Sistemas de Transmisión Óptica, Redes RDSI, Jerarquías PDH-SDH y Conmutación Espaciotemporal

Fundamentos de la Transmisión Óptica de Información

Se basan en las siguientes operaciones:

• Obtención de una señal eléctrica codificada en un código que favorezca la transmisión óptica de la información.
• Conversión de esta señal eléctrica en señal óptica.
• Transmisión de la señal óptica a través de la fibra óptica.
• Conversión de la señal óptica recibida en señal eléctrica.
• Largos de fabricación del cable muy grandes (hasta 4 km), lo cual reduce el número de empalmes.
• Conversión de la señal regenerada en otra señal eléctrica que sea adecuada para las interfaces por conductores mediante un cambio de código.

Ventajas de la Transmisión por Cables de Fibras Ópticas

A continuación exponemos algunas ventajas de la transmisión por cables de fibras ópticas respecto a los medios de transmisión clásicos:

• a. El diámetro y peso de los cables es reducido, lo cual permite la utilización de conductos ya existentes.
• Capacidad de transmisión de información teóricamente ilimitada.
• Inmunidad a las interferencias electromagnéticas.
• Aislamiento eléctrico entre transmisor y receptor.
• Seguridad del secreto de las comunicaciones.

Tipos de Fibra Óptica

Fibras Multimodo de Salto de Índice

Las fibras multimodo de salto de índice se caracterizan porque tienen un núcleo de diámetro grande respecto a la longitud de onda de la señal luminosa, con un índice de refracción n constante. Un valor típico del diámetro del núcleo de estas fibras es de 50 µm (ø 50 µm / 125 µm, n1, n2, sección transversal, corte longitudinal, perfil del índice de refracción n1, n2).

Fibras Multimodo de Índice Gradual

Las fibras multimodo de índice gradual se caracterizan porque tienen un núcleo de diámetro grande comparado con la longitud de onda de la señal luminosa, con un índice de refracción n1 máximo en el centro y que va disminuyendo gradualmente hasta el valor n2, que es el índice de refracción del revestimiento. Un valor típico del diámetro del núcleo de estas fibras es 50 µm, como en las fibras multimodo de salto de índice. A cada configuración diferente se le da el nombre de modo de propagación, y el medio, en general, se comporta de manera diferente para cada modo de propagación.

Parámetros de la Fibra Óptica

Apertura Numérica

La apertura numérica es un parámetro propio de cada fibra que proporciona una idea de cuánta cantidad de luz aceptará la fibra óptica cuando se ilumine con una determinada fuente luminosa.

Atenuación

En las fibras existen numerosos factores que contribuyen a que la potencia óptica disminuya al propagarse la señal por la fibra. Algunos de estos factores son los siguientes:

• Pérdidas por absorción infrarroja: es un mecanismo intrínseco al material (SiO2) utilizado para la fabricación de la fibra. Son tanto mayores cuanto mayor es la longitud de onda (λ) de la señal luminosa (y viceversa según el rango espectral).
• Pérdidas por esparcimiento intrínseco o de Rayleigh: estas pérdidas están producidas por una falta de homogeneidad en el material (SiO2) de la fibra, lo que provoca que parte de la potencia óptica se disperse pasando al revestimiento o incluso propagándose hacia atrás. A este fenómeno en el que parte de la potencia óptica se propaga hacia atrás se le denomina retroesparcimiento.

Red Digital de Servicios Integrados (RDSI)

Acceso Básico RDSI y Adaptador de Velocidad Básica

En la estructura convencional de telefonía analógica, la conexión entre la central local y el abonado se hace a través de un par de abonado que conecta el equipo de línea con el Punto Terminador de Red (PTR), al cual se conecta el teléfono del abonado. La estructura de una conexión RDSI difiere de la anterior en varios aspectos:

• La primera diferencia es que el equipo de línea se sustituye por el terminal de línea. Conviene recordar que el equipo de línea detecta el descolgado del teléfono por caída de impedancia; el terminal de línea determina los teléfonos descolgados haciendo una exploración secuencial continua de todos los abonados.
• La segunda diferencia es que, en vez del punto terminador de red, se instala una Terminación de Red de tipo 1 (TR1), a la que se le puede conectar un teléfono RDSI.

