Prestación de Servicios de Multimedia en el Hogar Basado en RoF

Prestaci´on de Servicios de Multimedia en el Hogar Basado en RoF Carlos Mario Su´arez R´ıos

John Anderson G´omez M´unera

Andr´es Felipe S´anchez Prisco

1128407801 Dpto Ing. Electr´onica Universidad de Antioquia Email: [email protected]

1017167331 Dpto Ing. Electr´onica Universidad de Antioquia Email: [email protected]

1017153699 Dpto Ing. Electr´onica Universidad de Antioquia Email: [email protected]

Resumen—El acelerado incremento en el uso masivo de los nuevos servicios multimedia a nivel mundial, as´ı como la creciente demanda de calidad y velocidad de transmisi´on de informaci´on, en lo que respecta a la prestaci´on de servicios de telecomunicaciones, hacen necesaria la implementaci´on de nuevas tecnolog´ıas ´ que no solo permitan dar cobertura a un mayor numero de usuarios, sino que adem´as den paso a la aparici´on de nuevos servicios o una mejora considerable de los ya existentes. Se proponen por tanto, una serie de tecnolog´ıas basadas en el estudio de RoF (radio over fiber), las cuales, mediante la implementaci´on de un h´ıbrido o´ ptico-inal´ambrico, prometen alcanzar grandes velocidades en la transmisi´on de informaci´on, utilizando como medio de comunicaci´on dispositivos y redes de fibra o´ ptica y en la ultima milla tecnolog´ıas inal´ambricas de ultima generaci´on que ´ se rigen por el est´andar 802.11n(WIFI de ultima generaci´on).

I.

´ INTRODUCCI ON

En la actualidad, muchos de los sistemas de comunicaciones y multimedia, est´an viendo desbordada su capacidad debido a la aparici´on de nuevos servicios que no solo acrecientan en forma considerable el n´umero de usuarios sino que tambi´en demandan grandes proporciones del ancho de banda disponibles.[1] 1 Se debe tener en cuenta que la fibra o´ ptica posee un ancho de banda potencialmente grande, y que e´ ste, en las tecnolog´ıas tradicionales est´a siendo subutilizado; es por esto que por medio de este art´ıculo se propone la utilizaci´on de una arquitectura hibrida o´ ptico-inal´ambrica basada en el estudio de sistemas de Radio sobre Fibra (RoF), por medio del cual, y basados en t´ecnicas de multiplexaci´on como WDM (Multiplexaci´on por divisi´on en longitud de onda) y tecnolog´ıas inal´ambricas de ultima generaci´on, como lo es el est´andar 802.11n, no solo se podr´a incrementar el n´umero de usuarios sino que a su vez se podr´a ofrecer nuevos servicios que hacen parte de la ola de nuevas tecnolog´ıas multimedia como son HDTV (High-Definition Television), VoIP (Voice Over Internet Protocol) e Internet con un mayor ancho de banda, a la vez que proporcione facilidad de movilidad a los usuarios. 1 La presente comunicaci´ on se enmarca bajo el grupo de investigaci´on RoF, de la Universidad de Antioquia, el cual busca estudiar las diferentes bondades que Radio sobre Fibra ofrece en el medio

Es muy importante tener en cuenta que todas las tecnolog´ıas y t´ecnicas de modulaci´on basadas en RoF, son motivo de estudio en muchas universidades a nivel mundial; por lo que primeramente se har´a una descripci´on general de los aspectos m´as importantes en lo que respecta a su funcionamiento, ventajas y posibles aplicaciones; para luego, proponer un sistema h´ıbrido, por medio del cual, se logren prestar todos los servicios multimedia que se proponen en este art´ıculo. En nuestro propuesta empleamos la arquitectura PON (Passive Optical Network), la cual es una red de acceso de bajo costo y alta capacidad. El presente art´ıculo se organiza como sigue: en la secci´on 1 se presentan las t´ecnicas de multiplexaci´on WDM aplicadas a redes PON. En la secci´on 2 se abordar´a la tecnolog´ıa RoF, as´ı como sus aplicaciones y ventajas. En la secci´on 3, se describir´an las experiencias obtenidas por varias universidades a nivel mundial en la experimentaci´on con tecnolog´ıas basadas en RoF, y por u´ ltimo se propone una arquitectura o´ ptico-inal´ambrica, que permita ofrecer servicios como VoIP, HDTV e internet de alta velocidad. II. A.

