnología en la Redes Ópticas de alta velocidad impulsada por Nortel para transmitir de Ethernet a Ethernet, de punta a punta eliminando protocolos y complejidades, ahorrando tiempo y reduciendo retrasos al crear un túnel entre los extremos, el principal beneficio es parra el operador al simplificar la administración de la Red y obtener grandes ahorros para que al final del día el usuario pueda tener mayor eficiencia, velocidad y menor costo, muchos operadores añade Karim ya están haciendo pruebas y seguramente muy pronto el uso de la tecnología crecerá de forma importante.
PBT ya ha sido propuesto como un nuevo estándar Ethernet al IEEE, cuenta con el apoyo de British Telecom y algunos operadores de China, lo que vemos como tendencia indiscutible afirma Karim es que el tráfico seguirá creciendo de manera impresionante y con todo los avances y mejoran que puedan haber en las Redes Ópticas, por ello habrá que darles más capacidad, más ancho de banda y hacerlas más eficientes afirma.
Redes Ópticas de Nueva Generación
Relacionado con las nuevas tecnologías de Telecomunicaciones sobre Fibra Óptica, en este acápite se describirá los componentes y bloques principales que integran las Redes Ópticas.
IX.1.- Componentes y Redes Ópticas.
Las Redes Ópticas realizan el procesamiento de la señal en el dominio óptico, en la figura 16 se muestra un conjunto de bloques básicos que resume las operaciones elementales sobre la señal.
Figura 16. Bloques básicos en los sistemas DWDM.
Figura 17. Multiplexor óptico de inserción y extracción.
En la figura 17, por su parte, se muestran los detalles de un Multiplexor de Inserción Extracción Óptico (OADM) en el cual se permite extraer las longitudes de onda deseadas y a su vez, incorporar otro grupo de longitudes de onda, esto permite dar servicios a puntos intermedios.
Un bloque muy importante por la flexibilidad que incorpora a la red, es el denominado Conmutador Óptico (Cross-Conet), mostrado en la figura 18, el cual permite la conmutación de longitudes de onda de una canal de entrada hacia otro canal de salida.
Figura 18. Diagrama de bloques de un Conmutador Óptico.
Un ejemplo sencillo de Red Óptica se ofrece en la figura 19, con un enlace entre dos equipos terminales y un punto intermedio de servicio mediante OADM.
Figura 19. Red Óptica.
Nuevo modelo para Red de Transporte
Figura 20. Disminución de las capas del modelo OSI hasta obtener el nivel óptico.
Proceso de evolución mostrando como se introduce el protocolo de QoS y control de tráfico, MPLS en el nivel óptico.
Figura 21. Desarrollo de los niveles del modelo OSI hasta el 2002 que surge el nivel óptico.
La Red de Telecomunicaciones es tradicional se considera formada por cuatro capas: IP, ATM, SDH y DWDM, superpuestas de la forma que se ilustra en el diagrama 1 de la figura 30, esta estructura es muy robusta porque el nivel IP es portador de la inteligencia y la capa de ATM, por su parte, garantiza la calidad de servicio (QoS); SDH asegura la fiabilidad pues contiene los mecanismos para la recuperación ante fallas, mientras que DWDM añade una alta capacidad de transporte.
Sin embargo, la estructura tradicional de cuatro capas consume un mayor ancho de banda por lo que se han desarrollado un importante trabajo investigativo para simplificar este modelo, los principios en que se fundamentan las nuevas propuestas son los siguientes:
IP se ha convertido en el protocolo unificador para todas las redes y servicios.
Hay un aumento considerable del tráfico IP.
Se incorporan nuevos servicios de VoIP, VPN y aumento de los servicios de banda ancha a través de ADSL.
El protocolo MPLS de calidad de servicio y control de tráfico se incorpora al nivel óptico como GMPLS.
Se desarrollan Routers al nivel óptico.
Surgen alternativas de protección contra fallas al nivel óptico.
Sobre estas premisas se ha evolucionado hacia un nuevo modelo de red basado en una estructura de dos niveles: IP directamente sobre DWDM, eliminándose las capas ATM y SDH, tal como se muestra en las secuencias 2, 3 y 4 de figura 30.
Un aspecto a destacar en esta red es que realiza el enrutamiento de los paquetes IP completamente en el dominio óptico para lo cual varias compañías de fabricantes, especialmente en Estados Unidos y Japón han desarrollado e introducido en el mercado, equipos enrutadores (Routers) que operan directamente en el nivel óptico.
Estos nuevos paradigmas forman parte de las denominadas Redes de Próxima Generación las cuales presentan un conjunto de características novedosas que aquí solo se enfocan hacia los aspectos de transmisión o transporte.
La figura 31 ofrece un esquema de una red de nueva generación que conforma un backbone con enrutamiento al nivel óptico, estos Routers de nuevo tipo operan sobre longitudes de onda utilizando un bloque de Conmutación óptica (Optical Cross-Conet) como el explicado anteriormente, en este esquema la red de acceso se presenta en tres alternativas: IP, ATM y SDH lo cual permite aplicar cualquier modelo de red, mostrándose también la capacidad de protección contra fallas.
Figura 31. Red Óptica de nueva generación.
SDH de nueva generación
Actualmente se siguen desarrollando extensiones al protocolo para solucionar algunos de sus inconvenientes para el transporte de datos como por ejemplo:
GFP (Generic Framing Protocol), UIT-T G.7041 que es un protocolo que estandariza el empaquetado de datos en tramas SDH/SONET, es superior a POS. (Packet over Sonet).
