UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica

Transcripción

1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica Solución Tecnológica para las telecomunicaciones en la red de transmisión de Genesis Telecom Por: Oswaldo José González Morillo Sartenejas, marzo de 2008.

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica Solución Tecnológica para las telecomunicaciones en la red de transmisión de Genesis Telecom Por: González Morillo, Oswaldo José. Realizado con la asesoría de: Ing. Pita, Aníbal. Prof. Salazar E., Antonio J. PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, marzo de

3 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica Solución Tecnológica para las telecomunicaciones en la red de transmisión de Genesis Telecom INFORME FINAL DE CURSOS DE COOPERACION TECNICA Y DESARROLLO SOCIAL presentado por: OSWALDO JOSÉ GONZÁLEZ MORILLO Resumen: El presente informe describe el proceso de realización y resultados de un proyecto de grado (versión Pasantía larga) de la Universidad Simón Bolívar (USB), enfocado en el diseño de un modelo de Ingeniería de detalle para la migración tecnológica de la red de la compañía Genesis Telecom C.A., realizado con la compañía Ingedigit C:A.. Análisis de crecimiento de mercado y de capacidad de la red existente revelaron la necesidad de una migración tecnológica donde la Jerarquía Digital Plesiocrónica (PDH) presente en los sistemas resultaba limitante para los planes de expansión futuros. La Jerarquía Digital Sincrónica (SDH) se presenta características propicias para solventar los problemas de capacidad y permitir una adecuada expansión de la red. Los parámetros de confiabilidad, ancho de banda y futura escalabilidad de la infraestructura resultaron de primordial consideración, a fin de actualizar la red existente. La estrategia de migración presentada generó una cantidad tangible de beneficios a Ingedigit a nivel financiero y, además, de mercado y tecnológico a Genesis Telecom. Palabras claves: SDH, PDH, backbone, migración tecnológica. Aprobado con mención: Postulado para el premio: Sartenejas, marzo de 2008

4 A mis padres con amor. Gracias por todo.

5 AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a la empresa Ingedigit y, especialmente a su personal, por permitirme la oportunidad de incursionar en el mundo laboral de manera satisfactoria. A mis tutores por los valiosos consejos y aportes en los momentos oportunos así como por las críticas constructivas tanto en la realización de la proyecto como en la preparación de este informe. A la Universidad Simón Bolívar por formarme como ingeniero y como persona. A mis amigos: ustedes saben quiénes son y no hace falta nombrarlos. Gracias. A mi familia por estar siempre al lado con dedicación, ejemplo e inteligencia. A ti, Elaine Alexandra, última pero más importante que cualquiera, gracias de corazón por el apoyo y la solidaridad dispensada a través de los años. Oswaldo José González Morillo ii

6 ÍNDICE AGRADECIMIENTOS...II ÍNDICE... III ÍNDICE DE FIGURAS... VI ÍNDICE DE TABLAS... VIII LISTA DE ABREVIATURAS... IX INTRODUCCIÓN Objetivos Sinopsis... 3 CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO Sistemas de transporte o transmisión Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy) Funcionamiento Clasificaciones de las jerarquías de PDH Ventajas Limitaciones y desventajas Jerarquía Digital Sincrónica (SDH, Synchronous Digital Hierarchy) Razones y causas para su diseño Definición Componentes de la jerarquía Estructura del frame o marco Velocidades de Transmisión Anomalías, defectos, fallas y alarmas Eventos Disponibilidad Ventajas Desventajas Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) FibeAir 1500P Rasgos principales Indoor Unit (IDU) Outdoor Unit (ODU) Alimentación Consumo de Potencia Dimensiones y Peso Condiciones ambientales Características resaltantes Configuración del sistema Especificaciones de potencia Estándares soportados iii

7 Control y monitoreo Pathloss CeraView CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL PROBLEMA Antecedentes Planteamiento del problema Justificación Alcance CAPÍTULO 3. DISEÑO DE LA SOLUCIÓN Fases del proyecto Localidades de instalación Site Survey Simulación del enlace con Pathloss Solución instalada CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y VALIDACIÓN Protocolo de verificación de instalación CeraView CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones Recomendaciones GLOSARIO REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS Anexo 1. Etapas de un proyecto de ingeniería Etapa de Pre-Venta Etapa de Venta Etapa de Post-Venta Anexo 2. Grupo Ingedigit iv

8 1. Misión Visión Valores Clientes Anexo 3. Requisitos de instalación y procedimiento para el site survey (SS) Introducción Procedimiento y características del lugar Formato rellenado para el levantamiento de información (Site survey Form) Anexo 4. Protocolo de verificación Anexo 5. Crecimiento promedio anual de distintos sectores de la economía nacional Anexo 6. Ceraview Anexo 7. Criterios para análisis de anomalías, defectos, fallas y alarmas Anexo 8. Tablas de verificación de errores Anexo 9. Memoria fotográfica v

9 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Niveles de multiplexación Figura 2. Jerarquías de multiplexación a nivel mundial Figura 3. Regenerador Figura 4. (a) y (b) Multiplexores Figura 5. Multiplexores Add And Drop. Extraído de (Tektronix, 2001, pág. 26) Figura 6. Transconectores digitales Figura 7. (A) Broadband DXC. (B) Wideband DXC. Extraído de (Tektronix, 2001, pág. 26) Figura 8. Estructura del bloque STM Figura 9. Secuencia como se transmiten los bits Figura 10. Trama STM Figura 11. Estructura básica de un bloque SDH Figura 12. División del VC Figura 13. Overhead Figura 14. Relación entre las velocidades Figura 15. Monitoreo de error en una red SDH Figura 16. Diagrama de disponibilidad. Extraído de (NetTest, 2000, pág. 5) Figura 17. Diferentes modulaciones. (a) ASK. (b) FSK. (c) PSK Figura 18. (a) Constelación de 16-APK (8,8). (b) Constelación de 16-APK (4,12) Figura 19. Espacio de señal para 16QAM Figura 20. Constelación de 128-QAM Figura 21. Ceragon 1500P. Extraído del Manual de FibeAir 1500P Figura 22. FibeAir 1500P IDU. Extraído del Manual de FibeAir 1500P Figura 23. FibeAir 1500P ODU Figura 24. Localidades de instalación Figura 25. Gráfico del enlace Caracas Teleport-Torre Eurocentro Figura 26. Información y datos sobre el enlace con Pathloss Figura 27. Esquema de la polarización dual Figura 28. Esquemático de la IDU y la ODU Figura 29. Diagrama general del enlace Figura 30. Transport Configuration en CeraView Figura 31. Selección de la constelación y ancho de banda vi