Puntos de Referencia RDSI

Corresponden a la conexión física de los terminales de la RDSI:

• Punto de referencia S: es una conexión universal que sirve para cualquier tipo de terminal y para cualquier servicio que la red ofrezca. Es una conexión de 4 hilos.
• Punto de referencia T: representa la separación entre el equipo de transmisión de la línea digital y las instalaciones en los locales del usuario. Cuando no existe TR2, los puntos de referencia S y T se solapan en el mismo, recibiendo el nombre de S/T. Dispone de dos tipos de acceso: el llamado acceso básico, que posee un caudal de información útil de 144 kbps (2 canales de 64 kbps + 1 de 16 kbps), y el acceso primario, cuyo caudal útil es de 1.984 kbps en el sistema europeo (30 canales de 64 kbps + 1 de señalización de 64 kbps).
• Punto de referencia U: corresponde a la propia línea de transmisión digital entre los locales del usuario y la central local. En la práctica es un par de abonado (2 hilos) o cable coaxial.
• Punto de referencia V: representa la separación entre las funciones de transmisión y las funciones de conmutación en el lado de la central local. Este punto de referencia puede ser una conexión física real cuando los equipos de transmisión y de conmutación están separados, o puede ser una conexión virtual cuando no hay separación física entre ambos equipos. Este punto de referencia no está normalizado.
• Punto de referencia R: representa las conexiones físicas existentes para terminales analógicos (teléfonos, fax, etc.).

Agrupaciones Funcionales

Las agrupaciones funcionales representan un conjunto de funciones que se realizan de una manera agrupada y que pueden corresponder a un equipo físico o a una parte de este. En el acceso básico se definen las siguientes:

• Equipo Terminal de tipo 1 (ET1): es el terminal de usuario que se puede conectar directamente a la conexión S, pues está diseñado para su conexión a RDSI (ejemplos: teléfono RDSI, fax del Grupo IV a 64 kbps, etc.).
• Equipo Terminal de tipo 2 (ET2): comprende todo aquel terminal que no ha sido diseñado originariamente para la conexión a RDSI (ejemplos: teléfonos analógicos, fax del Grupo 3 o inferiores, etc.).
• Adaptador Terminal (AT): equipo que permite la conexión de terminales analógicos tipo ET2 a la conexión S, realizando las funciones de adaptación entre la conexión R y la S (conversión de señalización, adaptación de velocidades, etc.).
• Terminador de Red de tipo 2 (TR2): encargado de realizar ciertas funciones de control de la instalación de usuario, entre las que destacan:
  • Tratamiento de la señalización de los terminales y de la señalización con la red.
  • Multiplexación de los canales de conversación y de la señalización con la red.
  • Conmutación local para las llamadas internas a la instalación.
  • Mantenimiento de la instalación de usuario.

  En una instalación de usuario grande, la TR2 podría ser una centralita o una red de área local; en una instalación sencilla, podría ser un dispositivo de intercomunicación, o incluso no existir, identificándose directamente como conexión S/T.

• Terminación de Red de tipo 1 (TR1): incluye una serie de funciones encuadradas en el nivel físico como:
  • Terminación de la línea exterior de transmisión digital.
  • Suministro de alimentación de potencia para el canal.
  • Mantenimiento de las conexiones físicas en la línea y control de la calidad de transmisión.
  • Señalización y temporización de la transmisión, además de la sincronización de las instalaciones de usuario respecto a la red.
  • Multiplexación de las conexiones físicas.

  La TR1 suele constituir la frontera entre la compañía telefónica y el usuario; es la conexión estándar.

• Terminación de Línea (TL): equipo de transmisión digital del lado de la central local que realiza funciones similares a la TR1. Además, se encarga de las funciones de mantenimiento de la línea de transmisión digital.
• Terminación de Central (TC): realiza la conexión de los canales de información con las etapas de conmutación, soporta el procesamiento de la señalización de usuario y lleva a cabo el mantenimiento correspondiente del acceso del usuario. En ciertos casos, los equipos TC y TL están integrados en el mismo equipo físico.

Topología de Conexión RDSI

Hay dos configuraciones principales: punto a punto y punto a multipunto; ambas emplean un bus pasivo. Este tipo de configuración no contiene ningún componente activo (como amplificadores o repetidores), por lo que los dispositivos monitorizan la actividad de la línea física sin afectarla.

• Bus pasivo corto: hasta 8 ET se pueden conectar a un único NT sobre un bus de hasta 200 m (667 ft) de longitud. Los ET y el TR1 pueden estar en cualquier parte del bus respecto a los otros (aunque se muestra comúnmente como un bus con un único TR1 y múltiples ET, el bus pasivo puede ser cableado en topología de estrella, donde todos los ET tienen conexión directa con el TR1). Asume un retardo de señal de 10 a 14 microsegundos (µs) y el uso de cable de alta impedancia (150 Ω).
• Bus pasivo extendido: hasta 8 ET pueden agruparse en un extremo del bus, a aproximadamente 1 km (3.300 ft) del TR1. Las distancias citadas están basadas en criterios de diseño de conexión con una atenuación y retardo de señal específicos, más que en la longitud real del cable. Asume un retardo de señal diferencial entre ET de solamente 2 µs; por esta razón, los ET deben estar situados a una distancia entre 25 y 50 m (83 a 167 ft) unos de otros.
• Punto a punto: se emplea para conectar una TR1 a un único terminal mediante 2 pares. La longitud queda limitada por la atenuación del cable (6 dB a 96 kHz). La longitud de cableado máxima a alcanzar es de 1.000 m. Las resistencias de terminación de los dos extremos deberán estar conectadas. Requiere una atenuación máxima de hilo de 6 decibelios (dB) a 96 kHz y un retardo de señal de 10 a 42 µs.

