Red acceso óptica para la mejora de la planta exterior del Municipio de Manzanillo, Granma, Cuba

El siguiente trabajo muestra los aspectos fundamentales de una solución de acceso, utilizando la Tecnología GPON, en una zona del Casco Histórico de Manzanillo, Cuba. La red diseñada tiene como objetivo reutilizar la fibra óptica que se está instalando para dar conectividad a entidades estatales, para extender el acceso a banda ancha al sector residencial que se localiza en la vecindad de los establecimientos servidos con este tipo de enlace, y de esta forma mejorar la planta exterior en el área de análisis. Se comienza con una caracterización de la zona propuesta y las demandas tentativas de servicio. Se continúa con la descripción de la tecnología FTTx, como solución de acceso de Banda Ancha; la tecnología xDSL, como solución de acceso combinada con FTTx que hace posible la reutilización del cobre existente en la última milla; y un cálculo del presupuesto óptico, para comprobar el diseño propuesto. Se concluye con una Valoración Económica, su Aporte Social y las Conclusiones.

Introducción

Como parte del desarrollo de la Informatización de la Sociedad en Cuba, y a partir del programa "Conectar 2020" de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), se demanda de ETECSA el despliegue de soluciones de acceso de banda ancha para las redes priorizadas de la salud y la educación, así como para redes vinculadas a la producción de software, centros científicos, universidades y hogares. Todo ello es posible con el tratamiento y modernización de la planta exterior; también se deben equipar las redes con tecnologías de punta que sean capaces de asimilar los cambios futuros y lograr la conectividad y el ancho de banda demandados.

El acceso juega un papel importante desde el punto de vista tecnológico dentro del desarrollo del modelo de redes. El avance de las tecnologías de acceso debe facilitar el despliegue de nuevas redes y servicios; tal es el caso de la "Banda Ancha" que es capaz de entregar de manera fiable servicios convergentes y de ofrecer simultánea y conjuntamente voz, datos y video.

Las tecnologías de acceso de banda ancha, en su comienzo, se constituyen sobre las redes de cobre por medio de la red conmutada (PSTN, Public Switched Telephone Network); además de pueden coexistir con otras tecnologías, las cuales permiten un gran flujo de información, como son: la fibra óptica, los radioenlaces de microondas y el cableado coaxial, presentes en las redes de televisión por cable, además está la línea digital de abonado (DSL, Digital Subscriber Line) que permite aprovechar de manera más eficiente el bucle de abonado existente.

Las redes ópticas eliminan el cuello de botella en las redes de acceso, aumentando el flujo de información hasta cientos de Gigabit por segundos (Gbps) y mejorando la calidad de servicio. Las tecnologías FTTx se basan en instalaciones de cable de fibra óptica directo hasta los hogares o edificios (escuelas, empresas, oficinas, parques tecnológicos). Se clasifican en: FTTN (Fiber to the Node), fibra hasta el nodo; FTTC (Fiber to the Curb), fibra hasta la acera; FTTB (Fiber to the Building), fibra hasta el edificio; FTTH (Fiber to the Home), fibra hasta el hogar.

Estas infraestructuras de acceso de alta capacidad, permiten ofrecer a los usuarios servicios de banda ancha tales como: video bajo demanda y acceso de alta velocidad a Internet. En la actualidad existen varios organismos internacionales, como el FTTH Council, que promueven el despliegue de fibra óptica hasta el hogar o sus inmediaciones. Existen varias soluciones tecnológicas para llevar la fibra óptica, hasta el hogar, el edificio o un nodo ubicado antes de llegar a la edificación. En las Redes FTTC y FTTB, para brindar los servicios de banda ancha, se llega con fibra hasta un gabinete cercano al usuario y se aprovecha el resto de la red de cobre existente, con el empleo de tecnologías de línea digital de abonado (xDSL). Con FTTH, se ofrecen los servicios de banda ancha sobre fibra óptica hasta el hogar. Estas opciones suelen emplearse en dos amplias categorías en dependencia de la tecnología de acceso empleada y el uso de elementos pasivos y/o activos: red óptica activa y pasiva.