10 Figura 32. Configuración de la ODU Figura 33. Etapas de un proyecto de ingeniería Figura 34. Fases de la post-venta Figura 35. Aterramiento tanto a nivel AC como DC Figura 36. Crecimiento Promedio Anual Figura 37. Pantalla de Ceraview Figura 38. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro Figura 39. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (2) Figura 40. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (3) Figura 41. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (4) Figura 42. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (5) Figura 43. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (6) Figura 44. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (7) Figura 45. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (8) Figura 46. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (9) Figura 47. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (10) Figura 48. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (11) Figura 49. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (12) Figura 50. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (13) Figura 51. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Eurocentro. (14) Figura 52. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Caracas Teleport Figura 53. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Caracas Teleport. (2) Figura 54. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Caracas Teleport. (3) Figura 55. Antenas de transmisión. Localidad: Edif. Caracas Teleport. (4) vii

11 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Velocidades de transmisión y características Tabla 2. Características de las jerarquías americana, europea y japonesa Tabla 3. Velocidades de transmisión en SDH Tabla 4. Tabla de porcentajes para el cálculo del SES Tabla 5. Eb/No para distintas modulaciones Tabla 6. Consumo de potencias máximas Tabla 7. Dimensiones y peso de las diferentes unidades FibeAir 1500P Tabla 8. Condiciones ambientales máximas recomendadas Tabla 9. Diferentes configuraciones de FibeAir 1500P Tabla 10. Especificaciones técnicas Tabla 11. Fases y duración de la post-venta Tabla 12. Levantamiento de información: Site survey Tabla 13. Site acceptance de Eurocentro Tabla 14. Site acceptance de Caracas Teleport Tabla 15. Criterios para análisis de anomalías, defectos, fallas y alarmas Tabla 16. Reporte RSL History Table recopilado de 30 días en Eurocentro Tabla 17. Reporte RSL History Table recopilado de 30 días en Caracas Teleport Tabla 18. Reporte RSL Advanced Table recopilado en 1 día en Caracas Teleport viii

12 LISTA DE ABREVIATURAS 3G ADM ANSI ASK ATPC BIP CCITT CONATEL DXC EMS FSK IDU IEEE Indoor ITU LOS NMS OAM Tercera Generación. Multiplexores extracción-inserción. Por sus siglas en inglés Add and Drop Multiplexer. Instituto Americano Nacional Para Estándares. Por sus siglas en inglés American National Standards Institute. Modulación por Desplazamiento de Amplitud. Por sus siglas en inglés Amplitude Shift Keying. Control Automático de Potencia de Transmisión. Por sus siglas en inglés Automatic Tx Power Control. Paridad por interpolación de bits. Por sus siglas en inglés Bit Interleaved Parity. Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico. Por sus siglas en francés Comité Consultif International de Telegraphique et Telephonique. Comisión Nacional de Telecomunicaciones. Trans-conectores Digitales. Por sus siglas en inglés Digital Cross Conector. Sistema de Gestión de Elemento. Por sus siglas en inglés Element Management System. Modulación por Desplazamiento de Frecuencia. Por sus siglas en inglés Frequency Shift Keying. Unidad interna. Por sus siglas en inglés Indoor Unit. Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. Por sus siglas en inglés Institute of Electrical and Electronic Engineer. Elementos instalados en una sala. Unión Internacional de Telecomunicaciones. Por sus siglas en inglés International Telecommunications Union. Línea de vista. Por sus siglas en inglés Line Of Sight. Sistema de Gestión de Red. Por sus siglas en inglés Network Management System. Operación, Administración y Mantenimiento. Por sus siglas en inglés Operation, Administration and Maintenance. ix

13 ODU Unidad externa. Por sus siglas en inglés Outdoor Unit. Outdoor Elementos instalados a la intemperie. PDH Jerarquía Digital Plesiócrona. Por sus siglas en inglés Plesiochronous Digital Hierarchy. PSK Modulación por Desplazamiento de Fase. Por sus siglas en inglés Phase Shift Keying. QAM Modulación de amplitud en Cuadratura. Por sus siglas en inglés Quadrature Amplitude Modulation. RF Radio frecuencia. RSL Nivel de Señal recibida. Por sus siglas en inglés Received Signal Level. SDH Jerarquía Digital Sincrónica. Por sus siglas en inglés Synchronous Digital Hierarchy. SNMP Protocolo de Administración de Redes. Por sus siglas en inglés Simple Network Management Protocol. SONET Red Óptica Sincrónica. Por sus siglas en inglés Synchronous Optical Network. STM Modulo de Transporte Síncrono. Por sus siglas en inglés Synchronous Transport Module. UPS Sistema de alimentación ininterrumpida. Por sus siglas en inglés Uninterruptible Power Supply. También es conocido como battery backup. VC Contenedor Virtual. Por sus siglas en inglés Virtual Container. WDM División por multiplexación por longitud de onda. Por sus siglas en inglés Dense Wavelength Division Multiplexing. XPIC Eliminador de interferencia de Polarización cruzada. Por sus siglas en inglés Cross Polarization Interference Canceller. x