Características del Enlace Punto a Punto

• Solo un terminal conectado al TR1.
• Temporización adaptativa.
• Atenuación: 6 dB como máximo para 96 kHz.
• Alcance: hasta 1 km (cable con 120 nF/km y Z = 150 Ω).
• Longitud máxima de la línea de conexión de extensión: 25 m.
• Ajustes del TR1: modo bus pasivo largo / servicio punto a punto y conexión de resistencia de terminación (50 Ω / 100 Ω).

La violación de código rompe el equilibrio de corriente continua; todas las violaciones de código aparecen por pares en el TR1.

Acceso Primario: Sistema de 30 Canales

Este tipo de sistema posee una técnica más depurada adaptándose a las recomendaciones que el C.E.P.T. aconseja para sistemas M.I.C. de primer orden.

La medición de la amplitud se efectúa en un intervalo de 3,9 µs, lo que representa también el tiempo total para 8 bits. Cada bit (impulso o ausencia de impulso) tiene, por tanto, una duración total de 3,9 µs / 8 = 488 ns. La frecuencia total de impulsos es:

8 bits × 32 intervalos × 8.000 muestras/s = 2,048 Megabits/s (Mb/s)

Cada uno de los valores de amplitud se transmite en forma de 8 bits en un intervalo de 3,9 µs. En total se transmiten 32 intervalos (uno por cada canal) dentro de un periodo de 125 µs. Estos 32 intervalos forman una trama:

• T0: enganche de sincronismo de trama.
• T1 a T15: canales telefónicos.
• T16: señalización.
• T17 a T31: canales telefónicos.

Redes Digitales por Jerarquía Plesiócrona (PDH)

Este flujo de 2 Mbit/s es el equivalente en la jerarquía digital europea al grupo primario básico de 12 canales en el plan básico internacional de frecuencias. Con las señales digitales ocurre un escalado sucesivo para formar flujos digitales con mayor capacidad de transmisión de información. La jerarquía digital europea es el esquema de multiplexación MDT recomendado por el CCITT para la multiplexación de señales plesiócronas basado en la banda base de 2 Mbit/s, agrupando cuatro afluentes de una velocidad binaria determinada para obtener un flujo digital superior.

Características Generales del Método de Justificación Positiva

• Afluentes plesiócronos: se denominan afluentes a las señales digitales de velocidad inferior que se desean multiplexar para obtener un flujo digital de orden superior. Dos o más señales son plesiócronas entre sí cuando tienen velocidades binarias nominalmente idénticas pero con ligeras variaciones de tolerancia.
• Multiplexación MDT bit a bit: para llevarse a cabo es necesario que los cuatro afluentes sean isócronos entre sí (exactamente la misma velocidad binaria) y que la velocidad de la señal multiplexada sea exactamente cuatro veces superior a la de cada afluente.
• Justificación positiva: técnica que permite adaptar la velocidad binaria de una señal digital a cualquier otra velocidad superior mediante la inserción de bits de relleno controlados.
• Trama de 2.º orden (8 Mbit/s): se realiza una multiplexación bit a bit de afluentes sincronizados a partir de las fuentes plesiócronas originales. El CCITT recomienda una velocidad binaria de 8.448 kbit/s ±30 ppm.

Jerarquía Digital Síncrona (SDH)

Origen y Evolución

En 1987, ANSI normalizó en Estados Unidos la Synchronous Optical Network (SONET), definiendo los niveles jerárquicos STS-N (Synchronous Transport Signal Level N). En 1989, el ITU-T normalizó la Synchronous Digital Hierarchy (SDH) o Jerarquía Digital Síncrona (JDS).

Características Principales de la JDS

• Estructuras de transporte síncronas con multiplexación basada en octetos.
• Transporte de señales de las jerarquías plesiócronas de 1,5 y 2 Mbit/s.
• Transporte estructurado de datos procedentes de otras tecnologías (células ATM, datagramas IP, tramas Ethernet, etc.).
• Acceso directo a tributarios sin necesidad de demultiplexar por completo la trama síncrona.
• Alta capacidad de gestión y supervisión en las capas de transporte.
• Normalización internacional de interfaces de línea eléctricos y ópticos.
• Soporte de diversas topologías de red: punto a punto, bus y anillo autorregenerable.
• Inclusión de mecanismos avanzados de protección por conmutación automática.

