Capítulo 2 La Capa Física

Capítulo 2 La Capa Física
Autor: Santiago Felici Fundamentos de Telemática (Ingeniería Telemática) Suelo ir directamente al cableado estructurado, por tema de prácticas y tiempo.

Sumario Principios básicos
Medios físicos de transmisión de la información Cableado estructurado El sistema telefónico. Multiplexación PDH y SONET/SDH Ejemplos: Interfaces serie: RS-232 y otros POTS: Modems RDSI ADSL

Capa Física N=1 Envía bits por el medio físico asociado. PDU=bit!!!!
Repetidor Conector en ‘T’ Envía bits por el medio físico asociado. PDU=bit!!!! N=1

Principios básicos Señal analógica vs señal digital Módem vs Códec
La señal analógica utiliza una magnitud con una variación continua. La señal digital emplea valores discretos, predefinidos Módem vs Códec Módem (MODulador-DEModulador): convierte de digital a analógico y viceversa Códec (Codificador-DECodificador): convierte de analógico a digital y viceversa

Codificación en una señal digital Modulación en una señal analógica
Técnicas de codificación y modulación x(t) g(t) x(t) g(t) Codificador Decodificador Analógica a digital t CO DEC Codificación en una señal digital s(t) m(t) s(t) m(t) Digital a analógica Modulador Analógica Demodulador t MO DEM Modulación en una señal analógica

Modem vs Codec - Modems para transmistir analógico en el bucle de abonado - Codec para transmitir digital dentro de las centrales (Telco)

Ejemplo: teléfono RDSI Ejemplo: tarjeta RDSI para ordenador
Datos analógicos y digitales, señales analógicas y digitales Las señales analógicas representan la información como variaciones continuas del voltaje Datos analógicos Señal analógica Teléfono Datos digitales Señal analógica Módem Señal analógica Señal digital Las señales digitales representan la información como pulsos de voltaje Códec Ejemplo: teléfono RDSI Datos digitales Señal digital Transmisor digital Ejemplo: tarjeta RDSI para ordenador

Modulación Componentes: Señal portadora (señal de adaptación al medio)
El proceso de modulación se utiliza para adaptar una señal a enviar, al medio físico por el cual va a ser transportada. Cada medio físico tiene las modulaciones más apropiadas, según las características intrínsecas al medio: ruido, atenuación, velocidad, ancho de banda, impedancias, distancias, sincronismo, probabilidades de error, etc También se puede interpretar la modulación como un proceso para robustecer la señal. Componentes: Señal portadora (señal de adaptación al medio) Señal moduladora (señal que lleva información) Señal modulada x

Clasificación de modulaciones
Señal moduladora Moduladora/ Portadora Analógica Digital AM, FM, PM: amplitude, frequency and phase modulations ASK, FSK, PSK: amplitude, frequency and phase shift keying QAM: Quadrature Amplitude Modulation. Ej modems analógicos PAM, PDM (o PWM), PPM, PCM: pulse amplitude, duration o wide, position, code modulation. Ej GSM Codificación NRZ-L o NRZI: no return to zero-Level o -Invert on ones, Bifase, Manchester,... Ej. RDSI Portadora AM, FM y PM no las vamos a ver. Ejemplo: AM es modular la amplitud de una portadora, q oscila a una freq q excita a una antena

Modulación de una señal digital con portadora analógica
1 1 1 1 1 Señal binaria ASK ( ejemplo On Off Keying, OOK) FSK PSK Cambios de fase

Modulación de una señal analógica con portadora digital
8.2 PAM 2.8 8 PCM 3 PAM->Q (cuantificador)->PCM P.ej: 8.2 ->8->1000 binario 2.8 ->3->0011 binario

} } } NRZ Multinivel Bifase
Diversos formatos de codificación de señales digitales con portadora digital Códigos de línea 1 1 1 1 1 NRZ-L } NRZ NRZI AMI-Bipolar } Multinivel Pseudoternario Se puede calcular la tensión media como, p.ej si los 1’s son 5 v y los 0, 0v = (nº1s transmitidos*Tbit*5v) / nº bits transmitidos Manchester } Bifase Manchester Diferencial

Códigos de línea: explicación
Los problemas de los códigos de línea para transmisión son: la transmisión de contínua (lo cual tiene inconvenientes en largas distancias porque se atenúa) y la sincronización (por ejemplo, en el caso de una secuencia larga de 0s). Los códigos NRZ, como NRZ-L no resuelve ninguno de los problemas anteriores. NRZ-I cambia la polaridad con los 1s (si hay 1 en la línea, el 0 pasa a 1 y el 1 a 0) tratando de mejorar NRZ-L. Para eliminar la componente contínua (DC, direct current), se utilizan los códigos multinivel (AMI-Bipolar y Pseudoternario), pero siguen sin introducir sincronismo. El AMI-Bipolar codifica 0 como 0voltios y 1 como +V o –V. El Pseudoternario, es igual que el AMI-Bipolar pero al revés, codifica 1 como 0voltios y 0 como +V o –V. Finalmente, para introducir sincronismo de utilizan códigos Bifase, como Manchester, que codificar 0 como transición de 0 a 1 y 1 como transición de 1 a 0 (realmente no están definidas las transiciones y se obtiene el código por los bits de preámbulo). La versión diferencial, actúa como Manchester, pero siguiendo la misma asignación de valores codificados que el NRZ-I

Códigos de línea: explicación
Los códigos Manchester hemos visto introducen una transición al medio, lo que implica duplicar la frecuencia, por tanto estos códigos no son utilizados para largas distancias dado que sufrirían una fuerte atenuación. En el caso de largas distancias, son preferidos los códigos multinivel y para resolver su falta de sincronismo, se utilizan técnicas de inserción de bits, como B8ZS y HDB3 (utilizada en EEUU y Europa respectivamente), que consisten en: cuando existe una secuencia seguida de 1s o 0s, se modifica este secuencia de forma que rompa la secuencia. Obviamente, el receptor ha de deshacer dicho intercambio. Ejemplo, la RDSI utiliza en EEUU codificación B8ZS de forma que si se detectan 8 0s se sustituye la secuencia por , siendo – y + 1s con diferente polaridad.

Distinción entre bps y baudio
Bits por segundo (bps) Baudio (concepto físico): veces por segundo que puede modificarse la onda electromagnética para transmitir la información o símbolos por segundo. El número de bits por símbolo depende del número de valores posibles de la magnitud utilizada para codificar la información. Ejemplo 1: con 2 valores (1 y 0) por símbolo 1 baudio = 1 bps Ejemplo 2: con 8 símbolos, puede asignar a cada símbolo 3 bits, por tanto 1 baudio= 3 bps El número de bits asignados por símbolo son: bits/símbolo=log2(número de niveles o símbolos) El bit es la unidad básica de información y solo puede tener dos valores, que generalmente representamos como 0 ó 1. El bit es un concepto abstracto, aunque en la práctica se almacena en un dispositivo físico (por ejemplo un transistor) que puede tener dos estados, que asociamos a 0 y 1. En cambio el baudio, la unidad básica de transmisión de información, no es un concepto abstracto sino que va asociado al medio físico concreto por el que se transmite ésta, que casi siempre es una onda electromagnética. Para transmitir la información dicha onda ha de poder variar alguna de sus características (por ejemplo la amplitud) entre una serie de valores posibles. Los baudios indican el número de veces por segundo con que podrá cambiar esa característica, elegida para transmitir la información. Si la amplitud puede variar entre 2 posibles valores se asocia un bit a cada baudio y el número de baudios coincide con el de bits por segundo. Pero si hay cuatro valores posibles podremos transmitir dos bits por baudio, con lo que el número de bits por segundo será doble que el número de baudios. Por ejemplo en RDSI los datos se transmiten mediante pulsos de cuatro posibles voltajes, +2,64, +0,88, -0,88 y –2,64 Voltios. A menudo se utiliza el término símbolo como sinónimo de baudio. Estrictamente hablando hay una diferencia entre ambos, ya que un baudio es un símbolo por segundo.