14 INTRODUCCIÓN El presente informe, es escrito ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial a fin de optar al título Ingeniero Electrónico. El mismo fue elaborado por el Bachiller Oswaldo González, con la asesoría del Profesor Antonio J. Salazar E. a partir del proyecto de grado titulado, Solución Tecnológica para las telecomunicaciones en la Red de Transmisión de Genesis Telecom, bajo la tutoría del Ingeniero Aníbal Pita, de la empresa Ingedigit a la cual le es adjudicado el proyecto como empresa de servicios de ingeniería e instalación. La empresa Génesis Telecom es uno de los principales proveedores de banda ancha para servicios de Internet y transmisión de datos a nivel corporativo y empresarial. En consecuencia necesita tener una red de transmisión (RT) de alta confiabilidad y capacidad para satisfacer las demandas de sus clientes.. Es la base de la RT o backbone, por su nombre en inglés, la que determina las limitaciones de desempeño de una RT y es por ello que especial énfasis debe prestarse en su diseño y configuración. El backbone transporta datos recogidos de líneas dedicadas que están conectadas a ella, es decir, es el camino donde converge el tráfico de datos de todos los servicios que brinda una red; representa, por otra parte, una ruta de alta velocidad para el intercambio de información entre las diferentes redes LAN o subredes constituyendo un tope superior para las velocidades de transmisión en la red. Después de diferentes evaluaciones Genesis Telecom determino que su infraestructura del backbone en cuestión se encuentra basada en una jerarquía digital plesiócrona y en diferentes evaluaciones realizadas por parte de Génesis Telecom se concluyó que la misma se encuentra en el tope de capacidad de transmisión y, en consecuencia, no puede aceptar la totalidad de clientes que el mercado ofrece debido a que, por disposiciones de CONATEL (Comisión Nacional de Telecomunicaciones), debe ofrecer un nivel de disponibilidad de un 99,999% anual. Esto se traduce en estándares de Calidad de Servicio (QoS, Quality Of Service) que no podría ser alcanzado en caso de admitir toda la demanda lo cual 1

15 podría llegar a ocasionar la pérdida de la concesión del espectro radioeléctrico asignado. El proyecto consistió en el diseño e implementación de una solución que permita eliminar el inconveniente antes explicado de una manera sencilla y económicamente viable. Para llevar a cabo esta tarea, se escogerán los componentes y equipos que satisfagan las necesidades técnicas y financieras tanto de Ingedigit como de Genesis Telecom. Dichos componentes serán buscados en el mercado y se escogerán en base a criterios de integración, precio, disponibilidad de repuestos y servicio. El proyecto será desarrollado según la lógica diseñada, simulado con el software especializado disponible (Pathloss ) y verificado mediante el software asociado del equipo a instalar (CeraView ) a fin de determinar la tasa de errores en la nueva red. 1. Objetivos El objetivo general planteado al realizar la pasantía fue optimizar y actualizar la red de transmisión de datos establecida por la compañía Genesis Telecom a través del diseño y desarrollo de propuestas para corregir las fallas existentes o futuras, según los requerimientos de la red en cuanto a los siguientes parámetros: ancho de banda, disponibilidad, sincronismo, seguridad, confiabilidad y costos. Los objetivos específicos pueden ser numerados de la siguiente forma: Estudiar la red existente con el fin de determinar los parámetros y requisitos de la misma a nivel de ancho de banda, sincronismo y calidad de servicio. Adquirir conocimientos relacionados con Redes y conocer los componentes principales de una red, tales como: routers, firewalls, jerarquías de transmisión, capas, switches, entre otros. Formarse un criterio de decisión en cuanto a la implementación más adecuada para la red y la empresa. Familiarizarse con las herramientas disponibles de simulación en cuanto a sus características, limitaciones y costos aproximados de utilización así como examinar la naturaleza de la negociación a nivel corporativo. 2

16 Determinar las pautas que deberán ser tomadas en cuenta para la presentación de las propuestas, a fin de lograr un efecto positivo en el mercado. Estudiar del proceso de elaboración de las ingenierías de detalle, involucrando las responsabilidades tanto de Ingedigit como del cliente. 2. Sinopsis Este informe está integrado por tres conjuntos principales. El primero plantea la problemática y la situación actual a enfrentar, cómo abordar el proyecto justificando la razón de ser del mismo y delimitando su alcance. Así mismo propone una serie de objetivos específicos como metodología para alcanzar el objetivo general. En la segunda sección, se hace una revisión teórica de cada uno de los elementos, componentes y tecnologías que son indispensables conocer y dominar para desarrollar el proyecto exitosa y eficientemente. Se definen desde procesos complejos a nivel de ingeniería hasta el detalle de los equipos a utilizar. En la tercera parte, se presenta la metodología y los resultados obtenidos. En primer lugar, se presenta la metodología y protocolos utilizados para alcanzar la solución que se contempla en el objetivo general, explicando cada una de las actividades que sirvieron de soporte para definir los parámetros y poder así, desarrollar los procesos y la documentación que conducirá a la ingeniería de detalle. También se explica cada uno de las herramientas que se emplearon para conseguir un diseño óptimo, la forma en que se implemento y los resultados que se obtuvieron. Por último, se realizan una serie de conclusiones y recomendaciones las cuales se obtuvieron de esta investigación. El objeto de este documento es mostrar la elaboración del modelo de ingeniería de detalle con fin se estandarizar las instalaciones futuras similares a las de este proyecto. 3

17 Capítulo 1. MARCO TEÓRICO 1.1. Sistemas de transporte o transmisión Así como las redes de comunicaciones digitales crecieron en complejidad alrededor de 1980, la demanda de los operadores de redes y sus usuarios creció en búsqueda de mayores aplicaciones y características que no pudieron ser satisfechas rápidamente con las redes de transporte existentes en el momento. Esas aplicaciones estaban basadas en multiplexación de alto orden jerárquico de hasta 140 Mbps o 565 Mbps en Europa y que había sido definida a finales de los años 1960 y principios de los 1970 junto con el concepto de transmisión digital a través de cables coaxiales destinados, principalmente, para telefonía. Estas aplicaciones estaban limitadas por el alto costo del ancho de banda y de los equipos. Esta técnica de multiplexación permitía combinar tasas asincrónicas, mejor dicho, plesiocrónica, que derivarían en la Jerarquía Digital Plesiocrónica, más ampliamente conocida como PDH. El desarrollo tanto de transmisión a través de fibra óptica como de circuitos integrados a gran escala permitió crear estándares más complejos que, añadiéndose a la demanda por mejores y más sofisticados servicios, que requerían mayor ancho de banda, facilidades para el monitoreo de errores y mayor flexibilidad en las redes Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy) Funcionamiento Las redes analógicas de radio estaban basadas en la multiplexación por división de frecuencias (FDM). Los sistemas digitales que sustituyeron estuvieron fundamentados en la multiplexación por división de tiempo y el uso de la modulación por codificación de pulso (Pulse Code Modulation, PCM) para formar la tasa de la línea digital primaria (E1 o T1). Para poder producir velocidades mucho más altas se usan nuevas multiplexaciones. Este procedimiento no es realizado sincrónicamente pero proporciona la apariencia de que lo es debido a un proceso llamado stuffing o 4