La Red Óptica Activa (AON, Active Optical Network) se denomina a la red que presenta elementos activos, los cuales convierten las señales luminosas que viajan a través de la fibra óptica a señales eléctricas para su procesamiento.

La Red Óptica Pasiva (PON, Passive Optical Network), se denomina al tramo de red entre la central telefónica y el local del usuario, que está compuesta por elementos pasivos para llevar la información hasta el cliente, los elementos activos solo se encuentran en los extremos de la red.

Este trabajo presenta el diseño de una red de Acceso de Banda Ancha, con la Tecnología GPON, en una Zona del Casco Histórico de la Ciudad de Manzanillo.

La Zona Propuesta para desplegar la tecnología GPON se delimita con línea azul; comprende desde la Ave 1ero de Mayo, hasta la Calle San Salvador, y desde la Calle Maceo, hasta la Calle 12 de Agosto. La ubicación del Centro Telefónico de Manzanillo se señala en con una cruz enmarcada en un cuadro azul. La traza soterrada aparece simbolizada con la línea verde gruesa. Las líneas rojas señalan la traza de los cables de cobre aéreos.

En esta zona se ubican 2159 viviendas, donde viven 6527 habitantes, con 128 demandas insatisfechas y 785 servicios telefónicos básicos instalados; 12 servicios básicos por cada 100 habitantes; 46 públicos, 7 servicios públicos por cada 1000 habitantes; incluye 172 establecimientos estatales, con 12 demandas insatisfechas y 423 servicios telefónicos básicos en servicio en el Sector Estatal. Además se distribuyen 1403 pares de cobre de los cables: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8,12, 13, 14 y 15 del MDF del Centro Telefónico Manzanillo, distribuidos en 121 terminales.

Desarrollo

La red diseñada tiene como objetivo reutilizar la fibra óptica que se está instalando para dar conectividad a entidades estatales, para extender el acceso a banda ancha al sector residencial que se localiza en la vecindad de los establecimientos servidos con este tipo de enlace, y de esta forma actualizar la planta exterior en el área de análisis.

Red de acceso basada en cobre

Existen varios tipos de redes de línea de abonado digital, cada una con sus características específicas en cuanto al ancho de banda utilizado, velocidad en sentido de descarga y subida, alcance máximo y las aplicaciones que soportan. Entre ellas, ADSL, ADSL2+, VDSL y VDSL2, son las que permiten una mayor tasa de transferencia.

ADSL evolucionó a través de ADSL2 y luego a ADSL2+, este último ha sido descrito en la recomendación ITU-T G.992.5, emplea el doble del ancho de banda que sus antecesores y la velocidad de descarga de 24 Mbps.

VDSL evolucionó hacia VDSL2, cuyas características se recogen en el estándar ITU-T G.993.2, actualizado en enero de 2015 y está diseñado para soportar los servicios triple play como televisión de alta definición y juegos interactivos. VDSL2 aprovecha la actual infraestructura telefónica de pares de cobre; permite actualizar gradualmente las líneas xDSL existentes y posibilita un ancho de banda superior de 30 MHz para ofrecer una mayor velocidad en la transmisión simétrica de 100 Mbps y asimétrica, con respecto a otras tecnologías xDSL.

VDSL2 es una opción viable para un enlace menor de 500 m, dentro de edificios y junto a ADSL2+, pueden implantarse como parte de las soluciones de fibra hasta la acera, que incluye la sustitución de la red de alimentación de cobre por fibra, lo que posibilita mayores velocidades en el acceso. Esta se ha desarrollado a partir de la utilización de transceiver VDSL2 mediante el uso de técnicas de aceleración de DSL como vectoring o self-FEXT cancellation, el cual es un método de transmisión que emplea la coordinación de las señales de línea para la reducción de la diafonía en el sentido de subida y la mejora del rendimiento; además depende de las características del canal y sirve para beneficio de uno o varios usuarios.