Constelaciones de algunas modulaciones habituales: moduladora digital y portadora analógica
Binaria simple 1 bit/símb. 1 2B1Q (RDSI) 2 bits/símb. 2,64 V 0,88 V -0,88 V -2,64 V 00 01 10 11 QAM de 4 niveles 2 bits/símb. 01 00 10 11 Portadora QAM de 32 niveles (Módems V.32 de 9,6 Kb/s) 5 bits/símbolo 11111 11000 01101 00011 00100 La codificación 2B1Q (utilizada en RDSI, por ejemplo) contempla cuatro valores diferentes de amplitud, con lo que un símbolo puede transportar dos bits. Las técnicas más sofisticadas utilizan amplitud y fase. Por ejemplo la codificación 4QAM consigue también dos bits por baudio combinando dos valores de amplitud y dos de fase. 4QAM es una modulación más robusta que 2B1Q, aunque su mayor complejidad la hace también más costosa. Los estados de una técnica de modulación se representan en gráficos bidimensionales con la amplitud en el eje de abscisas y la fase en el de ordenadas. Dichas gráficas se denominan ‘constelaciones’. En la figura podemos ver las constelaciones de las modulaciones mencionadas, así como la 32QAM utilizada en los módems V.32 (9,6 Kb/s) . Esta define 32 estados combinando diversos valores de amplitud y fase, lo cual permite representar 5 bits por símbolo. Así V.32 sólo ha de transmitir a 1,92 Kbaudios para conseguir los 9,6 Kb/s. La transmisión se realiza en el espacio complejo con señales desfasadas 90º como seno y coseno

Muestreo: PAM+Q+PCM (codecs, A/D, D/A)
Antes hemos partido de una secuencia binaria , pero esta secuencia binaria procede de un señal analógica digitalizada o muestreada. Este proceso se realiza en los CODECs, también conocidos como bloques A/D y D/A es decir Analógico/Digital y Digital/Analógico. El proceso de muestrear supone tomar una muestra de la señal analógica y codificarla en digital, pero ¿cuántas muestras tenemos que tomar para poder reconstruir la señal analógica original?¿se puede reconstruir? Obviamente, un ejemplo claro de la digitalización son los teléfonos GSM ;-)

Teorema de Muestreo (Nyquist)
Sabemos que las señales se pueden descomponer como un sumatorio de senos y cosenos cada uno de una amplitud, frecuencia y fase diferente. Esto se llama Desarrollo Serie de Fourier. Si dichas sinusoides las muestreamos, el caso más crítico de muestreo será aquella de mayor frecuencia (frecuencia máxima fm que corresponde con el periodo mínimo Tmin=1/ fm) la cual vamos a llamar: f(t)=A sin(2fm t+ ) donde A: amplitud, t: tiempo y : fase de la señal. El Teorema de Muestreo formulado por Nyquist 1924 dice: que si queremos reconstruir una señal de frecuencia máxima fm, debemos de muestrear a 2fm y la frecuencia de muestreo (sampling) se llama fs o también frecuencia de modulación. Ejemplo1, si un instrumento musical emite tonos (o sinusoides) de 20KHz, debo muestrear a 40KHz ( muestras por segundo). Ejemplo 2: los CD de audio muestrean la señal veces por segundo, por tanto pueden captar frecuencias de hasta 22,05 KHz Ejemplo3, si la voz humana tiene un espectro de 4Khz, para poder muestrear y recuperar la señal requeriríamos muestras por segundo, o 8000 baudios. Ya en 1924 Nyquist demostró por procedimientos puramente teóricos que existía un límite máximo en el número de baudios que podían transmitirse por un canal, y que dicho límite era igual al doble de su ancho de banda. Por ejemplo en el caso de un canal telefónico, con una anchura de 3 KHz, el máximo es de 6 Kbaudios. Para un canal de televisión PAL con una anchura de 8 MHz el máximo sería de 16 Mbaudios. Podemos comprender intuitivamente el Teorema de Nyquist si pensamos que la secuencia de símbolos a transmitir puede fluctuar entre dos situaciones extremas: transmitir siempre el mismo símbolo o transmitir cada vez un símbolo con un valor de amplitud opuesto al anterior. En el primer caso tendríamos una señal constante de frecuencia cero, mientras que en el segundo la frecuencia sería la mitad que el número de símbolos transmitido (ya que dos símbolos consecutivos formarían una oscilación completa). Así pues la anchura de banda, que sería igual a la diferencia entre estos dos casos extremos, sería la mitad del número de símbolos transmitidos por segundo. Desde otro punto de vista, si yo tengo una señal fm, frecuencia máxima y tx , que se comportaría como en la señal a transmitir, cada ciclo de la señal es 10 +-, por tanto 2 bits, así q con fm la máxima información q obtengo sería 2.fm, que serían las muestras q realizaría en el caso de tener q recuperar las señal. En la práctica, cuando se trata de señales moduladas (que es el tipo de señales que se dan en casi todos los casos en RBB) el número de baudios no puede ser mayor que el ancho de banda del canal. Por tanto en los ejemplos anteriores (canal telefónico y canal de televisión PAL) el máximo sería de 3 Kbaudios y 8 Mbaudios, respectivamente.

Teorema de Muestreo (Nyquist): demostración simple
Podemos verlo fácilmente si tenemos en cuenta que, si sólo tenemos un valor o muestra por periodo, es decir muestreando a fm no seríamos capaces de conocer ni la amplitud ni la fase. Sin embargo con al menos 2 muestras como dice el Teorema, dos puntos de f(t) sí que somos capaces de trazarla, por ejemplo si tenemos el mínimo y el máximo de f(t) podemos trazar entre dichos puntos la sinusoide f(t). Además, los puntos están equidistantes, porque siempre se muestrea a la misma velocidad. Otra forma de verlo, es fm = fs /2 y fs la conocemos contando las muestras en un segundo. Si tenemos los puntos (t1,f(t1)) y (t2,f(t2)), siendo t2= t1+Tmin /2, podemos plantear el sistema de ecuaciones Ecuación 1: f(t1)=A sin(2fm t1 + ) Ecuación 2: f(t2)=A sin(2fm t2 + ) Por tanto, tenemos 2 ecuaciones y 2 incógnitas A y , con lo cual podemos resolver y despegar las incógnitas.

Interpretaciones prácticas sobre Nyquist
En una señal cuando se transmite, la capacidad que posee para transportar información, o bien viene limitado por la propia señal (que es lo visto anteriormente, una señal con frecuencia máxima fm) y su ancho de banda, o bien viene limitado por el ancho de banda del canal en la que es transmitida. En resumen, o el ancho de banda lo fija la fuente o bien el canal. Ej. La voz humana, tiene un BW >4KHz, pero los circuitos de las centrales operan hasta 4KHz. Es decir, en el caso q el canal limite a 4 KHz, si por allí mandara con máxima frecuencia, suponiendo que cada lóbulo o semiperiodo de la sinusoide es +- asociado al 10, obtendría 8000 baudios. Es decir q una señal limitada a 4Khz puede transportar como máximo 8000 baudios si no está modulada, q se trata de otra consideración diferente del Tm de Nyquist. Si estuviera modulada como en la CATV, sólo sería la mitad, es decir 4000 baudios.

Espectro acústico de la voz y la música
Límite superior de la radio FM Límite superior de la radio AM Canal telefónico 0 dB MÚSICA -20 dB VOZ Rango dinámico aproximado de la música Rango dinámico aproximado de la voz Potencia relativa -40 dB Ruido 300 Hz 3,4 KHz -60 dB 10 Hz 100 Hz 1 KHz 10 KHz 100 KHz Frecuencia Potencia relativa=Potencia/Potencia máxima

Teorema de Nyquist en un canal (limitación por canal)
En un caso general, como un canal analógico (que transporta señales analógicas no moduladas), se puede demostrar que los baudios (símbolos por segundo) posibles enviados con un canal de ancho de banda BW es: Capacidad [baudios]=2*BW [Hz] Si fuera modulada, sería Capacidad [baudios]=BW [Hz] Y la capacidad binaria de dicho canal es: Capacidad [bits/segundo]= 2*BW*log2(número de niveles por símbolo)= 2*BW*log10(número de niveles por símbolo)/ log10(2) El número de niveles por símbolo lo determina la constelación de la modulación utilizada. Pero el número de símbolos a introducir en un canal tiene también un límite ... En el caso del canal telefónico, como utilizamos de 300 a 3400 Hz, al ser modulada porque no parte de 0 Hz, sino que va metida en la banda 300 a 3400Hz, el máximo de baudios son 3100 baudios. Esto es si la señal no está modulada. Si está modulada, es capacidad en baudios es BW.