WDM EN PON

´ DESCRIPCION

WDM o multiplexaci´on por divisi´on de longitud de onda, es una t´ecnica de multiplexaci´on que consiste en la transmisi´on, sobre una misma fibra, de m´ultiples portadoras, cada una de ellas centrada a una diferente longitud de onda; con el fin de ampliar la capacidad de transmisi´on de informaci´on en una misma fibra. Dentro de dicha t´ecnica de muliplexaci´on se puede mencionar dos modalidades: CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) y DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). La t´ecnica CWDM, es el caso m´as simple y en esta, las longitudes de onda est´an m´as ampliamente espaciadas. Las t´ecnicas DWDM, por su parte se caracterizan porque el espaciado entre las longitudes de onda es m´as reducido, por lo que se presenta una gran densidad de canales, se logra un m´aximo aprovechamiento de la fibra o´ ptica.[1]

´ DE CANALES B. DEFINICION La multiplexaci´on DWDM se define para longitudes de onda de alrededor de 1550 nm. La ITU (Uni´on internacional de telecomunicaciones) define 43 canales con unas longitudes de onda desde 1530 nm a 1565 nm con un espaciamiento de 100 GHz, donde cada canal puede transportar una se˜nal a velocidades de 10 o´ 40 Gbps.[2] Para sistemas de 80 canales se define un espaciamiento de 50 GHz, no obstante, en la actualidad, se est´an desarrollando sistemas para reducir el espaciamiento entre canales a 25 GHz. Te´oricamente, se afirma que se pueden multiplexar m´as de 1000 canales en una fibra, pero hasta ahora las tecnolog´ıas DWDM solo han logrado multiplexar hasta 200 longitudes de onda por fibra, con un espaciamiento de 40 GHz y anchos de banda de 8 Tbps[2]. Por u´ ltimo, es necesario aclarar que la tecnolog´ıa DWDM trabaja con dispositivos que permiten tratar cada una de las longitudes de onda de forma independiente, raz´on por la cual, se minimiza todo tipo de interferencia entre los canales ascendentes y descendentes, pues no se puede pasar por alto, las interferencias entre canales inherentes a las no linealidades de la fibra.

b´asicamente por un m´odulo OLT (Optical Line Terminal ´ Unidad Optica Terminal de L´ınea) que se encuentra en el nodo central o red de alimentaci´on, un m´odulo de red de distribuci´on de fibra o´ ptica (divisores o splitter) y un m´odulo ONU (Optical Network Unit-unidad o´ ptica de usuario) que se encuentra ubicado en el punto final del tendido de fibra o´ ptica, y es el encargado de transformar la se˜nal o´ ptica a una se˜nal el´ectrica, o inal´ambrica en el caso de llegar a implementar un h´ıbrido o´ ptico-inal´ambrico. Para terminar esta sesi´on, es bueno aclarar que tanto el modulo OLT, como la ONU son dispositivos activos, no obstante se dice que la red es pasiva por que la distribuci´on de la se˜nal, desde la OLT hasta la ONU, no requiere de ning´un dispositivo electr´onico. D. WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network) WDM-PON constituye la utilizaci´on de una estructura PON, utiizando para ello t´ecnicas de multiplexaci´on por longitud de onda obteniendo con esto una mayor capacidad a un menor costo.[3] III.

C. PON Las redes PON o redes o´ pticas pasivas(Figura1), son aquellas en las que no se utilizan elementos activos, y por ende solo se usan elementos pasivos, como acopladores o divisores o´ pticos (splitters).

A.

