Repetidores de radio sobre fibra óptica para comunicaciones móviles celulares El proyecto "Radio sobre Fibra" ha dotado a Telefónica Móviles de una serie de equipos de bajo coste y tecnología avanzada, orientados a dos tipos de situaciones que se plantean a la hora de desplegar una red de telefonía celular: 1. Las zonas de sombra (dead spots) Este tipo de situación se produce en aquellas zonas en las que no es posible establecer una comunicación, debido al bajo o casi nulo nivel de señal recibida. Se dan típicamente en túneles de carretera, túneles de metro, etc. 2. Las zonas de gran cantidad de tráfico (hot spots) Debido a la creciente utilización de la telefonía móvil, existen áreas que tienden fácilmente a la congestión por la gran cantidad de usuarios que allí convergen al mismo tiempo. Es la situación típica de las zonas de negocios, aeropuertos, etc. Para evitar dicha saturación, se dividen las células radio en microcélulas, incluso en picocélulas, para así poder asegurar una mayor reutilización del espectro de frecuencias asignado, con lo cual se consigue un aumento del número de radiocanales disponibles [2]. La solución habitual consiste en aumentar el número de Estaciones Base desplegadas, de forma que cada microcélula, picocélula o zona de sombra esté servida por al menos una de ellas. Esto acarrea consigo un importante aumento de los costes de instalación, debido al elevado precio de una Estación Base. Mediante el proyecto "Radio sobre Fibra" se dispone de una solución mucho más efectiva en términos económicos. Los repetidores de radio sobre fibra transportan las señales radio desde una única Estación Base a todos los puntos donde es necesario asegurar la cobertura. El transporte de dichas señales se hace mediante fibras ópticas. El uso de la fibra óptica como medio de transmisión lleva consigo una serie de importantes ventajas: Baja atenuación. Frente a los 0,7 db/m de un cable coaxial convencional, la fibra tiene unas pérdidas de 0,4 db/km, es decir, casi unas 1.000 veces menos. Esto permite transportar las señales a grandes distancias sin el uso de repetidores intermedios, los cuales son necesarios en el caso del cable coaxial, con el consiguiente aumento de costes. Inmunidad a interferencias electromagnéticas. La fibra emplea luz emitida por un láser para la comunicación, con lo cual no se ve afectada por las radiaciones electromagnéticas (de frecuencias mucho más bajas) del entorno. Esto es especialmente ventajoso para el cableado de edificios (permite usar las canalizaciones existentes, ocupadas habitualmente por cables de teléfono, coaxiales, líneas de fuerza, etc.), para tender los cables de fibra con la seguridad de que no se verán afectados por el resto de las comunicaciones. Gran ancho de banda. El ancho de banda (relacionado con la capacidad de transporte de información) de una fibra es miles de veces superior al de un cable coaxial. En la fibra "caben" todos los estándares de telefonía móvil empleados en la actualidad (TMA-900, GSM, DCS-1800, CDMA, DECT, etc.) y los que se usarán en un futuro próximo (UMTS). Esto permite que los equipos desarrollados sean fácilmente adaptables a las bandas de transmisión que Telefónica Móviles requiera en cada momento. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS En la Figura 1 se representa un escenario típico de aplicación del Sistema de Radio sobre Fibra.