Relación señal/ruido La relación señal/ruido, también SR o S/N (Signal to Noise Ratio) se mide normalmente en decibelios (dB): S/N (en dB) = 10* log10 (S/N)=S(db) – N(db) Ejemplo 1: S=10Kwatios N=5Kwatios, por tanto S/N (db)= 10* log10 (10/5) Ejemplo 2: S/N = 36 dB, por tanto la señal es 103,6 = 3981 veces mayor que el ruido

Ley de Shannon (1948) La cantidad de información digital (límite y teórica) que puede transferirse por un canal analógico está limitada por su ancho de banda (BW) y su relación señal/ruido lineal (S/N), según la expresión: Capacidad [bits por segundo] = BW [Hz] * log2 (1 + S/N) = BW * log10(1+S/N)/log10(2) Ejemplo: En el sistema telefónico, la máxima S/N que se puede obtener debido al proceso A/D y D/A realizado sobre la voz es de 36 dB (=103.6). Si el canal utilizado para enviar la voz es de 3,1KHz[1], por tanto la capacidad binaria del canal es : Capacidad [bps] = 3,1 KHz * log2 (1+3981) = 37,07 Kbps Que es la máxima capacidad teórica según Shannon que puede transmitirse en bps en un canal analógico, donde la S/N del canal, queda fijada por el proceso de cuantificación A/D de los conversores en la entrada a las centrales. [1]Los 3.1KHz proceden de utilizar márgenes de seguridad en los propios canales de voz con 4KHz reservados. El Teorema de Nyquist fija un máximo en el número de baudios, pero dado que no dice nada respecto al número de bits por baudio la capacidad del canal en bits por segundo podría ser arbitrariamente grande utilizando una modulación capaz de transmitir un número lo bastante grande de bits por baudio. Sin embargo, a medida que aumenta el número de bits por baudio se incrementa el número de estados diferentes que el receptor ha de poder discernir, y se reduce la distancia entre éstos en la correspondiente constelación. En canales muy ruidosos puede llegar a ser difícil distinguir dos estados muy próximos. Como cabría esperar, el número máximo de estados que el receptor pueda distinguir depende de la calidad del canal de transmisión, es decir de su relación señal/ruido. Ya en 1948 Shannon dedujo una expresión que cuantificaba la capacidad máxima de un canal analógico en función de dos parámetros: su ancho de banda y su relación señal/ruido.

Conceptos básicos: ondas
Onda electromagnética: es un campo eléctrico magnético que se propaga por un medio a una velocidad propia de éste (por ejemplo en el caso del aire, la velocidad de propagación es la misma que la velocidad de la luz c=108 m/s), vibrando a una frecuencia determinada (como un plano desplazándose en longitudinal), con un comportamiento periódico en el eje longitudinal de su propagación, con periodo o repetición a longitudes constantes, que se llaman longitudes de onda () y se define  =c/f, siendo c la velocidad de la luz y f la frecuencia de oscilación. Problemas: Esta onda, en el caso de chocar con alguna imperfección puede producir reflexiones, y además, si el medio tiene muchas pérdidas, se puede atenuar.

Velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas
Medio Velocidad (Km/s) Vacío o aire Cobre (aprox.) Fibra Óptica (aprox.) La velocidad de propagación impone un retardo mínimo en la transmisión de información; además hay que contar el que introducen los equipos

Medios físicos de transmisión de la información
Medios guiados (Ondas electromagnéticas) Cables metálicos (normalmente de cobre) Coaxiales De pares trenzados (apantallados o sin apantallar) Cables de fibra óptica Multimodo Monomodo Medios no guiados (también Ondas electromagnéticas) Enlaces vía radio Enlaces vía satélite

Conceptos básicos: CABLES METALICOS
Impedancia característica de un cable: es la impedancia que ve una fuente conectada a un extremo de un cable, estando el otro extremo del cable abierto. Es un valor característico e intrínseco de la construcción del cable (la R, L y C por metro de cable) y su valor es Z0=(L/C) Adaptación de impedancias: se dice que la fuente y la carga están adaptadas al cable, cuando sus impedancias coinciden con Z0 Coeficiente de reflexión =(Zl-Z0)/(Zl +Z0 ) La carga (load en inglés) o fuente que se conecta al extremo de un cable tiene una impedancia de Zl . En el caso que exista adaptación  =0, sin embargo si NO existe adaptación,  es diferente de cero y por tanto aparecen ondas electromagnéticas reflejadas en el cable. Esta desadaptación, pueda ser debidida a equipos no adaptados, a empalmes y conectores mal realizados, imperfecciones del cable, etc

CABLES METALICOS Problemas de la transmisión de señales
Atenuación La señal se reduce con la distancia debido a: Calor (resistencia) Emisión electromagnética al ambiente La pérdida por calor es menor cuanto más grueso es el cable La pérdida por emisión electromagnética es menor cuanto más apantallado está el cable (menos emisión electromagnética) La atenuación aumenta con la frecuencia (aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada de ésta) La propagación de ondas electromagnéticas de alta frecuencia a través de conductores metálicos presenta una serie de características que limitan su alcance y/o capacidad. La principal es la atenuación de la señal, que aumenta de forma proporcional a la raíz cuadrada de su frecuencia. También depende del tipo de cable, siendo mayor en cable no apantallado que en coaxial.

CABLES METALICOS Problemas de la transmisión de señales
Dispersión. Variación de la velocidad de propagación de la señal en función de la frecuencia, dado que el cable es un sistema formado por L y C cuyo comportamiento varía con la frecuencia. Se considera una interferencia interna que genera ensanchamiento de pulsos. Conexión entre edificios con diferente potencial, lo cual crea una corriente estática de gran intensidad por el conductor metálico que puede dañar los equipos conectados. Esa diferencia de potencial es debida a la propia construcción de la arqueta de “toma de tierra”, lo cual hace que exista potencial diferente entre diferentes tomas. Solución: conexión óptica por fibra Interferencias electromagnética externas: Los cables se comportan como antenas y por tanto captan los campos eléctrico magnéticos del ambiente (motores, monitores, tormentas, emisoras ...). Otro problema es el desfase, que consiste en al distorsión de la señal debida a la diferente velocidad de propagación de la onda en función de la frecuencia. Cuanto mayor es la anchura de banda del canal mayor es el desfase. Para un ancho de banda dado el desfase es directamente proporcional a la distancia recorrida; por otro lado cuanto mayor es la capacidad del canal mas sensible es el receptor al desfase. La combinación de estos dos factores lleva a expresar a menudo la capacidad máxima en términos de capacidad*distancia. Por último tenemos la interferencia electromagnética. Aquí podemos distinguir dos tipos. Por un lado la inducida por factores externos, tales como arranque de motores o emisiones comerciales de radio o televisión, y por otro el denominado crosstalk, que es la interferencia debida a señales que inevitablemente acompañan a la que nos interesa, por ejemplo en una comunicación full dúplex cada señal produce una cierta interferencia en el sentido opuesto. Otro ejemplo es la inducción producida por señales que viajan en cables paralelos, que están en un mismo mazo.

Fuentes de interferencia externa
Tormentas: La diferencia de potencial generada con una tormenta es V=E*l, es decir el producto escalar del campo eléctrico ambiente (E) por la longitud del cable (l). En una tormenta E puede ser de miles de voltios por metro, por lo tanto con un tendido de cable de 1 km, pueden haber problemas, que pueden destruir todos los equipos conectados a dicho cable. Solución: utilizar fibras en estos tendidos tan largos. Motores, emisiones de radio y TV, etc.: Son campo eléctricos pequeños. Existen especificaciones y normativas para guardar distancias entre los cables de alimentación y los de datos, normalmente 1 metro. Solución: apantallamiento metálico Señales paralelas: diafonía o crosstalk (efecto de cruce de líneas). La diafonía es un fenómeno por el que conversaciones en otros pares, por proximidad se introducen en otro para. Solución: apantallar o trenzar cada par. Este fenómeno aumenta con la frecuencia y puede ser: Del extremo cercano o NEXT (Near End Crosstalk): señal inducida en el lado del emisor Del extremo lejano o FEXT (Far End Crosstalk): señal inducida en el lado receptor Otro problema es el desfase, que consiste en al distorsión de la señal debida a la diferente velocidad de propagación de la onda en función de la frecuencia. Cuanto mayor es la anchura de banda del canal mayor es el desfase. Para un ancho de banda dado el desfase es directamente proporcional a la distancia recorrida; por otro lado cuanto mayor es la capacidad del canal mas sensible es el receptor al desfase. La combinación de estos dos factores lleva a expresar a menudo la capacidad máxima en términos de capacidad*distancia. Por último tenemos la interferencia electromagnética. Aquí podemos distinguir dos tipos. Por un lado la inducida por factores externos, tales como arranque de motores o emisiones comerciales de radio o televisión, y por otro el denominado crosstalk, que es la interferencia debida a señales que inevitablemente acompañan a la que nos interesa, por ejemplo en una comunicación full dúplex cada señal produce una cierta interferencia en el sentido opuesto. Otro ejemplo es la inducción producida por señales que viajan en cables paralelos, que están en un mismo mazo.