18 relleno. El término plesiócrono se deriva del griego plesio, que significa cercano y chronos tiempo, y se refiere al hecho de que las redes PDH funcionan en un estado donde las diferentes partes de la red están casi, pero no completamente sincronizadas, es decir, cada multiplexor utiliza su propio reloj. Es decir, si dos señales son plesiócronas, sus transiciones ocurren casi al mismo tiempo puesto que las diferencias están limitadas a cierto rango reducido establecidos por el ITU-T en la recomendación G.811. (Tektronix, 2001, pág. 25). La red no se sincroniza de ninguna manera pues el reloj usado en cada nivel de multiplexación es independiente de los otros niveles; lo cual se transforma en mayor sencillez pero mayor costo. Las multiplexaciones de orden mayor usan bits de intercalado para las cadenas de bits de entrada dentro de una cadena de orden mayor. Cada cadena E1 o T1 es esencialmente libre en su path pues no se encuentra limitada a una señal de reloj central. La tasa de bits nominal E1 es 2048 Kbps ± 50 ppm. Cuatro cadenas de 2 Mbps son multiplexadas dentro de una cadena de 8 Mbps de la siguiente forma: las cadenas de datos de entrada son leídas dentro de buffers de almacenamiento usando un reloj que es extraído desde la propia cadena de bits. Los bits son copiados a cada buffer uno por uno e intercalando bits que son agregados usando el reloj principal del multiplexor. Para asegurarse de que los datos de la entrada sean los más rápido posibles para no causar sobre flujo (overflow) en los buffers, el reloj del multiplexor corre en una tasa más alta que la cadena de entrada más rápida. Hay también bits extras agregados a la cadena secundaria así la tasa del reloj necesita ser incluso mayor para permitir al reloj de línea pararse mientras los bits extras de la cabecera son agregados. Al correr el reloj más rápido quiere decir que existe una tendencia natural para que los buffers funcionen vacios. Para evitar esto, cuando un cierto nivel es alcanzado, el buffer nota que el reloj está detenido y durante este periodo bits de stuffing (relleno) son insertados dentro de la señal. Bits especiales de sincronización son usados para comunicar al demultiplexor en el otro terminal que bits son realiza y cuales son de relleno para poder eliminar los bits de relleno. Además de los bits de relleno, un paquete de palabra de alineación es agregado para crear un paquete 5

19 total de 8,448 Mbps. La tasa más altas de 34 Mbps y 140 Mbps (Ver Tabla 1) son construidas de un modo similar multiplexando 4 señales de más baja velocidad. La Figura 1 muestra lo expuesto anteriormente: Figura 1. Niveles de multiplexación. Los flujos de datos que llegan a los multiplexores se les suele llamar como tributarios, afluentes o cargas del múltiplex de orden superior. En la Tabla 1 se muestra un resumen de las velocidades de transmisión en PDH reguladas con la ITU-T. Tabla 1. Velocidades de transmisión y características. Estándar Tasa Tamaño Formato Frame Amplitud G.704/ Kbps 256 bits E V ± 50 ppm G Kbps 848 bits E V ± 30 ppm G Kbps 1536 bits E V ± 20 ppm G Kbps ± 15 ppm 2928 bits E V Kbps: Mil bits por segundo. Ppm: Partes por millón. 6

20 Clasificaciones de las jerarquías de PDH. Existen tres jerarquías PDH: la europea, la americana y la japonesa. La europea usa la trama descrita en la norma G.732 de la UIT-T mientras que la americana y la japonesa se basan en la trama descrita en G.733. Al ser tramas diferentes habrá casos en los que para poder unir dos enlaces que usan diferente norma haya que adaptar uno al otro, en este caso siempre se convertirá la trama al usado por la jerarquía europea. En la Tabla 2 y Figura 2 que siguen se muestran los distintos niveles de multiplexación PDH utilizados en Norteamérica (Estados Unidos y Canadá), Europa y Japón. Tabla 2. Características de las jerarquías americana, europea y japonesa. Norteamérica Europa Japón Circuito Mbps Nivel Circuito Mbps Nivel Circuito Mbps Nivel 24 1,544 T1 30 2,048 E1 24 1,544 J1 96 6,312 T ,448 E J ,736 T ,368 E ,064 J ,176 T ,264 E ,728 J4 Mbps: Un millón de bits por segundo. Las jerarquías de 1544 y 2048 Kbps se diferencian tanto en la codificación como en la trama. La norma de facto de 24 canales que da origen a 1544 Kbps se deriva del hecho que la Bell Labs (1960) pretendió mantener la compatibilidad con el sistema de 24 canales FDM. Algunos años más tarde, en 1965, Europa cambió la codificación (ley µ por la ley A) e incorporó la velocidad de 2048 Kbps para adoptar una potencia de 2. 7

21 Figura 2. Jerarquías de multiplexación a nivel mundial Ventajas Reducción del tamaño del equipo empleado. Uso de circuitos integrados Disminución del costo del quipo empleado. Incremento de la capacidad de los enlaces. Simplicidad y bajo costo en los repetidores (regeneradores). No distorsión por amplitud. Seguridad en los datos transportados (bit interleaving). 8