Estructura de Multiplexación en JDS

La correspondencia consiste en acomodar las señales afluentes (PDH, ATM, IP, LAN o MAN) en los Contenedores-n (C-n) apropiados mediante un mecanismo de justificación.

• Contenedor Virtual-n (VC-n): formado por un Contenedor-n (C-n) al que se le añade la tara de trayecto (información de gestión de la capa de trayecto).
• Alineamiento: proceso de añadir un puntero al contenedor virtual para indicar la ubicación del primer octeto dentro de la unidad de orden superior:
  • Unidad Tributaria-n (TU-n): compuesta por un puntero TU-n más un contenedor virtual de orden inferior.
  • Unidad Administrativa-n (AU-n): compuesta por un puntero AU-n más un contenedor virtual de orden superior.
• Multiplexación: entrelazado de octetos de los diferentes elementos:
  • Varias TU-n forman un Grupo de Unidades Tributarias (TUG-n).
  • Varias AU-n forman un Grupo de Unidades Administrativas (AUG-n).
• Módulo de Transporte Síncrono (STM-N): se genera cuando a una AU-n o AUG-n se le añade la tara de sección (información de gestión de sección).
• Concatenación: asociación de varios contenedores virtuales para operar su capacidad conjunta como un único contenedor continuo, manteniendo íntegra la secuencia de bits.

En una trama STM-1 se pueden multiplexar hasta 3 señales de 34 Mbit/s (frente a 4 en la trama PDH equivalente de 140 Mbit/s) o hasta 63 señales de 2 Mbit/s (frente a 64 en PDH de 140 Mbit/s).

Estructura de la Trama STM-N y Taras de Gestión

La trama STM-N está formada por N × 2.430 octetos y se repite cada 125 µs. Cada octeto representa un canal de transporte básico de 64 kbit/s. La trama se divide en:

• Tara de sección (Section Overhead, SOH) para octetos de gestión.
• Punteros de Unidad Administrativa (AU).
• Cabida útil de información (payload).

Como caso base, la trama STM-0 está formada por 810 octetos (90 columnas × 9 filas) y se transmite cada 125 µs, alcanzando una velocidad de 51,840 Mbit/s. Las tramas STM-1 operan a 155,52 Mbit/s.

División de la Tara de Sección (SOH)

• Tara de Sección de Regeneración (RSOH): insertada y extraída en los regeneradores y multiplexores síncronos; ocupa las filas 1 a 3 de las primeras 9×N columnas.
• Tara de Sección de Multiplexación (MSOH): pasa de forma transparente por los regeneradores y opera en los multiplexores síncronos donde se ensamblan/desensamblan las AU; ocupa las filas 5 a 9 de las primeras 9×N columnas.

Conmutación Espaciotemporal

Selector de Grupo Digital (SGD)

Un SGD debe ser capaz de operar en una red que integre distintos principios de transmisión, adaptándose tanto a entornos analógicos como digitales.

Ambiente Analógico

El diagrama de bloques del SGD en ambiente analógico está integrado por:

• Multiplexores MIC: convierten las señales analógicas de los terminales en flujos digitales aptos para la matriz de conmutación.
• Terminal de Central: ordena y sincroniza los intervalos temporales provenientes de distintos multiplexores MIC con la fase de la central.
• Red de Conmutación Digital: conmuta datos entre buses multiplexados en el tiempo con componentes electrónicos digitales, minimizando o eliminando el bloqueo interno.
• Control Regional y Central: procesadores que gestionan la señalización y el establecimiento de llamadas de manera análoga a una central semielectrónica.

Ambiente Digital

• Terminales de Línea: reciben señales directamente digitales, encargándose de la adaptación de línea, regeneración y alimentación.
• Señalización: emplea principalmente esquemas avanzados como la señalización por canal común.

Matrices y Memorias de Conmutación

El conmutador temporal dispone de dos bloques de memoria: una memoria de control y una memoria de datos. Presenta dos modalidades de transferencia:

• Entrada secuencial / Salida aleatoria: los datos se escriben secuencialmente según el orden de llegada en las posiciones marcadas por un contador de reloj y se extraen selectivamente mediante la memoria de control.
• Entrada aleatoria / Salida secuencial: el sistema asigna el espacio temporal de escritura mediante punteros internos y la extracción se realiza de forma ordenada según el ciclo de reloj.

Red de Conmutación Espaciotemporal TST

La red TST está conformada por una etapa temporal del lado receptor, una matriz espacial intermedia y una etapa temporal en el transmisor. Cada módulo de memoria temporal suele estructurarse en 256 o 512 posiciones, correspondientes a los intervalos temporales generados tras la multiplexación y conversión serie/paralelo en el terminal de central, garantizando capacidades escalables con un coste optimizado.