CABLE COAXIAL Es el que tiene menor atenuación y menor interferencia. La impedancia puede ser de 50 o 75  50 : usado en redes locales Ethernet (10BASE2 y 10BASE5) para banda base 75 : usado en conexiones WAN y redes CATV (Community Antenna TeleVision) o TV en radiofrecuencia

Partes del cable coaxial
funda (polyethylene) Malla o papel aluminio Material asilante Conductor de cobre o alumnio Este tipo de cables por su apantallamiento, evita que la señal interna radie y que las señales externas inyecten interferencias. Sin embargo, son más complicadas de manipular que los pares trenzados. La atenuación es la principal causa de error. Utilizan conector BNC; Ballonet TuNUT Couple

CABLE DE PARES TRENZADOS
La base del bucle de abonado del sistema telefónico. También se utiliza en todos los sistemas de red local modernos Los pares suelen ir trenzados para minimizar interferencias Inadecuado para largas distancias por la atenuación Según el apantallamiento puede ser: UTP (Unshielded Twisted Pair) STP (Shielded Twisted Pair) FTP o ScTP (Foil Twisted Pair o Screened Twisted Pair)

Conceptos básicos: Pares trenzados
Los cables en función de su construcción y su respuesta en frecuencia, se clasifican en categorías (cat1- cat7) según EIA/TIA 568. Además, para las características de conducción, según el tipo de hilo de cobre, sus características, etc. ...existe una clasificación americana aceptada internacionalmente, llamada la AWG (American Wire Gauge), donde relaciona para cada tipo de cable, el diámetro en mm del hilo de cobre, el área del conductor, de forma que permite asignar y catalogar los cables con una escala arbitraria definida por la AWG. Cabe destacar que a mayor escala de AWG, se asocia a diámetros más pequeños. Además cada cable, también tiene asociadas características adicionales en función de la cubierta utilizada, temperaturas, resistencia a la corrosión, etc Ejemplo: los cables más utilizados como categoría 5 son 24AWG de 0,51 mm de diámetro y para categoría 7, 23 AWG de 0,57 mm de diámetro.

Vista transversal de un cable UTP-5 de cuatro pares
Cubierta hecha con material aislante Alambre de cobre. Normalmente AWG 24 ( 0,51 mm) Aislante de cada conductor Vista transversal de un cable UTP-5 de cuatro pares

Atenuación Srecibida= Stransmitida –Atenuación (dB)
A 10 MHz la potencia de la señal en un cable tipo RG-58 (coaxial fino, Z0 =50 ohms) se reduce a: la mitad en 75m 1/2 = 10-0,3 = 3 dB la cuarta parte en 150m 1/4 = 10-0,6 = 6 dB la octava parte en 225m 1/8 = 10-0,9 = 9 dB Información obtenida de especificaciones según fabricante.

Atenuación en función de la frecuencia de algunos cables típicos
30 Cable de pares trenzados galga AWG 24 ( 0,51 cm) 10 Cable coaxial grueso ( 0,95 cm) Atenuación (dB/Km) 3 1 1 Fibra óptica 0,3 0,1 1 KHz 1 MHz 1 GHz 1 THz 1 PHz Frecuencia

Atenuación en función de la frecuencia para un bucle de abonado típico
Frecuencia (KHz) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 20 40 Atenuación (dB) 3,7 Km 60 5,5 Km Esta figura muestra un ejemplo concreto (para el caso de ADSL) de cómo evoluciona la atenuación de la señal en función de la frecuencia para dos longitudes de cable dadas. El grosor del cable también influye en la atenuación. Para una frecuencia dada un cable de mayor grosor tiene menor atenuación. Asimismo en el caso de cables coaxiales la atenuación es menor cuanto mayor es el apantallamiento del cable. 80 100 120

Categorías de cables de pares trenzados TIA/EIA 568
Vueltas/m Frec. Máx. (MHz) Capac. Máx. datos (Mb/s) 1 No espec. No se utiliza 2 1 (2 pares) 3 10-16 16 100 (2 pares) 4 16-26 20 5 26-33 100 1000 (4 pares) 5e 6 250 4000 7 (desarrollo) 600 10000

Atenuación (en dB/100m) de diversos tipos de cable a varias frecuencias
MHz UTP-3 UTP-5 STP RG-58 (10BASE2) 1 2,6 2,0 1,1 4 5,6 4,1 2,2 5 3,2 10 6,5 4,6 16 13,1 8,2 4,4 25 10,4 6,2 100 22,0 12,3 300 21,4 Los blancos son información no disponible

Aplicación de los tipos de cables de pares más habituales
10 Gb/s ATM 2,5. Por definir G. Eth. 1 Gb/s Requiere tecnología sofisticada (dudoso) Requiere tecnología sofisticada ATM 622. ATM 155. F. Eth. FDDI 100 Mb/s Requiere tecnología sofisticada T. R. 16 Mb Eth. 10 Mb/s T. R. 4 Mb 1 Mb/s Cat. 3 Cat. 5 Cat. 5E Cat. 6 Fibra G. Eth : Gigabit Ethernet, F. Eth: Fast Ethernet, T. R. Token Ring

La señal inducida en cables vecinos se propaga en ambas direcciones
Diafonía o Crosstalk La señal eléctrica transmitida por un par induce corrientes en pares vecinos La señal inducida por un cable en otro viaja en ambas direcciones, hacia el emisor y hacia el receptor. La señal inducida en cables vecinos se propaga en ambas direcciones

Near end Crosstalk (NEXT)
Aquí se muestra el tipo de crosstalk del extremo cercano o NEXT (Near End Crosstalk). La señal inducida viaja hacia el emisor. Si la fuente de interferencia (lugar por donde se filtra la señal en retorno, por presión en los cables) se produce lejos del emisor el NEXT es pequeño ya que la señal ha de viajar una gran distancia y llega más atenuada; en cambio si se produce cerca del emisor la señal es fuerte. El NEXT lo produce la señal inducida que vuelve y es percibida en el lado del emisor

Far end crosstalk (FEXT)
El otro tipo de crosstalk es el del extremo lejano o FEXT (Far End Crosstalk). En este caso la corriente inducida sigue el mismo sentido que la original, por lo que se manifiesta en el lado del receptor. En este caso la intensidad de la señal recibida es independiente de donde se produce la interferencia, ya que la señal ha de viajar la misma distancia en cualquier caso. El FEXT lo produce la señal inducida que es percibida en el lado receptor. Es mas débil que el NEXT

Cálculo de FEXT y NEXT NEXT (o NEXT–A en los Fluke DSP 2000 de prácticas): se transmite dos señales de referencia por par “x” e “y” y se mide en el par “x”, la potencia emitida menos la interferencia generada producida por la señal emitida en el otro par. Se transmite y recibe en local: NEXT-A=Spar x-Iemitida en par “y” pero recibida por el “x” FEXT (o NEXT–B en los Fluke DSP 2000 de prácticas): se transmite dos señales de referencia por el extremo remoto y se mide en un par local, la potencia recibida menos la interferencia generada localmente producida por la señal emitida por el otro par remoto. Se transmite en remoto y se recibe en local: NEXT-B=S(recibida)par “x”-I(recibida)emitida en par “y” pero recibida por el “x” los valores obtenidos en cada equipo, hay que mirar las especificaciones del fabricante para ver qué tipo de medida se ofrece

Componentes del Crosstalk: FEXT y NEXT
El NEXT-A y el NEXT-B disminuye con la frecuencia, es decir aumenta la interferencia. El NEXT-A es más fuerte que el NEXT-B porque la intensidad de la señal inducida en el extremo cercano (local) es mayor. Si se usa una frecuencia distinta en cada sentido (ej.: ADSL) la diafonía no es problema

Cable propuesto para categoría 7 (STP: Shielded Twisted Pair)

Atenuación y Diafonía La atenuación se puede compensar con un emisor más potente y/o un receptor más sensible Con una emisión más potente, la diafonía (especialmente el NEXT-A) aumenta e impone una limitación. A medida que aumenta la frecuencia la atenuación y la diafonía aumentan (NEXT-A o B disminuye). Para un cable dado existe una frecuencia a la cual la intensidad de la diafonía es comparable a la de la propia señal; esa es la frecuencia máxima aprovechable de un cable y fija su ancho de banda Es el límite de frecuencia (el ancho de banda del canal), porque si la atenuación se soluciona con la potencia, a mayor potencia mayor diafonía, por tanto existe un límite.