RADIO SOBRE FIBRA (RO F) Y SUS APLICACIONES ´ DESCRIPCION

Los sistemas de Radio sobre Fibra o como son conocidos a nivel mundial RoF (radio over fiber, por sus siglas en ingl´es), a diferencia de las redes o´ pticas tradicionales, en las que regularmente se usan medios confinados para transmitir informaci´on, se basan en redes h´ıbrido o´ ptico-inal´ambrico, en el cual una se˜nal de RF an´alogica es transmitida desde la estaci´on de control hacia la estaci´on base por medio de fibra o´ ptica, y al ser recibida en la estaci´on base, es propagada inal´ambricamente hasta llegar al usuario final.[4] Los sistemas RoF tal y como lo ilustra la Figura 2, aprovechan la sinergia existente entra las tecnolog´ıas o´ pticoinal´ambricos. Esto debido a que la fibra o´ ptica es un medio confinado que dada su poca atenuaci´on, permite transmitir se˜nales en una diversa gama de frecuencias que cubren desde las VHF hasta las ondas milim´etricas, y que adem´as goza de un potencial ancho de banda que hasta el momento ha sido subutilizado por las tecnolog´ıas de uso tradicional.[5]

Figura 1. PON con la OLT y ONU

B.

VENTAJAS DE RoF

El uso de PON en la red de acceso permite reducir los costos, adem´as de las ventajas que conlleva la no utilizaci´on de elementos activos debido a que e´ stos requieren mantenimiento, supervisi´on constante y sumada a esto, la necesidad de alimentarlos el´ectricamente, aumentando el consumo de potencia en el sistema.

La principal ventaja de RoF, es la habilidad de concentrar lo m´as costoso, del equipo de alta frecuencia, permitiendo as´ı que el equipo restante que se tenga que instalar sea sencillo, ligero y ante todo posea un m´ınimo consumo de potencia. Todo esto, da como resultado una estaci´on de f´acil mantenimiento y f´acil de alimentar.

Entrando en mayor detalle acerca de la estructura de la red como tal, una red o´ ptica pasiva est´a configurada

Por otro lado, el uso de RoF incrementa la flexibilidad operacional, y el potencial para reutilizar o compartir los

servicios implementados entre una determinada cantidad de usuarios , y ademas otra ventaja que ofrece es que la frecuencia de radiaci´on puede ser controlada desde la estaci´on central, y por esto el sistema puede ser extremadamente estable en frecuencia.[5]

C. APLICACIONES DE RoF La tecnolog´ıa h´ıbrida RoF tiene innumerables aplicaciones en todos los campos de las telecomunicaciones, y entre las mas importantes se pueden destacar: las Comunicaciones satelitales, las Redes de comunicaci´on radio m´ovil, el servicio de distribuci´on de video multipunto, los sistemas m´oviles de banda ancha, y por u´ ltimo, aplicaciones como Radio LAN (Local Area Network) sobre redes o´ pticas.

Figura 3. Topolog´ıa Universidad de Stanford

En la Pontificia Universidad Cat´olica de Campinas y en la Universidad Estatal de Campinas[7] actualmente se hace un estudio en capa MAC (Media Access Control) con el fin de determinar mediante la experimentaci´on con diferentes tecnolog´ıas inal´ambricas, cual de estas puede ofrecer mejores resultados, para ser aplicada a una topolog´ıa de RoF como se observa en la Figura 4. En particular, estos investigadores hacen una gran referencia a trabajar RoF, bajo WIMAX, pues su desempe˜no, da resultados muy satisfactorios en las simulaciones realizadas.

Figura 2. Sistema Radio sobre fibra

Hasta el momento, se ha descrito la estructura y funcionamiento de los sistemas basados en redes pasivas y tecnolog´ıas RoF. Se mostrar´a a continuaci´on un peque˜no resumen de los resultados experimentales obtenidos por algunas universidades alrededor del mundo, para luego dar paso al planteamiento de la topolog´ıa que se quiere implementar.

IV.

ANTECEDENTES BASADOS EN TECNOLOG ´IAS ROF

Desde hace varios a˜nos se vienen proponiendo diferentes topolog´ıas para que la tecnolog´ıa RoF sea aprovechada al m´aximo. La Universidad de Stanford[6] propone diferentes t´ecnicas, por medio de las cuales se busca dar cobertura y acceso a la red a grandes territorios a muy bajo costo. Su propuesta se basa en implementar anillos de fibra y por medio de estaciones base configurar topolog´ıas tipo a´ rbol que se ramifiquen a diferentes puntos de acceso inal´ambrico, como se observa en la Figura 3. Esto con el fin de cubrir diferentes lugares, y dar mayor cobertura con diferentes puntos de acceso trabajando con base en redes inal´ambricas malladas (Mesh).