En este escenario, se pretende dar cobertura a un conjunto de N microcélulas usando una sola Estación Base (BTS). Dichas microcélulas pueden ser, por ejemplo, cada una de las plantas de un edificio o, en un trazado ferroviario, un conjunto de túneles. El Sistema de Radio sobre Fibra, como tal, consta de los cuatro bloques principales siguientes: 1. El Armario BTS 2. Los Cables de Fibra 3. Los Módulos de Antena 4. El Centro de Gestión Se denomina enlace descendente al que se establece desde la Estación Base hacia el terminal móvil y enlace ascendente al establecido desde el móvil hacia la Estación Base. En el enlace descendente, la señal que proviene de la Estación Base (BTS), que es una señal de radiofrecuencia, se convierte a frecuencias de luz en el Armario BTS, se propaga por la fibra óptica hasta llegar al Módulo de Antena, en el cual se convierte de nuevo a radiofrecuencia, y se envía al aire a través de la antena acoplada a dicho módulo. En el enlace ascendente, la señal que proviene del terminal móvil se recibe en el Módulo de Antena, donde se convierte a frecuencia óptica. Dicha señal viaja por la fibra hasta el Armario BTS, en el cual se convierte de nuevo a radiofrecuencia y se envía a la Estación Base. Finalmente, las posibles alarmas generadas en los enlaces, así como una serie de comandos de configuración y control, se manejan desde el Centro de Gestión, conectado con el sistema vía radio a través de módem. Con este sistema, pues, se mantiene la BTS, que es un equipo caro y voluminoso, en un punto central y se "alimentan" las microcélulas mediante módulos de antena, que como veremos después, son de pequeño tamaño y extremadamente sencillos, lo cual facilita mucho su instalación. Como características técnicas destacables se pueden mencionar las siguientes: El sistema es capaz de radiar al mismo tiempo dos canales en la banda GSM, con una potencia de salida de 1 vatio por canal. Dicha potencia, que es ciertamente elevada para los estándares habituales de microcélulas, fue un requisito específico de Telefónica Móviles, que quería disponer de equipos con potencia suficiente para asegurar una buena calidad de recepción aún en ambientes con alto nivel de interferencias, cada vez más habituales debido a la gran proliferación de sistemas sin hilos que existen en la actualidad. Por otro lado, con dos canales GSM se puede dar servicio simultáneamente hasta a 15 usuarios, cifra más que suficiente para los mencionados entornos de micro y picocélulas. El sistema es capaz de asegurar un nivel de calidad aceptable para tramos de fibra óptica no superiores a 5 km y/o 5 db de pérdidas ópticas. La limitación en distancia permitió el uso de componentes ópticos mucho más baratos que los empleados habitualmente en enlaces de larga distancia. Esto influyó para que se produjera una bajada sustancial
en el precio de los equipos, sin tener, por ello, un sacrificio significativo de sus prestaciones. Téngase en cuenta que, en los entornos habituales de aplicación, los tramos de fibra empleados rara vez superan varios kilómetros de longitud. Los equipos se desarrollaron teniendo en cuenta las dos características principales que harían el sistema atractivo para el operador: sencillez de instalación y bajo coste. Contribuyen a ello, aspectos tales como el bajo consumo, la alimentación a 220 V (fácilmente accesible en cualquier localización) y el pequeño tamaño de los Módulos de Antena (295x187x103 mm). El hecho de ser fáciles de instalar implica dos cosas: que los costes de instalación van a ser bajos y que la misma se puede efectuar con gran rapidez, aspecto este último importante en un entorno competitivo. Otra característica importante es la flexibilidad del sistema para acomodar distintos estándares de telefonía móvil. Como ejemplo, con un sencillo cambio de filtros selectores en transmisión y recepción se podría pasar de equipos GSM a equipos TMA-900 (MoviLine). Es más, se podría pensar en un sistema multibanda capaz de funcionar simultáneamente en, por ejemplo, GSM y DCS-1800. El Armario BTS En la Figura 2 se presenta un esquema de bloques de un Armario BTS. Consta de los siguientes elementos: Repartidor de RF. Es la interfaz entre la Estación Base y la parte de conversión electroóptica. Reparte los canales radio que se van a emitir entre los distintos enlaces a microcélulas. Módulos BTS. Cada módulo BTS realiza las conversiones electroópticas necesarias entre las señales de radiofrecuencia que provienen de la Estación Base y las señales ópticas que viajan por los cables de fibra óptica. Existen dos emisores láser por módulo, que envían los dos canales GSM hacia el Módulo de Antena (enlaces descendentes), y un fotodiodo, que recoge la señal óptica que proviene de dicho Módulo de Antena (enlace ascendente). Son necesarios, pues, tres cables de fibra óptica, por cada enlace entre módulo BTS y Módulo de Antena, que definen una microcélula. Módulo de Control. El Módulo de Control controla y supervisa, tanto los Módulos BTS alojados en el armario, como los Módulos de Antena conectados a los cables de fibra óptica. Dicho módulo se comunica con un Sistema de Gestión residente en un ordenador remoto a través de un canal radio GSM. Con este fin, el módulo incluye un módem GSM y una salida coaxial que se conecta a una antena exterior. También existe la posibilidad de establecer una conexión local vía RS-232, para puesta en marcha, configuración y/o mantenimiento del equipo. En la fotografía de la Figura 3 se puede apreciar el aspecto de un Módulo BTS. El diseño mecánico está adaptado para ser alojado en un armario con mecánica de 19". El Módulo de Control tiene un aspecto similar.