Estudio de la relación señal/ruido
Señal recibida es la señal atenuada del emisor Ruido es debido principalmente a la diafonía Interferencia externa (la consideramos despreciable) Señal Transmisor (Salida) Receptor (Entrada) Ordenador diafonía Conmutador o hub LAN Señal This slide shows the traditional ACR as the indicator for signal-to-noise ratio. Consider the Receive Input of the Workstation. The desired signal of the Receive Input is the attenuated signal from the remote end. The undesired signal is the NEXT from its own Transmit Output.On top of the NEXT, there may be externally induced crosstalk. In most situations, this external crosstalk is negligible. The Signal-to-Noise Ratio is the linear ratio of attenuated signal voltage and NEXT voltage. If both quantities are measured in dB’s, the linear ratio corresponds to a subtraction when attenuation and NEXT are expressed in dB. Since both quantities are losses, but normally positive numbers are used to express them, ACR is simply the difference of NEXT and attenuation, when both are expressed in positive numbers in dB. Like was mentioned before, 1000BASE-T implements NEXT cancellation techniques, and there the importance of the ACR figure of merit is reduced. (The same technique was implemented in 100BASE-T2: 100 Mbps on Category 3 cabling, however this standard is not practically used.) Receptor (Entrada) Transmisor (Salida) Transmisión de la señal en una conexión LAN sobre cable de pares trenzados

Se necesita mas señal (electrones azules y morados) que NEXT (electrones grises)
(de remoto a local) Transmisor (salida) NEXT (local) (remoto) Receptor (entrada) Ordenador Conmutador LAN Receptor (entrada) Transmisor (salida) Señal (de local a remoto) Let us illustrate the concept with the electron model. We start out with blue (good) electrons at the transmit output of the workstation and with pink (also good) electrons at the transmit output of the LAN equipment. The signal travels in the direction of the respective receive inputs. However,l crosstalk occurs and black (bad!) NEXT electrons are created in the path of the other signal. The signal electrons (blue and pink) are now accompanied by NEXT (black is bad) electrons. As the combined signals arrive at the receive inputs, of course what is desired is that there are more signal electrons left than there are NEXT (black) electrons. ¡Observar aquí y aquí! El límite viene dado cuando en el receptor, los electrones recibidos igualan a los recibidos por diafonía.

Relación entre Atenuación, Diafonía y ACR
Potencia de señal (dB) NEXT ACR=0 dB ACR (Attenuation/ Crosstalk Ratio) Atenuación Next disminuye con la frecuencia, es decir, que la diafonía aumenta con la frecuencia. Si la diafonía y la atenuación son iguales, marca el umbra, pq mayor pontencia para reducir la atenuación supone añadir mayor diafonía. 0 dB Frecuencia (MHz) 0 MHz Ancho de banda

ACR La calidad de un cable para transmitir una señal viene dada por el cociente entre la diafonía y la atenuación, que se denomina ACR (Attenuation Crosstalk Ratio) El ACR refleja el margen de seguridad con que funciona el cable. También se denomina rango dinámico Si se expresa todo en dB el ACR se puede calcular como: ACR = Atenuación - Diafonía (NEXT) La Atenuación y la diafonía se miden (por ejemplo con un probador de cables como el Fluke DSP2000 de prácticas). El ACR se calcula (el Fluke puede hacer los cálculos) Un ACR de 0 dB significa que “atenuación=diafonía (next)” puesto que log(1) = 0

Atenuación y diafonía (NEXT) en función de la
frecuencia para cables categoría 5 y 6 10 20 30 dB 40 Aten. Cat. 6 50 Aten. Cat. 5 NEXT-A Cat. 6 60 NEXT-A Cat. 5 70 50 100 150 200 Frecuencia (MHz)

FIBRAS OPTICAS ventajas e inconvenientes
Mayor ancho de banda, mayor capacidad Mucho menor atenuación, mayor alcance Inmune a las interferencias electromagnéticas, pues emite en frecuencias de la luz Mayor seguridad, porque el pinchamiento es complicado Inmune a la oxidación Genera aislamiento eléctrico por ser óptico Tasa de errores muy baja Costo más elevado Manipulación más compleja y delicada

FIBRAS OPTICAS: características
La transmisión es en modo simplex, requiere una fibra para transmisión y otra para recepción Se basa en el fenómeno de la reflexión, relacionado con los índice de refracción de los materiales y los ángulos de incidencia El tamaño es como el de un cabello humano OJO, porque en el caso de luz procedente de un LASER la observación directa puede dañar la RETINA DEL OJO SIEMPRE HAY QUE CONECTAR LA FUENTE DE EMISIÓN DE UN EQUIPO CON EL RECEPTOR DEL OTRO EQUIPO Tx Rc

Fibra óptica: construcción
Revestimiento o cladding (cristal) Núcleo o core (cristal) Cubierta de plástico

Principios de Fibra Óptica
Medio 2, n2 Medio 1, n1 Onda incidente Onda reflejada Onda transmitida i t r Sean dos medios 1 y 2 con índices de refracción n1 y n2 (n es el índice de refracción n=c/v, siendo c la velocidad de la luz y v la velocidad de propagación en el medio), la onda incidente parte se refleja y parte se transmite, siendo siempre i=r. Además, la LEY de SNELL dice que “n1 sen i = n2 sen t ” y por tanto si queremos que toda la luz vaya por el medio 1 debemos hacer t =90º, tal que sen t =1, con cual nos fuerza a un ángulo mínimo de i (o c), llamado ángulo crítico, para que sólo haya reflexión y no haya señal transmitida. Por tanto: n1seni = n2; sen i > n2/n1 y obviamente n1 >n2 Si i > c, la luz será totalmente reflejada.

Principios de Fibra Óptica
Además, de igual forma a la entrada de la fibra también tenemos un cambio de medio, pasando del aire (medio 0, siendo n0=1) a el medio 1. Volviendo a aplicar la Ley de Snell entre medio 0 y 1: sen ØNA = n1cos Ø c Si tomamos el ángulo mínimo fijado por el ángulo crítico para que sólo exista reflexión, obtenemos una condición de un ángulo mínimo en la entrada de la fibra, llamado Apertura Numérica (NA). Operando: sen2 ØNA = n2 1 - n2 2 Ángulo mínimo de 90º- c Sólo la luz que entra a la fibra con un ángulo menor que ØNA será propagada, formando el llamado Cono de Aceptación La luz que incide con un ángulo mayor que ØNA se perderá en el Cladding n0 sen na = n1 sen (90-c)=n1 cos c ; sen na= n1 cos c Elevando al cuadrado ambas partes (sen na)2= (n1) 2 (cos c) 2 Como (sen c) 2 + (cos c) 2=1, por tanto (cos c) 2=1-(sen c) 2 y aplicando la fórmula anterior para que pueda existir propagación, sen i = n2/n1, es decir el ángulo crítico y despejando tenemos (sen na) 2= (n1) 2 (cos c) 2= (n1) 2 (1-(sen c) 2) =(n1) 2 (1-(n2/n1) 2)= (n1) 2 ( (n1) 2-(n2) 2)/n12= (n1) 2-(n2) 2 Por tanto (sen na)2= (n1) 2-(n2) 2

Fibras ópticas: propagación y modos
Cuando penetra una onda en la fibra, aquellas ondas que se propagan forman una onda estacionaria en sentido transversal y se propaga en la dirección longitudinal de la fibra. Dicha onda, se llama onda plana, porque el resultado final es como un plano que se desplaza a lo largo de la fibra. Esta onda propagada se llama modo, que se puede entender también como un haz de luz. No todos los modos pueden propagarse en una fibra, y se propagan fundamentalmente los modos que viajan próximos al núcleo de la fibra. Un modo viene caracterizado por la longitud de onda () y lleva un ángulo de incidencia diferente entre los medios 1 y 2.

(SingleMode Fiber, SMF)
Tipos de fibras ópticas Multimodo (MultiMode Fiber, MMF) Cubierta 125 m Núcleo 62,5 m Los múltiples modos que se propagan generan un ‘jitter’ que ensancha los pulsos y limita la distancia o la frecuencia Pulso saliente Pulso entrante Monomodo (SingleMode Fiber, SMF) Cubierta 125 m Núcleo 9 m Al propagarse solo un modo no se produce ‘jitter’ y el pulso no se ensancha

Fibras ópticas Dos tipos de diodos: Dos tipos de fibras:
LED (Light Emitting Diode) de luz normal (no coherente): corto alcance y bajo costo. Envía pulsos de luz, 0s y 1s Semiconductor Láser (luz coherente, toda anda en el mismo modo): largo alcance y costo elevado. Modula la señal de forma que transporta más información que los LED. Dos tipos de fibras: Multimodo o MMF (luz normal): 62,5/125 m o 50/125 m Monomodo o SMF (luz láser): 9/125 m

Fibra Multimodo Fibra Multimodo, 4 Filamentos
para interiores cubierta PVC. Fibra Multimodo, 12 a 144 filamentos con armadura de acero para exteriores.

Fibra Monomodo de enlace
Fibra Monomodo, tipo Jumper duplex (2 filamentos) Diagrama transversal

Caja de Empalme (Shelf)
Placa de Empalme para Fibra Optica, Tipo Rack (Shelf) para 24 cabeceras Tipo ST.