22 Limitaciones y desventajas Para insertar o soltar un canal individual o para añadir un canal con una tasa menor al backbone es necesaria toda una cadena de multiplexores y demultiplexores según sea el caso, es decir, es imposible identificar una señal de orden inferior dentro de un flujo de orden superior, siendo necesario demultiplexarla señal de línea hasta el nivel deseado y volver a multiplexar (multiplexar-remultiplexar). Para multiplexar las señales desde 2Mbps hasta 140 Mbps son necesarios 22 multiplexores y un total de aproximadamente 106 cables. Por esta razón no es adecuado para altos volúmenes de tráfico. Las uniones con jerarquía PDH generalmente están limitadas a configuraciones punto a punto con demultiplexaje completo en cada switche o nodo con crossconnect. Incompatibilidad entre las superficies ópticas de dos fuentes pueden causar un gran número de problemas de integración en el sistema. Debido a las diferentes jerarquías plesiócronas existentes a nivel mundial (Europea, americana y japonesa), es difícil la interconexión de redes internacionales. Limitada capacidad de control centralizada y automatización de la red. Las funciones de mantenimiento y supervisión de la red son limitadas pues se utilizan pocos bits para alarmas. En otras palabras, poca capacidad para información de gestión y canales de servicio. Solo interfaces eléctricas (no ópticas). Velocidad máxima normalizada de 140 Mbps Jerarquía Digital Sincrónica (SDH, Synchronous Digital Hierarchy) El nacimiento de SDH (Synchronous Digital Hierarchy) ha sido influenciado y favorecido por dos factores principalmente que explicaremos por orden cronológico: El primero de ellos fue causado por la división de BOC (Bell Operating Companies) en 1984 pues las compañías de teléfonos locales de EUA debieron conectarse a múltiples portadoras de larga distancia, todas con diferentes sistemas ópticos TDM 9

23 (Time Division Multiplexing) surgiendo numerosos problemas haciendo imprescindible la estandarización. El segundo ocurre en el año 1986, cuando la empresa Bell Core le hace una propuesta a ANSI (American National Standards Institute) de estandarizar la llamada SONET (Synchronous Optical Network) concebida por ellos mismos. Esto con la finalidad de establecer un patrón en transmisiones a banda ancha para que los operadores pudieran utilizar una interfaz común en relación al formato de los frames, los protocolos de señalización, flexibilidad e inteligencia de la red y encabezado para monitoreo de errores. Luego en 1989, el CCITT (Comité Consultif International de Télégraphique et Téléphonique), actualmente llamado como ITU-TS (International Telecommunications Union-Telecommunications Services Sector), le hace a esta tecnología un conjunto de estandarizaciones, modificaciones y/o recomendaciones pertenecientes al Blue Book (G.707, G.708 y G.709) creando una jerarquía que hoy en día se conoce como SDH, la cual es completamente compatible con su equivalente americano SONET. Desde 1989 al día de hoy, ha habido 6 modificaciones al Blue Book, estando vigente hoy en día solamente la recomendación G Razones y causas para su diseño Las principales razones en el diseño de SDH o SONET según Andrew Tanenbaum eran las siguientes: Se necesitaban medidas (definir un estándar de señalización común con respecto a la longitud de onda, la temporización, la estructura de frames y otras especificaciones) para unificar los sistemas digitales estadounidense, europeo y japonés, los cuales se basaban en canales PCM (Pulse-code Modulation) de 64 Kbps, pero combinados en formas diferentes e incompatibles (1997, pág. 125) lo que dificultaba la comunicación entre redes de diferentes países y/o estándares. 10

24 La portadora digital de mayor velocidad que se usaba ampliamente en EUA era la T3, a 44.7 Mbps. La T4 se había definido pero no se utilizaba mucho, y nada se había definido todavía por encima de la velocidad T4. Parte de la misión de SONET, y luego de SDH, era continuar la jerarquía a Gbps y decenas de Gbps. Por otra parte, la nueva tecnología tenía que proporcionar un mecanismo para multiplexar varios canales digitales, es decir, estandarizar la forma de multiplexar canales más lentos en un solo canal SONET o SDH (1997, pág. 125). Los sistemas anteriores no proporcionaban apoyo para las operaciones, la administración y el mantenimiento (OAM) de manera eficiente lo cual se vislumbraba indispensable en el mercado emergente. (1997, pág. 125) Definición SDH es un estándar para redes de telecomunicaciones de alta velocidad y alta capacidad. Más específicamente es una jerarquía digital sincrónica, es decir, las transiciones en las señales ocurren exactamente a la misma tasa. Aunque existan diferencias de fase entre dos señales, estás se encuentran dentro de ciertos límites específicos. En una red síncrona, todos los relojes están acoplados a un reloj, conocido como PRC (Primary Reference Clock) y derivado de un átomo de cesio con precisión mejor a 1x10 (Tektronix, 2001, pág. 1), generando los tiempos para los intervalos a los que serán enviados los bits. SDH tiene como misión principal proveer una infraestructura de redes de telecomunicaciones simple, económica y flexible. Otra característica importante, e imprescindible para el proyecto en cuestión, es que a pesar que tanto SONET como SDH fueron ideadas para transmisión por fibra óptica, también es muy común la existencia de sistemas de radio frecuencias c a través de la jerarquía SDH o SONET. 11

25 Por otra parte, SDH y SONET proporciona la tecnología necesaria para la comunicación a nivel de la capa física según el modelo OSI, es decir, actúan como carriers de múltiples protocolos de más alto nivel. Por lo tanto, paquetes ATM (Asynchronous Transfer Mode) o IP (Internet Protocol) pueden ser configurados para llevarse a través de SDH o SONET (Tektronix, 2001, pág. 30) Componentes de la jerarquía. Las redes SDH actuales están formadas básicamente por cuatro tipos de elementos. Los componentes son los siguientes: 1. Regeneradores: Como su nombre implica, los regeneradores se encargan de regenerar el reloj y la amplitud de las señales de datos entrantes que han sido atenuadas y distorsionadas por la dispersión y otros factores como el ruido que se producen debido a grandes distancias entre multiplexores. Los regeneradores (ver Figura 3) recuperan la temporización de la señal recibida o del flujo de datos entrante y reemplazan los bytes de RSOH antes de transmitir la señal. Los bytes de MSOH, POH y la carga no son alterados (Tektronix, 2001, pág. 25). Figura 3. Regenerador. 2. Multiplexores: Los multiplexores (ver Figura 4) se emplean para combinar las señales de entrada plesiócronas y síncronas en señales STM-N de mayor velocidad. En general, realiza las siguientes acciones: I) Multiplexan/demultiplexan señales síncronas STM-N en STM-M. II) No alteran 12