ADSL2+ se ha desplegado ampliamente en la red de acceso y hoy en día es reemplazado por VDSL2, que ofrece una mayor tasa de transferencia en ambos sentidos de la comunicación, evolucionando hacia G.fast, un nuevo estándar que permite alcanzar velocidades de 1 Gbps sobre el par de cobre.

Red de acceso óptica

La red de acceso óptica (OAN, Optical Access Network) está compuesta por 3 componentes principales, como muestra la figura 1 (a): la oficina central (CO, Central Office) en la que se ubica la terminal de línea óptica (OLT, Optical Line Terminal), el nodo remoto (RN, Remote Node) y la unidad de red óptica (ONU, Optical Network Unit) ubicada en el local del cliente, la cual proporciona la interfaz en el lado del usuario de la OAN y se conecta a la red de distribución óptica.

La OAN representada utiliza una topología en árbol; está compuesta por la red de fibra y los nodos intermedios en el que se pueden ubicar los dispositivos ópticos de conmutación o de división de la señal óptica. El esquema mostrado en la figura 1 (b) contribuye al aumento de la cantidad de usuarios conectados por puerto de la tarjeta de línea de la OLT mediante la utilización de 2 puntos de distribución en los que se divide la señal óptica.

La OAN se puede clasificar de acuerdo con el tipo de dispositivos instalados en la sección de la red comprendida entre la central telefónica y el equipo del usuario final: pasiva, cuando no necesitan alimentación y activa, cuando se instalan dispositivos activos en esta misma sección de la red. Además según su topología física, pueden ser punto a punto (P2P, Point to Point) y punto a multipunto (P2MP, Point to Multi Point). La primera categoría se utiliza cuando existe una conexión física de fibra óptica o longitud de onda dedicada desde la OLT hasta el equipo del cliente, mientras que cuando se emplea una técnica de multiplexación para compartir los recursos entre varios usuarios finales se denomina P2MP.

En la actualidad existen varios organismos internacionales como el FTTH Council (Europe), que promueven el despliegue de fibra óptica hasta el hogar o sus inmediaciones, mediante tecnologías FTTx con las que se sustituyen parcial o totalmente el tramo de cobre existente. Ellas se pueden clasificar como: fibra hasta el hogar (FTTH, Fiber to the Home), fibra hasta el edificio (FTTB, Fiber to the Building), fibra hasta la acera (FTTC, Fiber to the Curb or Cabinet), entre otras. En la figura 2 se muestran variantes FTTx.

Las arquitecturas FTTx son implementadas por los operadores de telecomunicaciones de acuerdo con sus requerimientos técnicos y funcionalidades. Por medio del despliegue de la red FTTH se ofrecen los servicios de banda ancha sobre fibra óptica hasta el hogar; en escenarios FTTB la fibra óptica llega hasta el equipo terminal localizado en el interior de edificios multifamiliares y de negocios, a partir de este punto se ofrecen los servicios de telecomunicaciones mediante tecnologías xDSL y la LAN empresarial, respectivamente; con la red FTTC se llega con fibra hasta un gabinete que posee concentradores multiservicios cercanos al usuario y se aprovecha el resto de la red de cobre existente, a través del empleo de tecnologías xDSL como ADSL2+ y VDSL2.

Red óptica activa

En la red óptica activa (AON, Active Optical Network), los equipos de interconexión ubicados entre la central telefónica y el usuario requieren energía eléctrica; dichos dispositivos soportan Ethernet para proporcionar la agregación de enlaces por fibra. La AON utiliza una conexión de fibra óptica o longitud de onda dedicada para la comunicación entre la OLT y el equipo del cliente. Asimismo, el área de cobertura es superior con respecto a la red óptica pasiva, independientemente del número de clientes conectados, pues la cantidad de usuarios está limitada por el número de puertos del switch. Actualmente las topologías de fibra más comunes en la última milla de la AON son la estrella activa y home run.