Conectores de Fibra Optica
Conector de Fibra Tipo ST Conector de Fibra Tipo SC

Conectores de Fibra Optica
Conector de Fibra Tipo LC Adaptador LC/ST

Dispersión Cromática La velocidad de la luz en el vidrio depende de su índice de refracción. El índice de refracción depende de la longitud de onda, por lo que las diferentes componentes de un pulso viajan a diferente velocidad (las frecuencias mayores viajan más deprisa. Como consecuencia de esto el pulso se ensancha. Para atenuar este efecto se han desarrollado en los últimos años fibras especiales: DSF (Dispersion Shifted Fiber) NZDS (Non-Zero Dispersion Shifted) DCF (Dispersion Compensating Fiber)

Dispersión Cromática En fibra multimodo con luz normal el haz se produce un ensanchamiento del pulso debido a los diferentes haces de luz (‘modos’) que viajan por la fibra a diferentes velocidades. En el caso de las fibras monomodo la dispersión se produce por la propagación de diferentes  dentro del modo. Este tipo de dispersión también es conocida como dispersión intramodal. Este efecto es proporcional a la velocidad (anchura del pulso) y a la distancia. Se mide por el parámetro ancho de banda que se expresa en MHz*Km En equipos actuales la dispersión máxima tolerable es de 500MHz*Km Es importante en conexiones de alta velocidad (ATM a 622 Mb/s o Gigabit Ethernet) La dispersión en fibras multimodo es alrededor de 500MHz*Km y en monomodo mayor de 100GHz*km

Dispersión Cromática El efecto de la dispersión cromática es más importante cuanto mayor es: La frecuencia de los pulsos (es decir, la tasa en bits/s) y La distancia física que la señal ha de recorrer en la fibra

Cálculo del alcance por dispersión
Enlace ATM a 622 Mb/s sobre fibra multimodo de 500 MHz*Km de ancho de banda. Supongamos que 622 Mb/s = 622 MHz Aplicamos la fórmula: Ancho de Banda = Frecuencia * Distancia 500 (MHz*Km) = 622 (MHz) * X (Km) X = 500/622 = 0,8 Km = 800 m

Atenuación en fibra óptica según la longitud de onda
Primera ventana 0,85 m Segunda ventana 1,30 m Tercera ventana 1,55 m Cuarta ventana 1,62 m 2,0 1,8 1,6 Los picos corresponden a absorción producida por el ión hidroxilo, OH- 1,4 1,2 OH- Atenuación (dB/Km) OH- 1,0   0,8 OH- 0,6  0,4 Esta gráfica muestra la atenuación de la fibra óptica en función de la longitud de onda. Como se indica en la figura las crestas que aparecen se deben a la absorción debida al ión hidroxilo, OH-. A medida que las técnicas de fabricación de fibra óptica van mejorando la altura de esas crestas disminuye. Se espera que en el futuro se pueda reducir la cresta de 1,4 micras, lo cual permitirá ensanchar la segunda y tercera ventanas. Recientemente se ha defindio una cuarta ventana en la zona de 1,62 micras. A pesar de lo que indica la figura la atenuación en esta cuarta ventana es similar a la de la tercera. Probablemente la discrepancia se deba a que la curva refleje la atenuación de una fibra antigua. 0,2 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Luz visible Luz infrarroja Longitud de onda (m) Uso de WDM

Ventanas de la Fibra Óptica
La aplicación determinará el tipo de ventana. La fibra óptica no es igualmente transparente a todas las  (longitudes de onda); hay cuatro ‘ventanas’ en las que es más transparente: Ventana  (nm) Atenuac.(dB/Km) Alcance (Km) Costo opto-electrónica Usos 1ª 820 900 2,3 2 Bajo LAN (GE) 2ª (banda S) 1280 1350 0,5 40 Medio LAN (GE, 10GE), WAN (SONET) 3ª (banda C) 1530 1565 0,28 160 Elevado LAN (GE, 10GE), WAN (SONET,WDM) Las bandas de longitud de onda en las que la fibra óptica es más transparente se denominan ventanas. Todas ellas se encuentran fuera del espectro visible, en la zona del infrarrojo, aunque la primera ventana está cerca de la luz visible (750 nm). Cada ventana se caracteriza por una atenuación diferente, lo cual condiciona el alcance máximo de la señal luminosa. Las longitudes de onda mayores tienen atenuaciones menores, por lo que las conexiones de largo alcance se suelen hacer en tercera ventana. Muy recientemente se ha empezado a utilizar también una cuarta ventana un poco más allá de la tercera, en la zona de los 1625 nm. Para largas distancias (más de 2 Km) o altas velocidades (más de 600 Mb/s) se emplean emisores láser exclusivamente. Los emisores más sencillos y baratos son los de primera ventana; los más complejos y caros son los de tercera y cuarta. Como ejemplo ilustrativo podemos dar el dato de que un transceivers de gigabit ethernet de primera ventana cuesta 500 dólares y tiene un alcance máximo de 500 metros, uno de segunda ventana cuesta mil dólares y tiene un alcance de diez kilómetros, y uno de tercera ventana cuesta seis mil dólares y tiene un alcance de cien kilómetros. GE: Gigabit Ethernet 10GE: 10 Gigabit Ethernet

Comparación de emisores de fibra óptica LED y láser
Característica LED Láser semiconductor Velocidad máxima Baja (622 Mb/s) Alta (10 Gb/s) Fibra Multimodo Multimodo y Monomodo Distancia Hasta 2 Km Hasta 160 Km Vida media Larga Corta Sensibilidad a la temperatura Pequeña Elevada Ventana 1 y 2 2 y 3 Costo Bajo Alto

Atenuación Fibras Ópticas (dB/Km)
Tipo Diámteronúcleo Diámetrofunda 1ª V. 850 nm 2ª V nm 3ª V nm Monomodo 5,0 85 ó 125 2,3 8,1 125 0,5 0,25 Multimodo 50 2,4 0,6 62,5 3,0 0,7 0,3 100 140 3,5 1,5 0,9

Factores que influyen en la atenuación de un trayecto de fibra óptica
Distancia a cubrir Latiguillos, empalmes y soldaduras Curvas cerradas en la fibra Suciedad en los conectores Variaciones de temperatura Envejecimiento de los componentes

Fibra vs cobre Se recomienda utilizar fibra cuando:
Se conectan edificios diferentes (posible diferencia de potencial entre tierras) Se prevé utilizar velocidades altas o muy altas (valorar en ese caso el uso de fibras monomodo) Se quiere cubrir distancias de más de 100 m Se requiere máxima seguridad frente a intrusos (la fibra no puede ‘pincharse’) Se atraviesan atmósferas corrosivas Se corre el riesgo de tener fuerte interferencia electromagnética Si no se da ninguno de estos factores es preferible utilizar cobre, ya que los equipos de emisión recepción son más baratos

Cableado estructurado
1/1/1984: AT&T pierde en juicio el monopolio de las telecomunicaciones en USA. Repentinamente las empresas son dueñas de su red de telefonía interior 1985: aparecen los primeros sistemas de cableado integrado. Las LANs pasan de usar cable coaxial al cable de pares 1991: aparecen los estándares de cableado estructurado EIA/TIA 568 e ISO/IEC Ambos estándares son muy similares, aunque difieren en algunos detalles, especialmente en nomenclatura. Objetivo: las recomendaciones y normativas de cableado estructurado tienen como objetivo ofrecer la infraestructura de cable para voz, datos y energía simultáneamente, sin reemplazamientos ni modificaciones excesivas. Ejemplo: suponed que una oficina está ocupada por la administración de una empresa, donde se requieren 2 ordenadores y 3 teléfonos. En el supuesto de una mudanza y ubicar allí una sala de 10 ordenadores y sin teléfonos, el cableado estructurado debe permitir sin obra alguna ni tendido nuevo de cables, conectar todos los equipos, con la simple configuración de un armario de cableado.

Los aspectos relevantes de una LAN
fiabilidad (con posibilidad de detección y reparación de errores) conectividad de fácil uso, modificación e implementación (basada en estándares) Objetivos Funcionalidad: favorecer el nivel de aplicación entre usuarios y sus prestaciones (velocidad, seguridad, etc) Escalabilidad:permita el crecimiento sin grandes modificaciones Adaptabilidad:capaz de integrar nuevas tecnologías Manejabilidad:que permita una fácil monitorización Disponibilidad: respecto a la red, las prestaciones como tiempo de respuesta, productividad y acceso de los recursos Estos aspectos son tenidos en cuenta en el proceso del cableado estructurado.