VCAT (Virtual Concatenation), es una extensión de G.707 para la concatenación de contenedores virtuales (VC) de bajo y alto nivel. (VC-12, VC-3, VC-4)
LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme), G.7042 un mecanismo que permite la reconfiguración dinámica de los contenedores virtuales que transportan los datos.
La combinación LCAS y VCAT es una herramienta para el ajuste del ancho de banda en demanda.
Especificación de la interfaz STM-256. (40Gbits/Seg)
Perspectivas de la Tecnología SDH.
Figura 32. Evolución de la capa óptica según el modelo OSI.
Se ha trabajado en la supresión de la capa SDH, pero simultáneamente esta tecnología evoluciona también hacia una alternativa que mejora las prestaciones en redes de datos y se mantiene en la competencia.
La mayoría de los equipos de transmisión actuales utilizan tramas SDH y SONET, las cuales están optimizadas para el tráfico de servicios de voz a 64 Kbit/s.
Algunas características de SONET y SDH han justificado su empleo en las Redes de Fibra Óptica durante los últimos tiempos, la más importante es que permite restaurar las conexiones punto a punto en caso de fallas en los enlaces o equipos intermedios, encontrando caminos alternativos para la transmisión.
Actualmente se desarrollan alternativas para la sustitución total de SDH.
XI.1- Ventajas de SONET/SDH.
Más de 30000 anillos instalados al nivel mundial.
Restauración rápida de 50ms, por fallo en equipo o corte de fibra.
QoS y Prestaciones.
XII.2.- Problemas que ocasiona SDH.
El tráfico esta cambiando, como hacer uso eficiente del ancho de banda para voz y datos.
Falta de granularidad fina para acomodar todos los flujos (Streams) de todos los clientes potenciales.
Necesidad de una gestión fácil en la Oficina Central. (CO)
XIII.3.- Estándares actuales de velocidad en SDH.
Conclusiones
Se pretende desarrollar una Red todo Óptica, por ello en Redes WDM es posible enrutar datos a su destino basándose en su longitud de onda: Enrutadores de lambda y si el transporte ocurre de una estación de acceso a otra sin transformación O/E intermedia, la Red se denominará todo Óptica, la misma posee nodos formados por Conmutadores Ópticos, recurriendo a conversiones de lambda en nodos intermedios para ampliar los recursos y evitar el bloqueo y finalmente dar solución de la contención en los puertos en el dominio de lambda, tiempo y espacio.
La tecnología clave al nivel óptico incluye:
WDM puro.
Dispositivos semiconductores de alta velocidad.
Fuentes de luz de alta estabilidad.
Tecnologías de modulación externa.
Filtros de banda estrecha.
Amplificadores de fibra dopada con Er.
Redes Ópticas.
Convertidores de lambdas.
Conmutadores Ópticos.
Hoy las redes de naturaleza óptica aportan:
Aprovechamiento de las fibras existentes unido a un notable incremento de la capacidad.
Integración de servicios tradicionales junto con servicios de última generación.
Desarrollo de topologías punto a punto, anillos y mallas.
Capacidades de protección y recuperación comparables a las ofrecidas en SDH.
Unificación desde la perspectiva tecnológica y convergencia entre organismos estandarizados.. y fabricantes.
Mañana se aspira a que la próxima frontera será la Internet Óptica, para ello debemos constar con los siguientes requisitos:
Intercambiando todas las caras ópticas. (AOLS)
Routers y Conmutadores ópticos con capacidad de leer, borrar y Re-escribir el contenido de una etiqueta en el domino óptico.
La latencia de estos dispositivos será inferior a 1ns.
El reto actual es la fabricación y miniaturización de nuevos componentes: Buffers Ópticos, Puertas Lógicas Ópticas, etc.
Bibliografía General
E. Alan Dowdell: "High data rate networks, the latest fiber technology for long haul". Corning Incorporated. AMTC 1999.
Kevin M: "Optical fiber design evolves". Light wave. Corning Incorporated.
www.cableu.net: "Fiber Amplifiers". 2000.
www.totaltele.com: "High fibre: DWDM". Communications International. Agosto 1999.
Yañez René: "Nuevas Técnicas de Redes de Transporte". I Congreso Internacional de Telemática. Noviembre del 2000.
Blumenthal, Daniel J., "Routing Packets with Lights", Scientific American. Jan.2001.
Blumenthal, Daniel J., "All-Optical Label Swapping for the future Internet". Mar.2002.
Yañez René: "Nuevas Técnicas de Redes de Transporte". XIII Convención y feria internacional Informática 2009. Febrero del 2009.
Recomendaciones de la UIT-T relacionadas con el tema.
Evolución de Redes.
Redes de transmisión todo ópticas: Independencia frente a las Redes de Transporte, Jesús Felipe Lobo Poyo, Wsewolod Warzanskyj García, Telefónica Investigación y Desarrollo, España.
Next Generation Optical Networks: The Convergence of IP Intelligence and Optical Technologies, Peter Tomsu, Christian SchmutzerPrentice Hall, Hardcover, Published August 2001, 320 pages, nx_gn_pt_n_aa, ISBN 013028226X.
Autor:
Dr. René Yañez de la Rivera
Ing. Maytée Odette López Catalá
sorteosperros[arroba]gmail.com
Ing. Virgilio Zuaznabar Mazorra
Dpto. Telecomunicaciones y Telemática.
Facultad: Eléctrica.
ISPJAE.
2009.
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