26 el contenido de las señales transportadas. III) La multiplexación estandarizada se realiza agregando cuatro señales de nivel inferior. Figura 4. (a) y (b) Multiplexores. 3. Multiplexores Add/Drop (ADM): Los ADM representan una de las mayores ventajas de la jerarquía SDH pues permiten insertar o extraer señales plesiócronas y/o síncronas de menor velocidad binaria (tributarias) en el flujo de datos de alta velocidad (Tektronix, 2001, pág. 25). Gracias a esta característica (ver Figura 5) es posible configurar estructuras en anillo, que ofrecen la posibilidad de conmutar automáticamente a un trayecto de reserva en caso de fallo de alguno de los elementos del trayecto. A pesar de que todos los elementos de red son compatibles para todos los niveles STM-N, pueden ser diferentes de proveedor a proveedor ya que las regulaciones de SDH no restringen a un productor de producir solo tipo de producto pero tampoco de producirlos todos. Es decir, por ejemplo, un proveedor puede ofrecer un ADM con acceso únicamente a nivel E1 mientras que otro puede ofrecer acceso a tasas E1 y E4. 13

27 Figura 5. Multiplexores Add And Drop. Extraído de (Tektronix, 2001, pág. 26). 4. Trans-conectores digitales (DXC): Este elemento de la red es el que más funciones tiene y se usan para consolidar o segregar señales STM-1 o para la gestión del tráfico de banda ancha. Por ejemplo, puede ser usado para segregar o separar tráficos de alto ancho de banda de los de bajo ancho de banda para ser mandados de manera separada o independiente para el switch de alto ancho de banda (video, por ejemplo) y para el de bajo ancho de banda (voz, por ejemplo). Una gran diferencia entre un DXC y un ADM es que DXC (ver Figura 6) pueden ser usados para interconectar un número mucho mayor de señales STM-1. Por ejemplo, un cruce de conexión DXC 4/1 será capaz de terminar una señal de nivel 4 (STM-1 o E4) y cruzar conexiones en nivel 1 (direcciones de orden inferior tales como VC-12). Un DXC 4/4 puede terminar en troncales de nivel 4 (STM-1) pero será limitado a un cruce de conexiones de nivel 4 igualmente (VC-4). 14

28 Figura 6. Transconectores digitales. Se clasifican en dos tipos como se muestra en la Figura 7: 4.1. Broadband DXC: Este conector realiza la interfaz entre las señales SDH y señales tributarias de mayor orden. El conector accesa las señales STM-N y switchea a nivel AU-4 (Tektronix, 2001, pág. 26) Wideband DXC: Este conector acepta varias tasas de flujo SDH, accesa las señales STM-1, y conecta la carga, por ejemplo, al nivel TU-12. Una gran ventaja de este conector es que se requieren menos acciones de multiplexaje y demultiplexaje debido a que solo se necesitan accesar y switchear las tributarias especificas (Tektronix, 2001, pág. 26). Figura 7. (A) Broadband DXC. (B) Wideband DXC. Extraído de (Tektronix, 2001, pág. 26) 15

29 Estructura del frame o marco El formato o marco básico de SDH es el llamado STM-1 (Synchronous Transport Module) lo cual significa que es la menor velocidad prevista para la transmisión a través de un enlace SDH. Posee la siguiente estructura: Contiene 2430 octetos distribuidos en 9 filas y 270 columnas donde cada byte representa un canal de 64 Kbps, es decir, cada uno de ellos es transmitido cada 125 microsegundos, lo cual representa un total de 8000 tramas por segundo. Esto conlleva a una tasa total de 9x270x64Kbps=155,52 Mbps. El modo de transmisión es serial, es decir, byte por byte, fila por fila, de izquierda a derecha y de arriba abajo, (Tektronix, 2001, pág. 5). La anterior descripción se observa claramente en la Figura 8 mostrada a continuación: Figura 8. Estructura del bloque STM-1. Es importante destacar que el bit MSB (Most Significant Bit) es transmitido primero y, de último, el LSB (Least Significant Bit) como se muestra en la Figura 9: Figura 9. Secuencia como se transmiten los bits. 16

30 La trama consta de dos secciones principales que se muestran en la Figura 10: 1. Contenedor Virtual (Virtual Container, VC): 9 filas con 261 columnas. 2. Encabezado (Overhead, OH): Las primeras 9 filas y 9 columnas. Figura 10. Trama STM-1. El encabezado está compuesto por 2 unidades principalmente: A) Sección de encabezado (Section Overhead, SOH) y B) Los Punteros (Pointers, PTR) ubicados en la fila 4 y las columnas 1-9 son 9 bytes agrupados en tríos llamados H1, H2 y H3 respectivamente. Los Punteros junto con el VC se conocen como Unidad Administrativa (Administrative Unit, AU). Lo anterior se ilustra en la Figura 11: Figura 11. Estructura básica de un bloque SDH. El Virtual Container (VC) se divide en Path Overhead (POH), que se ubica en la primera fila, y en la carga útil o información (Payload) que viene a representar el resto y puede a su vez llevar otros containers (ver Figura 12). El POH representa información suplementaria para asegurar confiabilidad en el transporte del 17

31 contenedor de extremo a extremo, es decir, representa bits de supervisión y mantenimiento. Figura 12. División del VC. El encabezado (SOH) se divide de la siguiente manera como se observa en la Figura 13: RSOH = Regeneration Section Overhead (filas 1-3 y columnas 1-9) el cual monitorea el STM-N completo. MSOH = Multiplexation Section Overhead (filas 5-9 y columnas 1-9) el cual monitorea el STM-1 en STM-N. PTR = Pointer (fila 4 y columnas 1-9) el cual indica el primer byte del contenedor de información útil. Los punteros permiten diferencias de frecuencias y fase de los contenedores. Figura 13. Overhead. 18