Vocabulario MDF: main distribution facilities (servicio)…armario principal IDF: intermediate distribution facilities…armario de interconexión MCC: main cross connect…cableado del armario principal ICC: intermediate cross connect…cableado del armario de interconexión HCC: horizontal cross connect…cableado del armario de planta POP:point of presence Cableado vertical, backbone o “columna, espina verteblal” de la red Cableado horizontal Work area….area de trabajo Telecommunication closet ...roseta RJ45 Armario de cableado: armario de características específicas que alberga el MCC, ICC o HCC

Factores críticos de una LAN
-emplazamiento de servidores (localización de los servidores, que se pueden clasificar en de enterprise o servidores generales, comunes a toda la Intranet (ej DNS, , etc) y de trabajo en grupo (ej, impresora, etc)) -congestión y carga de la red, detectada básicamente por un aumento de colisiones en el medio compartido. Solución: segmentación

El proceso de diseño incluye los siguientes pasos
-recopilar información y perspectivas Historia: recoger información de la empresa, analizar la información, aplicaciones en uso, topología actual, prestaciones Recursos específicos necesarios: en función de hw/sw y recursos humanos -determinar los patrones de tráfico y posible crecimiento Requisitos: protocolos necesarios, previsión de futuro y ampliación -localización de servidores -definiendo niveles de 1-3, con la topología LAN y WAN -recopilando la documentación, tanto física como lógica

Normativas y/o recomendación
El cableado estructurado se describe en varias normativas como TIA/EIA 568 y ISO/IEC 11801(impedancias, colores, cableado horizontal) y TIA 569-A (distribución de cableado, backbones, armario de cableado, terminales, canalizaciones). La topología física de la red recomendada es en estrella extendida, de forma que el nodo central queda cerca del POP donde se encuentra la acometida de las operadores y podemos acceder a los enlaces WAN y la red de voz. A partir de dicho nodo central arranca tanto la red de datos como la red de voz. La topología lógica, es la que permite agrupar por grupos, por asignación de redes IP de forma lógica.

Topología lógica Router WAN Switch Mantenimiento RR.HH Ingeniería
Ventas Marketing Admini.

Esquema general de cableado
Los puntos de distribución MCC, ICC o HCC se realizan desde armarios de cableado. Se recomienda al menos un IDF por edificio y nunca más de un IDF entre MCC y HCC. La ubicación de los servidores principales o comunes a la Intranet se realiza en el MDF, mientras que los servidores de grupo sería en los IDF

Distancias recomendadas del cableado vertical
Según la distancia entre los MCC, ICC y HCC, se pueden utilizar diferentes tecnologías LAN, p.ej para 2km 100BaseFX, para 500m 100BaseFX, 1000BaseSX,10Base5.

Localización del armario de cableado (Wiring Closet)
Tamaño 3m x 2.8m para una densidad de 1 PC cada 10 m2 1 armario por cada 1000 m2, con la densidad de PCs anterior, es decir cada 100 PCs suelo de azulejo luz incandescente, no fluorescente en Europa, sin material ignífugo que es contaminante sin tuberías de agua sin falso techo con refrigeración si es MDF necesita 2 fases de alimentación 21ºC y 30-50% humedad 1’9 cm de polywood (material protector posterior) tomas eléctricas a 1’8 cm y 150 mm puerta de al menos 0’9m y con cerrojo

Cableado vertical y horizontal
Cable de usuario

Componentes del cableado horizontal
latiguillos dentro del armario de cableado: (patch cords o cables de conexión) <6 m Cable horizontal de 90 m (utilizando par ello el método de las áreas de solape de 50m) Latiguillos de usuario (o área de trabajo) de 3 m

Cableado vertical y horizontal
Enlace básico (o Cable horizontal) (max. 90 m) Roseta Panel de conexión o ‘patch panel’ Latiguillo (3m ) Latiguillo (6 m.) Switch o hub Enlace de canal (max. 100 m) = enlace básico (cable horizontal) + latiguillos Armario (o ‘rack’) de comunicaciones

Valores límite de Atenuación, NEXT y ACR
para instalaciones categoría 5 según EIA/TIA 568 Frec. (MHz) Atenuac. NEXT ACR 1 2,1 60 57,9 4 51,8 47,8 8 5,7 47,1 41,4 10 6,3 45,6 39,3 16 8,2 42,3 34,1 20 9,2 40,7 31,5 25 10,3 39,1 28,8 31,25 11,5 37,6 26,1 62,5 16,7 32,7 100 21,6 29,3 7,7 Frec. (MHz) Atenuac. NEXT ACR 1 2,5 60 57,5 4 4,5 50,6 46,1 8 6,3 45,6 39,3 10 7 44 37 16 9,2 40,6 31,4 20 10,3 39 28,7 25 11,4 37,4 26 31,25 12,8 35,7 22,9 62,5 18,5 30,6 12,1 100 24 27,1 3,1 Basic Link (Enlace básico) Channel Link (Enlace de canal)

Las dos formas estándar de cablear un conector RJ45 (EIA/TIA568)
Par 2 Par 3 Par 3 Par 1 Par 4 Par 2 Par 1 Par 4 1 3 4 2 6 7 8 5 1 3 4 2 6 7 8 5 B/V V M B/N A B/A N B/M M B/N N B/V A B/A V B/M T568A T568B 10/100 BASE-T usa: Pines 1-2 para TX Pines 3-6 para RX Colores: Par 1: A y B/A (Azul y Blanco/Azul) Par 2: N y B/N (Naranja y Blanco/Naranja) Par 3: V y B/V (Verde y Blanco/Verde) Par 4: M y B/M (Marrón y Blanco/Marrón)

Cable UTP directo y cruzado
1 2 3 4 5 6 7 8 Conect.A Blanco Anaranjado Anaranjado Blanco Verde Azul Blanco- Azul Verde Blanco Marrón Marrón Conect.B Blanco-Azul Interfaces tipo “DTE”: host, router Interfaces tipo “DCE”: hub, switch Cable directo: conector tipo A-conector tipo A, para interfaces diferentes, p.ej Pc-hub Cable cruzado: conector tipo A-conector tipo B, para interfaces iguales, p.ej hub-hub

Documentación a generar
Diario de ingeniería: compras, direcciones, fechas, eventos, ... Topología lógica Topología física Plan de distribución: cómo repartir los cables Tomas rotuladas Tendidos de cable rotulados Resumen del tendido de cables y tomas Resumen de dispositivos, direcciones MAC y direcciones IP Manual para caso de incidencias

Consideraciones varias
Cableado: Tener cuidado al destrenzar los cables para crimpar No apretar demasiado las bridas que sujetan mazos de cable, porque pueden generar diafonía No forzar el radio de curvatura durante el tendido Toma de tierra: Protege de descargas localmente En diferentes edificios, aparecen diferencias de potencial, por lo cual es mejor conectar los equipos a través de fibra, de lo contrario se pueden producir descargas (la fibra no es conductora)

Ejemplo de cableado estructurado Universidad de Valencia
Las instalaciones de la Universidad de Valencia se realizan actualmente con los siguientes cableados: Cableado de backbone (entre edificios): fibra multimodo 62,5/125 de gran ancho de banda y monomodo 9/125 Cableado vertical: fibra multimodo 62,5/125, cable UTP-5e (si la separacion es menor de 90m) con opción a agregación de canales Cableado horizontal: UTP-5e

Telefonía digital y PCM
En las centrales telefónicas antiguas, las llamadas “rotary” con relés, las conversaciones siempre se transmitían de forma analógica de extremo a extremo, lo cual necesitaba el establecimiento físico de un circuito. La telefonía digital se implantó en los años 60 para simplificar la multiplexación de conversaciones y la amplificación de señales analógicas Por el teorema del muestreo, se ha visto que para reconstruir una señal analógica cuando pasa por un proceso de digitalización, la señal se muestrea veces por segundo (una vez cada 125 s) para extraer frecuencias de 0 a 4 KHz (Nyquist). Esta es una decisión de compromiso entre complejidad de los equipos de la época y calidad de sonido en el teléfono, que no una limitación del bucle de abonado (el par de cobre desde la centra hasta el usuario). Con ello, la central telefónica siempre generará 8000 muestras a 8 bits por muestras, un caudal de 64 Kbps, información digital que viajará entre las centrales. Ojo que esta información no es analógica, sólo digital. De los 64 Kbps, el usuario podrá utilizar como máximo Kbps según Shannon. El caudal binario entre las centrales de 64 Kbps está asociado a un canal.

Frecuencia de muestreo 8 KHz (Teorema de muestreo de Nyquist)
Técnica PCM: PAM+Q Primera parte: muestreo Frecuencia de muestreo 8 KHz (8.000 muestras/s) Ancho de banda voz: 300 Hz a 3400 Hz [1] Señal analógica Etapa de muestreo Rango capturado= 0-4 KHz (Teorema de muestreo de Nyquist) [1]: aquí la información útil, tras A/D es de Kbps, aunque el caudal sea de 64 Kbps

Segunda parte: conversión analógica-digital
Técnica PCM= PAM+Q Segunda parte: conversión analógica-digital Ruido de cuantización Etapa de muestreo Europa: A-Law USA-Japón: —Law Etapa de cuantización Las leyes A y  están relacionadas con la forma del cuantificador, de forma que permite ecualizar mejor el proceso

67 centrales seccionales 1.300 centrales de facturación
Estructura jerárquica del sistema telefónico 3 4 2 5 1 6 10 centrales regionales (completamente interconectadas) 10 7 9 8 1 2 3 65 66 67 67 centrales seccionales 1 2 3 228 229 230 230 centrales primarias 1 1.300 centrales de facturación 1 2 3 1298 1299 1300 1 2 3 4 5 centrales finales 200 millones de teléfonos

Diseño del sistema telefónico
Sin embargo, por márgenes de seguridad, las conversaciones se limitan en ancho de banda al margen de 300 a Hz, con lo cual tenemos disponible 3,1 KHz, aunque luego internamente en la central se muestrean a 4KHz. Esta decisión, tomada a nivel mundial, ha permitido actualmente la interoperatibilidad de las operadoras. La limitación a una ancho de banda de 3.1 KHz y la limitación a una S/N de 36 db fijado por el proceso de cuantifiación (ruido de cuantificación) en el proceso de muestreo, fija un máximo en la capacidad binaria tal como vimos con el Teorema de Shannon. OJO, esto sólo en el caso de utilizar la infraestructura analógica, es decir con muestreo, ya que si se utiliza infraestructura digital como RDSI, no se requiere ningún tipo de muestreo en la central.