Figura 4. Topolog´ıa Universidad de Campinas

Otro aspecto que dan a conocer, es el multiplexado de datos que ofrece WIMAX, llamado OFDMA (Orthogonal Frequency Multiple Access), y seg´un se describe, las nuevas tecnolog´ıas que se est´an desarrollando, trabajan con este tipo de multiplexaci´on. Otra de las investigaciones m´as recientes basadas en el estudio de RoF con diferentes tecnolog´ıas inal´ambricas, es la que se viene desarrollando en el Instituto Tecnol´ogico de Georgia[8]. Las cuales podr´ıan ser utilizadas para brindar diferentes servicios en ambientes residenciales. La propuesta se basa principalmente en trabajar con una puerta de

enlace inteligente (Intelligent Gateway Router -IGR) cuyo funcionamiento se basa en identificar una longitud de onda determinada, que llega desde la fibra, para luego definir a que dispositivo inal´ambrico debe ir la informaci´on como se observa en la Figura 5.

har´a por medio de una Puerta de enlace inteligente (Intelligent Gateway Router -IGR), que se describir´a en detalle m´as adelante. La topolog´ıa descrita puede verse en la Figura 6.

Figura 5. Topolog´ıa Universidad de Georgia

V.

´ DE UNA TOPOLOG ´IA OPTICO ´ DESCRIPCI ON ´ ´ INAL MBRICA PARA LA PRESTACI ON DE SERVICIOS MULTIMEDIA

Aprovechando las grandes ventajas que nos ofrecen las tecnolog´ıas h´ıbridas basadas en RoF, en esta secci´on se propone la implementaci´on de una topolog´ıa o´ ptico-inal´ambrica para un a´ rea metropolitana, por medio de la cual se prestar´an a los hogares, no solo los servicios tradicionales como lo es Internet, sino tambi´en VoIP y HDTV. ´ A. TOPOLOGIA 1). Topolog´ıa H´ıbrida: La topolog´ıa que se pretende implementar se basa en el uso en primera instancia de un enlace punto a punto (point-to-point)[9] ubicado entre la OLT y un concentrador de cada anillo de fibra adecuado para grandes distancias de transporte que requieran una alta velocidad (10 a 40 Gbps). El enlace punto a punto ir´a conectado a una topolog´ıa en anillo la cual cubrir´a una a´ rea metropolitana (MAN). Dicho enlace se podr´a lograr a trav´es de un concentrador y varios nodos que sirvan para la distribuci´on de la red hasta los hogares, por lo tanto, el concentrador ser´a el encargado de conectar las 2 redes. El concentrador, por su parte, dentro de la topolog´ıa en anillo, se encargar´a tambi´en de manejar todos los canales, asignar rutas entre los nodos y determina el tipo de tr´afico. En los nodos de la topolog´ıa en anillo se realizar´a una topolog´ıa tipo a´ rbol, que cubra peque˜nas a´reas muy apropiada para conectar redes punto a multipunto. Estas descender´an hasta llegar a la ONU ubicada en cada hogar, donde se realizar´a el proceso de conversi´on o´ ptico a el´ectrico para posteriormente radiar la se˜nal bajo el protocolo WiFi (Wireless Fidelity) de u´ ltima generaci´on. Este proceso se

Figura 6. Topolog´ıa propuesta

2). Modo de transmisi´on utilizando DWDM: La primera posibilidad que se vislumbra, es enviar diferentes tipos de servicios en diferentes longitudes de onda; pero esto no es del todo viable, ya que lo que se busca, es enviar todos los servicios dentro de la misma longitud de onda, de forma que la ONU, al estar configurada a una longitud de onda determinada, reciba los datos, y determine a que categor´ıa de servicio pertenecen. Para dicho fin, se propone agrupar en paquetes los datos de los diferentes tipos de servicios, y distribuirlos de forma separado al usuario final. En cuanto a la generaci´on de las portadoras, estas deben estar centradas a las frecuencias determinadas de acuerdo con recomendaci´on ITU, para luego ser llevadas a un Multiplexor que pueda concentrar las diferentes longitudes de onda y enviarlas a trav´es de la fibra. El proceso se hace de esta manera para minimizar el retardo entre las diferentes se˜nales, y para que estas est´en lo suficientemente separadas de modo que no se pierdan se˜nales portadoras en la etapa de divisi´on y filtrado. 3). Consideraciones: La red que se pretende montar debe ser una red tipo PON, ya que al carecer de componentes activos en el transporte es mucho mas r´apida y eficiente en el uso del ancho de banda que las redes con interfaces el´ectricas tradicionales. Para trayectos demasiado extensos se podr´an utilizar amplificadores o´ pticos, de modo que se optimiza el consumo de tiempo y potencia al no tener que realizarse una conversi´on del dominio o´ ptico al el´ectrico para realizar la amplificaci´on. Se debe, por tanto, tener en cuenta la velocidad de subida y de bajada dependiendo de si el canal es ascendente