En la arquitectura estrella activa se utiliza una fibra óptica desde el switch de agregación en la central telefónica hasta un switch Ethernet activo ubicado en el punto de distribución, que requiere de alimentación en la planta externa. Una ONU pueden comunicarse con el resto a través del switch sin acceder a la OLT. La red de fibra de alimentación se caracteriza por ser de uso compartido, de ahí que la arquitectura tiene una topología P2MP. Tiene un alto grado de flexibilidad. La AON soporta 10 Gbps por interfaz Ethernet y alcanza distancias alrededor de los 100 km. Las principales desventajas que presenta este tipo de red son: alto costo operacional, por la cantidad de equipamiento; consumo de energía, por los componentes activos; y poca eficiencia en el uso de la velocidad de transmisión disponible en cada enlace óptico, tanto de puertos como de fibras. En la figura 3(a) se representa su diagrama lógico.

El esquema lógico de la arquitectura home run se muestra en la figura 3(b), la cual utiliza Ethernet como portador de servicios en la red de acceso; emplea una fibra óptica dedicada entre la CO y cada ONU sin un dispositivo intermedio en la planta externa y se caracteriza por su topología punto a punto que la hacen menos compleja y más segura que las soluciones de medio compartido como la estrella activa y las redes ópticas pasivas. La arquitectura también ofrece velocidades en el orden de los 10 Gbps por usuario y un alcance de 100 Km. Tiene la desventaja del alto costo por cliente como consecuencia del empleo de la fibras y transceivers dedicados y lo complejo que puede resultar desplegar la red en áreas de alta densidad de hogares y locales, pues requieren de una gran cantidad de fibras.

Red óptica pasiva

La red óptica pasiva (PON, Passive Optical Network) emplea una conexión P2MP para las transmisiones entre la OLT y las ONU/ONT, las cuales comparten los recursos mediante técnicas de multiplexación. En ella no se requiere energía para la alimentación de los equipos intermedios. La PON está compuesta por 3 partes principales [30]: la OLT, la terminación de red óptica (ONT, Optical Network Termination) y la red de distribución óptica (ODN, Optical Distribution Network) correspondiente a cada puerto PON de la OLT; en esta última se localizan los divisores ópticos pasivos (POS, Passive Optical Splitter) encargados de dividir la señal óptica hacia cada usuario.

Las PON sustituyen el tramo de cable de cobre por fibra óptica monomodo y los divisores eléctricos por divisores ópticos pasivos; de esta manera se eliminan los componentes activos existentes entre el proveedor de servicios de telecomunicaciones y el cliente. Generalmente, no requieren ningún tipo de actualización ante un posible cambio de tecnología. Utiliza diferentes topologías como: árbol, bus y anillo pasivo. En la figura 4 se muestra la arquitectura de una red PON genérica con topología en árbol y con 2 niveles de división óptica que representa 1 entrada y 4 salidas, correspondiente a una razón de división de 1:4.

Entre las arquitecturas PON, las de mayor aceptación han sido la red óptica pasiva Ethernet (EPON, Ethernet Passive Optical Network) estandarizada en la IEEE 802.3ah y la red óptica pasiva con capacidad de gigabit (GPON, Gigabit capable Passive Optical Network) descrito en el estándar ITU-T G.984.1. GPON ha sido elegida por varios operadores de telecomunicaciones y fabricantes en el mundo por sus ventajas sobre EPON, por lo cual ha sido la tecnología desplegada en Norteamérica y Europa. Estas se han desarrollado hacia otras tecnologías PON que ofrecen velocidades de transferencia superiores como: 10G-EPON y XG-PON respectivamente; las cuales pueden evolucionar hacia la segunda etapa de las redes ópticas pasivas de próxima generación, NG-PON2.