En la parte frontal del mismo van alojados unos indicadores luminosos que dan información de alarmas del sistema. Módulo de Antena El Módulo de Antena realiza las conversiones electroópticas necesarias entre las señales ópticas que viajan por las fibras y las señales de radiofrecuencia que son radiadas y/o recibidas por la antena que da cobertura a la microcélula correspondiente. En el diagrama de bloques de la Figura 4 se detalla la arquitectura de este módulo. Los dos canales GSM descendentes, que viajan por la fibra, son convertidos a radiofrecuencia en los conversores O/E, amplificados hasta el nivel de potencia requerido y sumados para salir por un único cable hacia la antena. Por otra parte, las señales recibidas por la antena, que provienen de los terminales móviles (enlace ascendente), son amplificadas por un Amplificador de Bajo Nivel de Ruido (ABNR) y convertidas a óptico en el conversor E/O, para pasar así a la fibra que las lleva hasta el módulo BTS correspondiente. Finalmente, hay un Bloque de Alarmas donde se monitorizan tanto las señales ópticas como las eléctricas, para en caso de fallo enviar la alarma correspondiente al Módulo de Control, que a su vez lo reportará al Centro de Gestión. La fotografía de la Figura 5 muestra un Módulo de Antena. Como ya se ha comentado, es de destacar su pequeño tamaño (295x187x103 mm). El hecho de poder obtener dos canales radio de 1 vatio de potencia cada uno, en un espacio tan limitado, ha supuesto de por sí un esfuerzo considerable. Este reducido tamaño es imprescindible para poder instalar los módulos en los entornos de edificios, minimizando el impacto visual de los mismos.
Centro de Gestión El Sistema de Gestión de los equipos de radio sobre fibra se basa en una aplicación para PC sobre sistema operativo Windows 95. La interfaz con el operador es de tipo gráfico y dirigida a través del ratón del ordenador. En la Figura 6 se puede ver la monitorización de una instalación real con 11 microcélulas. Cada uno de los iconos representa un enlace desde la Estación Base hasta el punto de antena correspondiente. Pinchando sobre los mismos se obtiene información sobre el estado de la transmisión en cada momento. Si se dispara una alarma, el icono que representa el enlace afectado cambia de color para informar al operador. El Sistema de Gestión se comunica con el Módulo de Control del Armario BTS a través de un canal radio GSM. Esto permite la monitorización remota de los equipos, es decir, el Sistema de Gestión puede estar ubicado en una localización distinta a la de los enlaces de microcélulas. Como ejemplo, la primera instalación piloto, realizada en el Metro de Bilbao, se monitorizó constantemente desde un PC portátil ubicado en un laboratorio de Telefónica I+D. Para un futuro próximo está previsto el desarrollo de un Sistema de Gestión avanzado que se integrará en el llamado Sistema de Operación y Conservación de Telefónica Móviles (SOC-Móviles). De esta forma, desde una única localización geográfica se podrán monitorizar todas las instalaciones que se efectúen en el territorio nacional. Las funciones ofrecidas al operador por el Sistema de Gestión se pueden agrupar en cinco apartados: 1. Configuración del Módulo de Control y Módulos BTS asociados. El Módulo de Control debe ser configurado en el momento del arranque de la instalación. Cada uno de los Módulos BTS puede ser dado de alta o de baja a elección del operador. Es esta una característica muy útil, ya que permite al mismo "apagar" o "encender" a su elección las microcélulas (por ejemplo, para hacer reparaciones, actualizaciones, etc.). 2. Tratamiento de alarmas. Los equipos llevan incorporada la electrónica necesaria para disparar una serie de alarmas, éstas tendrán reflejo inmediato en el panel del Sistema de Gestión. De esta manera es posible conocer si ha fallado un láser transmisor, ha habido un corte en alguna de las fibras que interrumpe la comunicación o alguno de los amplificadores de canal de 1 vatio se ha degradado, de tal manera que el enlace no tiene la calidad aceptable. Estos eventos se comunican inmediatamente al Sistema de Gestión, vía el Módulo de Control, para poder tomar las acciones correctivas necesarias. 3. Telecarga del código de un Módulo de Control. Esta función permite actualizar periódicamente, y de manera remota, el software de dicho módulo. 4. Actuación/consulta del estado de los láseres de un Módulo BTS. Como cada láser, de los dos que se radian hacia la célula, es responsable de un canal GSM, esta utilidad permite al operador encender o apagar dichos canales a voluntad. Por ejemplo, podría haber microcélulas en las que por escaso tráfico tuviesen operativo un solo canal. 5. Consulta al archivo histórico de alarmas. Ejemplo de una instalación real