o descendente, y si existe la posibilidad de introducir nuevas portadoras en lugares de la fibra a trav´es de OADM (Optical Add-Drop Multiplexer). ´ DE LOS SERVICIOS Y CONSIDERAB. DESCRIPCION CIONES GENERALES La se˜nal transmitida por la fibra hasta el hogar, es recibida por un IGR (puerta de enlace inteligente), el cual, despu´es de detectar la se˜nal, se encarga de separar los datos que corresponden a los diferentes servicios para que luego, estos sean transmitidos a su correspondiente sistema de emisi´on. Esto quiere decir, que cada servicio es modulado a una determinada frecuencia, para luego, ser transmitido a un AP (acces point) cuya funci´on es difundir cada servicio, a una frecuencia determinada dentro del hogar. Cada punto de acceso se planea que funcione bajo el est´andar 802.11n, ya que e´ ste nos brinda la posibilidad de transmitir en 2 bandas de frecuencias, las cuales est´an centradas en 2.4 GHz y 5 GHz. El gran beneficio de radiar informaci´on a 2 frecuencias diferentes, estriba en que se puede usar la banda de 5 Ghz para transmitir toda la informaci´on relacionada con HDTV y/o VoD (Video on Demand), mientras que se usar´ıa la banda de 2.4 Ghz para la transmisi´on de VoIP e Internet. Ver Figura 7.

aproximada de 8 Mbps. Esta velocidad es suficiente cuando el video es comprimido bajo el est´andar H.264 (MPEG-4 AVC), pero si los equipos de compresi´on trabajan bajo MPEG-2, necesitar´ıamos anchos de banda por encima de 19 Mbps, por cada canal de televisi´on ofrecido. [10] Esto significa que de la capacidad total recibida por el usuario se reserva aproximadamente 50 Mbps, dedicado exclusivamente al servicio de televisi´on en alta definici´on (Esto se reserva en el IGR). Se podria pensar que es un ancho de banda muy peque˜no para ofrecer una amplia gama de canales, no obstante otra de las funciones del IGR, es el filtrado. El dispositivo reproductor de HDTV, no tendr´a que filtrar cada se˜nal para seleccionar un canal, pues todas las se˜nales de los diferentes canales viajan en la fibra, y dependiendo que canal se quiera observar, el IGR, lo filtra, para posteriormente ser transmitido al reproductor. Como cada canal, requiere de un ancho de banda estimado de 8 Mbps, se proponen 50 Mbps, para que varios reproductores HDTV dentro de la residencia puedan tener acceso al servicio. 2. Frente al ancho de banda reservado para VoIP e internet, que ser´ıa el resto de la capacidad que se establezca en el IGR, se debe tener en cuenta que para un canal de VoIP, se debe reservar entre 26.1 27.2 Kbps de carga u´ til, si nos referimos al est´andar G.723 IA, definido por la ITU o 39.2 Kbps de carga u´ til, si nos referimos al est´andar G.729ł referencia1. Esto indica que por hogar, a menos que se dirija desde all´ı una peque˜na empresa, se pueden ofrecer 3 canales telef´onicos, utilizando menos de 120 Kbps, reservado para VoIP, lo que nos deja una amplio ancho de banda para las diferentes aplicaciones de internet como son: Tele-vigilancia, m´usica bajo demanda, Tele-educaci´on, juegos en l´ınea entre otras aplicaciones. [11] VI.

CONCLUSIONES Y TRABAJO A FUTURO

La investigaci´on abordada, se cita, para mostrar los grandes beneficios, tanto en velocidad, como en ancho de banda, que puede ofrecernos la implementacin de tecnologas hbridas RoF.