32 Velocidades de Transmisión. La velocidad de transmisión básica en SDH es Mbps, sin embargo, multiplexando, ver Figura 14, se puede llegar a velocidades mayores como 10 Gbps (Tabla 3). Figura 14. Relación entre las velocidades. Tabla 3. Velocidades de transmisión en SDH. Nivel SDH Tasa de Línea (Mbps) Payload (Mbps) Tasa Overhead (Mbps) STM-0 51,840 50,112 1,728 STM-1 155, ,336 5,184 STM-3 466, ,008 15,552 STM-4 622, ,344 20,736 STM-6 933, ,016 31,104 STM , ,688 41,472 STM , ,368 67,392 STM , ,376 82,944 STM , , ,888 STM , , ,776 STM , , ,104 Mbps: Un millón de bits por segundo. STM-N: Velocidad de transmisión que equivale a N veces STM-1. 19

33 Anomalías, defectos, fallas y alarmas. La estructura del frame en la tecnología SDH ha sido diseñada para contener gran cantidad de información en el encabezado (Overhead) que facilita y proporciona funciones e información acerca de la gestión y manejo de errores como son: Indicación de Alarma de señales (AIS). Monitoreo de errores usando BIP-N. Pointer Adjustment Information. Estatus del Path Path Trace Section Trace Etiquetas a las señales Indicación de nueva data. Data Communications Channels (DCC). Automatic Protection Switching (APS) Control. Orderwire. Estatus de sincronización del mensaje. El monitoreo de errores está basado en la paridad por interpolación de bits (BIP) y es calculado frame por frame. Estos cálculos de paridad se insertan en las diferentes secciones del frame: RSOH, MSOH y POH. Adicionalmente, los equipos de terminación tanto de orden alto como de bajo orden producen indicadores de errores remotos (REI) basados en los errores detectados en el High-Order Path y en el Low-Order Path BIP respectivamente (ver Figura 15 y Tabla 15). 20

34 Figura 15. Monitoreo de error en una red SDH Eventos Existen cinco eventos descritos en las recomendaciones de la ITU-T. Son los siguientes: Bloque errado (Errored Block, EB) (G826, G828, G829): Corresponde a un bloque con uno o más bits errados. Segundo errado (Errored Second, ES) (G821, G826, G828, G829): Es el periodo de un segundo durante el cual uno o más bloques errados o al menos un defecto son recibidos. Segundo extremadamente errado (Severely Errored Second, SES) (G821, G826, G828, G829): En G826 y G828, corresponde al periodo de un segundo con un número de bloques errados igual o mayor al 30% del número total de bloques en un segundo o al menos un defecto. En G829 se modifico el porcentaje haciéndolo dependiente de la tasa de bits por segundo de la siguiente manera: Tabla 4. Tabla de porcentajes para el cálculo del SES. STM-0 STM-1 STM-4 STM-16 STM-64 MSOH 15% 15% 25% 30% 30% RSOH 10% 30% 30% 30% ND ND: No disponible. STM-N: Velocidad de transmisión que equivale a N veces STM-1. 21

35 Background Block Error (BBE) (G826, G828, G829): Corresponde a un bloque errado que no ocurre como SES. Período extremadamente errado (Severely Errored Period, SEP) (G828): es un conjunto de 3 a 9 segundos extremadamente errados (SES) seguidos de un segundo bueno (no un SES) Disponibilidad Las recomendaciones G827 y G827.1 de la ITU (International Telecommunications Union) dan la misma definición de tiempo de disponibilidad: para un enlace unidireccional, un periodo de no disponibilidad comienza con el primer SES de diez consecutivos que deben ocurrir y un periodo de disponibilidad comienza con el primer segundo no SES de diez consecutivos que deben ocurrir (NetTest, 2000, pág. 5). El diagrama a continuación (Figura 16) explica lo anterior: Figura 16. Diagrama de disponibilidad. Extraído de (NetTest, 2000, pág. 5) Las recomendaciones G827 y G827.1 definen dos parámetros relacionados con disponibilidad: Tasa de Disponibilidad (Availability Ratio, AR: Representa la tasa o relación de tiempo que un elemento o camino está disponible durante un tiempo de observación específico. 22

36 Tiempo medio entre interrupción de enlace (Mean time between digital path Outage, MO): Es el promedio de duración de cualquier intervalo continuo de tiempo durante el cual el enlace o elemento está disponible Ventajas La tecnología SDH, ofrece a los proveedores de redes las siguientes ventajas: Altas velocidades de transmisión: Los modernos sistemas SDH logran velocidades de 10 Gbps. Por esta razón, SDH se encuentra entre las tecnologías más adecuadas para los backbones, que constituyen realmente las súper-autopistas de las redes de telecomunicaciones actuales. Facilidad de inserción/extracción: Comparado con los sistemas PDH tradicionales, ahora es mucho más fácil extraer o insertar canales de menor velocidad en las señales compuestas SDH de alta velocidad. Ya no hace falta demultiplexar y volver a multiplexar como en la jerarquía PDH, procedimiento que en el mejor de los casos era complejo y costoso. Esto se debe a que en la jerarquía SDH todos los canales están perfectamente identificados por medio de "etiquetas" (llamados pointers o tags) que hacen posible conocer exactamente la posición de los canales individuales. Alta disponibilidad y grandes posibilidades de ampliación: La tecnología SDH permite a los proveedores de redes reaccionar rápida y fácilmente frente a las demandas de sus clientes. Por ejemplo, conmutar las líneas alquiladas es sólo cuestión de minutos. Empleando un sistema de gestión de redes, el proveedor de la red puede usar elementos de redes estándar controlados y monitorizados desde un lugar centralizado. Fiabilidad: En una red SDH, los elementos de red se monitorean de extremo a extremo y se gestiona el mantenimiento de la misma. Por lo tanto, un problema en un enlace o en un elemento de la red no provoca el colapso de toda la red, lo que podría ser un desastre financiero para el proveedor. La gestión de red 23