Como ejemplo de aplicación del Sistema Radio sobre Fibra a edificios, se presenta en el diagrama de la Figura 7 la instalación realizada en un edificio-torre de la ciudad de Madrid. La Estación Base y el Armario BTS se encuentran alojados en el sótano central del edificio, que es donde se encuentra la sala de transmisiones del mismo, compartiendo espacio con otros equipos de comunicaciones. Los cables de fibra óptica que suben a las plantas se tendieron aprovechando las canalizaciones ya existentes. La inmunidad de la fibra a las interferencias evitó tener que acometer nuevas obras de cableado en el edificio, lo cual hubiese supuesto un incremento de costes y una molestia para los usuarios del mismo. Se usaron un total de 9 Módulos de Antena para dar cobertura a las 24 plantas del edificio. Algunos módulos daban cobertura a 2 plantas consecutivas y otros a 4 plantas. Los Módulos de Antena se instalaron en el interior de unos armarios presentes en los extremos de las plantas, ocultos a la vista. Las antenas, del tipo monopolo, fueron colocadas en el interior del falso techo de las plantas correspondientes. Esto significa que el impacto visual del sistema es nulo. CONCLUSIONES El desarrollo del proyecto "Radio sobre Fibra" ha supuesto la aplicación, por primera vez en España, de la tecnología de fibra óptica en los entornos de comunicaciones móviles celulares. Se llama la atención al hecho de que la tecnología empleada en el transporte de señales de radio sobre fibra óptica no es nueva. Este tipo de tecnología, es la misma tecnología básica que se usa con profusión en las redes de televisión por cable. La aportación principal del proyecto ha consistido en la aplicación de esa tecnología al entorno especifico de transmisión de señales de radiofrecuencia para comunicaciones móviles, lo cual ha dado como resultado poder disponer de equipos de radio sobre fibra con un precio cinco veces menor al de equipos similares existentes en el mercado. Cabe resaltar, que los equipos desarrollados pueden conectarse a cualquier tipo de estación base utilizada por Telefónica Móviles, independientemente de su marca y fabricante. La rapidez en la respuesta a los requisitos exigidos y el grado de calidad alcanzado, han hecho que Telefónica Móviles deposite su confianza en el producto. Como prueba de ello está la instalación de Radio sobre Fibra del Metro de Bilbao y más de media docena de instalaciones similares repartidas entre las comunidades de Madrid y Cataluña. El producto tiene evidentes perspectivas de futuro, gracias a la creciente implantación de la telefonía móvil y a la aparición de nuevos estándares de transmisión. Como ejemplo, en Telefónica I+D ya se está trabajando en el desarrollo de equipos con tecnología dual, capaces de funcionar simultáneamente en las bandas GSM y DCS-1800. La fotografía de la Figura 8 muestra el aspecto del módulo de antena de uno de estos repetidores duales. En este caso, el tamaño del armario es bastante mayor, cosa lógica si se tiene en cuenta que se amplifican, para su distribución en la célula, 4 canales radio, dos en frecuencia 900 MHz y otros dos en 1800 MHz, cada uno con aproximadamente 1 vatio de potencia. Los nuevos equipos
podrán funcionar con el mismo número de fibras ópticas que los anteriores, a pesar de su mayor capacidad. Esto permitirá a Telefónica Móviles aprovechar la infraestructura de fibra ya existente. Telefónica Móviles tiene licencia para operar en la nueva banda de 1800 desde el verano de 1998 y se espera una introducción inmediata del producto en planta, en cuanto termine su industrialización por parte de un fabricante nacional. Por otra parte, existe también intención de diseñar otro equipo multicanal en la banda GSM, con capacidad para ofrecer hasta 10 canales radio de unos 100 mw cada uno. Este equipo tendrá aplicación en entornos fuertemente saturados de tráfico, la aplicación típica sería, por ejemplo, un estadio de fútbol. AGRADECIMIENTOS Nuestro agradecimiento en primer lugar a todas las personas que han trabajado o siguen trabajando en el proyecto: Raquel García, Luis Cucala, David Fillmore, Juan Luis Mercado, Valentín Salgado y Ernesto Hontecillas de Telefónica I+D, así como a Manuel Nogueira de Polar. También nuestro agradecimiento a Xavier Cabezón y Francisco Javier López, responsables de la fabricanción de los equipos. Finalmente, gracias a W. Warzanskyj, por la presentación de la idea a Telefónica Móviles, así como a Eduardo Alonso y Cayetano Carbajo de Telefónica Móviles por apoyarla desde el principio.