Figura 7. Tramo indoor Propuesta

Para ofrecer los diferentes servicios digitales que se han planteado la topolog´ıa anterior (ver Figura 6), la cual fue pensada para brindar buena capacidad y excelente calidad, a un usuario residencial, se estima que es necesario ofrecer un ancho de banda dedicado de hasta 100 Mbps. El ancho de banda pensado anteriormente se debe b´asicamente a 2 razones fundamentales: 1. El cambio de televisi´on an´aloga a digital ha hecho que el envi´o de la se˜nal de televisi´on se pueda hacer con mayor facilidad por medio de la red de datos, utilizando por cada canal de televisi´on en alta definici´on una velocidad de

Al estudiar estas grandes bondades, se pueden vislumbrar una gran cantidad de tecnolog´ıas que pueden ser implementadas, gracias a estas soluciones, y que no solo aminoran los costos de ejecuci´on e implementaci´on, sino que a su vez maximizan la utilidad y la eficiencia de medios de transmisi´n como lo es la fibra o´ ptica y las tecnolog´ıas inal´ambricas. El trabajo a futuro, estar´a orientado a simular y experimentar con cada uno de los medios y servicios que planteamos, pensando en trabajar la radiaci´on de HDTV a 60 GHz (banda donde se est´a proponiendo este servicio) en referencia del est´andar 802.15.3c, esperando los resultados que est´a desarrollando la comunidad cient´ıfica en los equipos en esta banda.

VII.

AGRADECIMIENTOS

Nuestros sinceros agradecimientos a los doctores Ferney Amaya y Ana Mar´ıa Cardenas por su constante asesor´ıa y las correcciones hechas a esta publicaci´on, y al profesor Jhon Jairo Arango por su constante apoyo en el desarrollo de la misma. R EFERENCIAS ´ [1] Mar´ıa Carmen Espana Boquera. Comunicaciones Opticas conceptos escenciales y resoluci´on de ejercicios. Edited by D´ıaz de Santos, Espa˜na. eBook. ISBN: 84-7978-685-X, 2005. [2] Stamatios V. Kartalopoulos. Introduction to DWDM Technology. Edited by SPIE with Optical Engineering Press, USA. eBook. ISBN: 0-78035399-4, 2000. [3] Ning Cheng Wei-Tao Shaw, Shing-Wa Wong and Leonid G. Kazovsky. MARIN Hybrid Optical-Wireless Access. [4] Dr. Francisco Ramos Pascual. Estudio de efectos no lineales en dispositivos fot´onicos y su aplicaci´on en sistemas radio sobre fibra o´ ptica. PhD thesis, Universidad Polit´ecnica de Valencia, 2000. [5] German Enrique Campos Hern´andez and Giovanna Paola Sabogal Alfaro. Sofware de simulaci´on de diferentes tipos de modulacion de se˜nales de radio frecuencia sobre fibra o´ ptica, (9). [6] Ning Cheng Koussalya Balasubramanian Chunming Qiao She-Hwa Yen Wei-Tao Shaw, Shing-Wa Wong and Leonid G. Kazovsky. Communications, 2008. ICC ’08. IEEE International Conference. [7] Nelson L. S. da Fonseca Pedro Henrique Gomes and Omar C. Branquinho. Analysis of performance degradation in radio-over-fiber systems based on ieee 802.16 protocol. Communications, 2009. LATINCOM ’09. IEEE Latin-American Conference on, (17), sept. [8] Hung-Chang Chien Yu-Ting Hsueh Arshad Chowdhury and Gee-Kung Chang. Advanced system technologies and field demonstration for inbuilding optical-wireless network with integrated broadband services. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 27(12), june 2009. [9] Jos´e Luis Jim´nez Pe naloza. Caracterizaci´n del modulador electro-´optico apetm microwave analog intensity con aplicaci´on de transmisi´on de video compuesto. Master’s thesis, Universidad de las Am´ricas Puebla, Agust 2005. [10] Jesse E. Simsarian and Marcus Duelk. IPTV Bandwidth Demands in Metropolitan Area Networks, 2007. [11] Cristiano H. Ferraz. Fibras en el Bucle Local, nov 2007.