Red óptica pasiva con capacidad de Gigabit

El funcionamiento de la tecnología GPON se describe en la serie de estándares ITU-T G.984.x, en los cuales se exponen las características generales de un sistema PON, tales como: sobre su arquitectura, velocidades, alcance, retardo de la señal, razón de división óptica, protección, seguridad y otras. El estándar G.984.1 surgió con el fin de establecer nuevas exigencias a la red, entre ellas:

• Soporte de los servicios de voz, Ethernet y ATM.

• Alcance físico máximo de 20 km, aunque el alcance lógico puede llegar a 60 km.

• Velocidades de 2.4 Gbps en el enlace descendente, de la OLT a las ONU y 1.2 Gbps en el ascendente, de las ONU a la OLT. Soporta 2.4 Gbps de forma simétrica.

• El número máximo de usuarios que se pueden servir a través de una misma fibra es 64, aunque el sistema está preparado para soportar hasta 128, hasta con 2 niveles de división.

La figura 5 muestra una red GPON formada por la OLT, ONT/ONU y la ODN con una topología P2MP en la que se localizan los divisores ópticos pasivos. Para la transmisión de voz y datos utiliza el rango de longitud de onda de 1480-1500 nm en el sentido de descarga y en subida, el rango de 1260-1360 nm. La transmisión unidireccional se realiza mediante el empleo de 2 fibras ópticas y la transmisión bidireccional sobre una sola fibra y en los mismos componentes a través de WDM, que además posibilita el servicio de distribución de video en la banda de 1550-1560 nm. El par de longitudes de onda utilizadas en sentido descendente o downstream (1490 nm) y ascendente o upstream (1310 nm) sobre una única fibra, se comparte a través de la multiplexación por división de tiempo (TDM, Time Division Multiplexing) entre todos los usuarios. La velocidad de transmisión por usuario resulta de la razón de transferencia máxima dividida por la cantidad de usuarios conectados a un puerto PON de la tarjeta de línea de la OLT.

Análisis de los Requerimientos de los Usuarios.

Los usuarios residenciales, 2159 viviendas ubicadas en la vecindad de los establecimientos estatales de la zona propuesta, para los cuales se propone una velocidad de conexión de 2 Mbps por vivienda como meta para el año 2020, generan una demanda total de 4318 Mbps. Los 172 establecimientos estatales, para los cuales se asume una velocidad de conexión de hasta 8 Mbps/Usuario, en total demandan 1376 Mbps. La demanda total de velocidad de conexión, tanto para el sector estatal, como para el sector residencial es aproximadamente 5694 Mbps. Teniendo en cuenta las necesidades de velocidad, la ubicación geográfica de todos estos usuarios, y la reutilización del cobre existente, se elige la variante FTTC + ADSL para este escenario. Se propone que las ONT/MDU sean instaladas en el interior de los establecimientos estatales y no en el exterior como normalmente sucede con la variante clásica de FTTC+ADSL.

Equipamiento propuesto.

La OLT MA5600T de Huawei posee 16 ranuras para tarjetas de servicio: GPFD, GPBD, GPBH; la primera tiene 16 puertos y las últimas 2 solo tienen 8 puertos. Estos tres tipos de tarjetas de servicio GPON soportan los tipos de módulos GPON SFP B+ ó C+, cada uno de ellos puede servir hasta 64 ONT/MDU, entregando 2.4 Gbps en bajada y recibiendo hasta 1.2 Gbps en subida. Proporciona el acceso a servicios ADSL2+, VDSL2, POTS, RDSI, GPON y otros. La siguiente tabla resume las especificaciones técnicas del tipo de tarjeta GPFD.

Se propone usar 3 puertos GPON de la tarjeta GFPD instalada en la OLT 5600T del CTLC Manzanillo para satisfacer la demanda de velocidad de los 172 establecimientos estatales y las 2159 viviendas.