37 permite la inmediata identificación de un fallo en un enlace o nodo de la red. Utilizando topologías con caminos redundantes la red (arquitectura en anillo por ejemplo) se reconfigura automáticamente y reencamina el tráfico instantáneamente hasta la reparación del equipo defectuoso. Es por esto que los fallos en la red de transporte son transparentes desde el punto de vista de una comunicación extremo a extremo, garantizando la continuidad de los servicios. Interconexión: Con SDH es mucho más fácil crear pasarelas entre los distintos proveedores de redes. Las interfaces SDH están normalizadas, lo que simplifica las combinaciones de elementos de redes de diferentes fabricantes. La consecuencia inmediata es que los gastos en equipamiento son menores en los sistemas SDH que en los sistemas PDH. El motor que genera toda esta evolución es la creciente demanda de más ancho de banda, mejor calidad de servicio y mayor fiabilidad, junto a la necesidad de reducir costos manteniendo la competitividad Desventajas Complejidad debido al manejo de apuntadores. La señal de reloj debe ser aplicada externamente. La multiplexación byte a byte introduce mayor inquietud que la multiplexación bit a bit. La existencia de estructuras plesiócronas diferentes en las jerarquías europea y americana obliga a implementaciones diferentes a nivel de hardware. 24

38 1.2. Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) Existe actualmente una clara tendencia hacia los sistemas digitales de comunicación. La mayoría de los servicios, analógicos hasta hace algunos años, hoy son todos de naturaleza digital. Para que una señal, ya sea analógica o digital, pueda transmitirse eficientemente a través de un medio o canal de comunicación, es necesario contar con algún método de modulación. La modulación consiste en modificar una o varias características (ya sea amplitud, frecuencia o fase) de una señal en función de las variaciones de la señal que contiene la información a transmitir. Las técnicas de modulación digital pueden agruparse en tres grupos dependiendo de la característica que se varíe en la señal portadora. Cuando se varía la amplitud, la técnica de modulación digital que se utiliza se conoce como Conmutación por Corrimiento en Amplitud (ASK, Amplitude Shift Keying). Si se varía la frecuencia o la fase las técnicas empleadas serían la Conmutación por Corrimiento en Frecuencia (FSK, Frequency Shift Keying) o en Fase (PSK, Phase Shift Keying), respectivamente. Cualquiera que sea la técnica empleada, la amplitud, la frecuencia o la fase de la señal portadora podrá tomar únicamente un número finito de valores discretos. Es posible introducir una modulación que modifique tanto la amplitud como la fase para mejorar el estado de las señales y su constelación conociéndose este tipo de modulación por el nombre APK (Conmutación por Corrimiento en Amplitud y Fase, Amplitude Phase Keying). 25

39 Figura 17. Diferentes modulaciones. (a) ASK. (b) FSK. (c) PSK. La primera propuesta en este tipo de modulación consistió en una constelación con dos amplitudes diferentes que creaban un anillo, cada uno de ellos con ocho fases diferentes como se observa en la Figura 18(a). Luego, se observo que colocando únicamente la mitad de los puntos en el anillo interno se conseguía una mejora sustancial de 3 db pues los puntos de la constelación se espaciaban en 12 fases diferentes (Glover y Grant, 1998, pág. 393) como se observa en Figura 18 (b). Figura 18. (a) Constelación de 16-APK (8,8). (b) Constelación de 16-APK (4,12). A continuación, se mejoro nuevamente la configuración colocando una constelación de forma cuadrada la cual es fácil de implementar y tiene una 26

40 probabilidad de error menor. Debido a que esta constelación cuadrada puede ser vista como un par de señales multinivel ASK moduladas con portadoras en cuadratura se acuño el nombre Modulación de Amplitud en Cuadratura. Figura 19. Espacio de señal para 16QAM. Glover y Grant (1998, pág. 393) afirman lo siguiente: Una aproximación a la probabilidad de error para M-QAM, con M par, con un canal de ruido blanco gaussiano la siguiente: Pe 2 1 erf (1) Donde E es la energía promedio por símbolo. Esta energía está dada por la siguiente relación en el caso de símbolos de pulsos rectangulares equiprobables: C E /T, N BN (2) E E /log M (3) E M 1 T (4) 27

41 Donde V es la separación de voltaje entre dos niveles adyacentes tanto en fase como en cuadratura y T es la duración del símbolo en tiempo. Con las siguientes relaciones C E /T, N BN y E E /log M y codificación tipo Gray se puede escribir la ecuación de la probabilidad de error de bit de la siguiente forma: P / / 1 erf / (5) La eficiencia espectral está dada, para símbolos equiprobables y estadísticamente independientes, por la siguiente ecuación: η bits/hz (6) A continuación se presenta una tabla (Tabla 5) que compara los valores de Eb No para distintos esquemas de modulación manteniendo siempre las siguientes condiciones: P 10 y T B 1. Tabla 5. Eb/No para distintas modulaciones. Tipo de Modulación QPSK QAM PSK PSK QAM QAM QAM QAM 21,1 256-QAM 23,5 28

42 Figura 20. Constelación de 128-QAM FibeAir 1500P FibeAir 1500P es la solución modular de CERAGON para redes de alta capacidad diseñada para satisfacer la creciente demanda del mercado de sistemas espectralmente eficientes. Este equipo, mostrado en la Figura 21, está diseñado para entregar doble la capacidad usando un solo canal de 28 MHz. Además, el sistema es modular, fácil de instalar y representa una alternativa rentable Rasgos principales. 311 Mbps sobre un solo canal de 28 MHz. Una solución de 155Mbps rentable desde un punto de vista costo-eficiencia con una topología en anillo proveyendo un solo 1U IDU para una conexión Este- Oeste (East-West). Un diseño modular para aumentar fácilmente la capacidad. Opera en la banda de frecuencia entre 6-38 GHz. 29