La MDU MA5616 de Huawei puede dar servicio hasta 128 usuarios xDSL, con la utilización de las tarjetas H83A/H835/H836ADLE para ADSL2+ o H83BVCLE para VDSL2. La combinación de una OLT MA5600T, que alimente a varias MDU MA5616, es una configuración típica que puede implementar la variante FTTC+ADSL, la cual pudiera garantizar el acceso a la banda ancha en la zona propuesta.

Diseño de la ODN.

La OLT debería ubicarse en el Centro Telefónico de Manzanillo, para aprovechar el soterrado que ya da servicio a la Zona Propuesta.

Se propone un solo nivel de Split, ubicando dos Splitters de 1:8 y un Split de 1:4 en los sitios señalados con los triángulos en rojo, para dar servicio a las 19 MDUs propuestas. Se propone ubicar las 19 MDU en los sitios señalados con triángulos azules.

La traza de Fibra Óptica para alimentar cada una de las MDU se simboliza con línea roja en el tramo aéreo y con línea verde gruesa en el tramo soterrado.

Cálculo del presupuesto óptico.

En el cálculo de un enlace óptico inciden las pérdidas introducidas por los equipos de transmisión y recepción, conectores, empalmes, las características de la fibra y un margen de pérdidas que se consideran.

La atenuación total (AT) en un enlace GPON no debe superar el valor del presupuesto óptico de potencia de 28 dB (clase B+) y se calcula según la ecuación:

En este cálculo de enlace se asumen varios valores teóricos de pérdidas introducidas por los componentes del enlace óptico. Se trabaja con el coeficiente de atenuación de la fibra óptica G.652D de 0.4 dB (1310 nm), 0.3 dB (1490 nm) y un coeficiente de atenuación por envejecimiento de 0.05 dB/km; una distancia de 1.6 km, para el enlace más largo en la zona propuesta; atenuación en los empalmes de 0.1 dB, en los conectores de 0.3 dB; y el margen de seguridad de 3 dB.

En bajada (? = 1490 nm):

ATb = (0.3+ 0.05)*1.6 + 0.1*(6 + 2) + 0.3*4 + (11 + 0) + 1 + 3 = 18.16 dB

En subida (? = 1310 nm):

ATs = (0.4+ 0.05)*1.6 + 0.1*(6 + 2) + 0.3*4 + (11 + 0) + 1 + 3 = 18.32 dB

En ambos sentidos se cumple con el presupuesto óptico de potencia de 28 dB (clase B+).

VALORACIÓN ECONÓMICA Y APORTE SOCIAL

Teniendo en cuenta que al momento de elaborar este trabajo no se conocen los precios a los cuales se contratará el equipamiento y materiales necesarios para la implantación de esta propuesta, se prefiere enumerar dos aportes sociales e intangibles posibles a generar por esta solución:

• 2159 viviendas, 6527 habitantes y 172 entidades estatales pudiesen tener acceso a los servicios de Banda Ancha.

• Se pudiese tener una experiencia en el Desarrollo y la Operación de la Tecnología GPON en la DTGR, experiencia esta que pudiera contribuir con el cumplimiento del Programa de Desarrollo de la Sociedad en Cuba y con el Programa "Conectar 2020" de la UIT.

Conclusiones

La estructura de comunicación permite eliminar la demanda insatisfecha y lograr el acceso a internet de banda ancha para el sector empresarial y residencial, que garantiza cumplir las metas del país sobre la informatización de la sociedad cubana. También este trabajo investigativo sirve como material de estudio para los estudiantes de las ramas de las comunicaciones en cualquier parte del mundo ya que se utilizan tecnologías de última generación

Autor:

Manleys Rodríguez Torres, Ing. (1)

Randy Verdecia Peña, Ing. (2)

(1) Empresa de Telecomunicaciones de Cuba S.A (ETECSA), Granma, Cuba

(2) Empresa de Telecomunicaciones de Cuba S.A (ETECSA), Granma, Cuba