¿Cómo cursar varias conversaciones simultáneamente en los backbone?
Sobredimensionar la infraestructura y formar una malla completamente conectada, lo cual es carísimo e inviable Utilizar multiplexación en frecuencia de las conversaciones, de forma que varias conversaciones viajen por el mismo cable en frecuencias diferentes. Esto es un proceso analógico, que se utilizó en los 60, pero cayó en desuso con la era digital Utilizar multiplexación en tiempo, de forma que se ranura en tiempo en canal y las muestras de las conversaciones se intercalan.

Señales multiplexadas
Multiplexación por división en frecuencias FDM: Frequency Division Multiplexing Ya no se utiliza, requiere costosos equipos y se adapta mal al proceso digital Canal 1 1 60 64 68 72 Canal 2 Canal 1 Canal 3 Canal 2 1 Factor de atenuación 60 64 68 72 60 64 68 72 Canal 3 Frecuencia (KHz) 1 Señales multiplexadas 60 64 68 72 Frecuencia (KHz) Frecuencia (KHz) Señales originales Señales desplazadas en frecuencia

Sistema Telefónico: multiplexación TDM y PDH
TDM: Time Division Multiplexing 30 canales de voz, 1 canal de señalización y 1 canal de sincronización= línea E1 (2,048 Mbps) 32 canales x 8 bits/muestra= 256, 256 x = 4 * E1 más info. control (256 Kb/s) = línea E2 (8,448 Mbps), y así sucesivamente: 4 E2 = E3 = 139,264 Mbps; 4 E3 = E4 = 565,148 Mbps En Estados Unidos y Japón usan otros sistemas de agrupamiento Para 23 canales de voz, 1 canal de señalización y se introduce un bit adicional de sincronización, por tanto ((23+1)canales x 8bit/muestra+1 bit)x 8000=1,544Mbps Estos sistemas, todos incompatibles entre sí, se llaman Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy) E1, E2, E3 y E4 son caudales PDH que ahora veremos. 12

Sistema Telefónico: multiplexación PDH
Las velocidades más comunes en datos son: 64 Kb/s o un canal conocido como E0 n x 64 Kb/s (E1 o T1 fraccional, n = 1, 2, 3, 4, 6 y 8) 2,048 Mb/s (E1) en Europa y 1,544 Mb/s (T1) en América 34,368 Mb/s (E3) en Europa y 44,736 Mb/s (T3) en América En cada caso podemos calcular el tamaño de trama dividiendo la velocidad por Así la trama de una línea E3 es de 537 Bytes. Ejemplos: Trama E1: / = 256 bits = 32 bytes Trama E2: / = bits = 132 bytes Trama E3: / = 4296 bits = 537 bytes Observar que las tramas no son múltiples exactos por temas de sincronización (por bits de relleno): E2 = 4 * E1 + 4 bytes E3 = 4 * E2 + 9 bytes 13

Multiplexación PDH, sistema internacional (ITU-T)
4 5 1 4:1 4:1 4:1 6 5 4 3 2 1 6 2 8,448 Mb/s 34,368 Mb/s 139,264 Mb/s 7 3 4 * 2,048 Mb/s Sale un E2 Sale un E3 Sale un E4 Entran 4 E1 Entran 4 E2 Entran 4 E3 Multiplexación PDH, sistema americano (ANSI) 4 5 1 4:1 7:1 6:1 6 5 4 3 2 1 6 2 6,312 Mb/s 44,736 Mb/s 274,176 Mb/s 7 3 4 * 1,544 Mb/s Sale un T2 Sale un T3 Sale un T4 Entran 4 T1 Entran 7 T2 Entran 6 T3

Formato de una trama E1 y T1
1 trama = 125 s = 32 intervalos de 8 bits = Mb/s -- 31 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Canales de información (intervalos y 17-31) Alineamiento y sincronización de la trama Canal de señalización 8 bits de datos (64 Kb/s) T1: 1 trama = 125 s = 24 intervalos + 1 bit = Mb/s -- 24 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 1 2 3 Canales de información (intervalos , 7-11 y 13-24) Bit de entramado Intervalos 6 y 12 7 bits de información (56 Kb/s) Bit de señalización 8 bits de datos (64 Kb/s)

Niveles y caudales en la jerarquía PDH (en Mb/s)
Canales Nombre Norteamérica Japón Resto Mundo 1 E0 0,064 24 T1 o DS1 1,544 30 E1 2,048 2 96 T2 o DS2 6,312 (4xT1) 120 E2 8,448 (4xE1) 3 480 E3 32,064 (5xT2) 34,368 (4xE2) 672 T3 o DS3 44,736 (7xT2) 1440 J3 97,728 (3xE3) 4 1920 E4 139,264(4xE3) 2016 T4 o DS4 274,176(6xT3) La frecuencia de muestreo es 8 KHz en todo el mundo (*) PDH: Plesiochronous Digital Hierarchy Los valores en negrita son los utilizados habitualmente para datos

Los cinco problemas de PDH
Incompatibilidad intercontinental No pensada para fibra óptica (diseñada en los 60) Capacidades máximas bajas: Japón 98 Mb/s, Norteamérica 274 Mb/s, Resto mundo 139 Mb/s Carece de herramientas de gestión ni posibilidad de tolerancia a fallos Para sincronizar diferentes tramas de niveles diferentes se utilizan bits de relleno, lo cual impide el multiplexado entre niveles no contiguos, es decir de un E1 a un E3 o un E4, sólo a un E2. La jerarquía PDH tiene varios problemas importantes: 1: Su diferente velocidad según los continentes la hace incompatible, por lo que las conexiones intercontinentales requieren el uso de costosísimas ‘cajas negras’ para la conversión de unos formatos a otros. 2: Su diseño no prevé el uso de fibras ópticas, ya que en los años sesenta sólo se utilizaba cable de cobre en las comunicaciones guiadas. 3: Las capacidades máximas previstas resultan insuficientes para las capacidades de los equipos actuales 4: No dispone de mecanismos de gestión ni se prevé la creación de topologías malladas para dotar a la red de una mayor resistencia a fallos. 5: La sincronización de las tramas que componen un determinado nivel jerárquico se realiza mediante el uso de bits de relleno, lo cual impide la extracción o inserción de tramas entre niveles no contiguos. Por ejemplo no es posible extraer una trama E1 de una E3 sin realizar antes la separación de las E2 correspondientes.

Las seis soluciones de SONET/SDH (Synchronous Optical NETwork/Synchronous Digital Hierarchy)
El sistema americano (SONET) no es idéntico al internacional (SDH) pero ambos son compatibles Define interfaces de fibra óptica La capacidad llega (de momento) a 10 Gb/s Dispone de herramientas de gestión y tolerancia a fallos (recupera averías en 50 ms) Utiliza punteros; permite el multiplexado entre niveles no contiguos Permite seguir utilizando PDH en enlaces de menor capacidad SONET/SDH es la nueva jerarquía TDM diseñada en los 90 para resolver los problemas que presentaba la PDH. Las soluciones son las siguientes: 1: Aunque el estándar americano no es idéntico al internacional, ambos son compatibles. 2: Ya en el diseño inicial se ha contemplado la posibilidad de utilizar interfaces de fibra óptica y se incluye este tipo de interfaces en todas las especificaciones 3: La capacidad llega (actualmente) a 10 Gb/s 4: Se han previsto multitud de mecanismos y herramientas de gestión de la red. También hay mecanismos de recuperación de averías que permiten restaurar los circuitos en tiempos muy pequeños, del orden de 50 milisegundos o menos. Para ello se utilizan anillos u otras topologías malladas más complejas 5: En vez de bits de relleno se emplean punteros para conseguir la sincronización de las señales multiplexadas. Esto permite realizar la inserción o extracción de tramas entre niveles no contiguos 6: SDH no pretende sustituir a PDH, sino que está pensado para utilizarse conjuntamente con esta, dando servicio en las partes de mayor capacidad de la red. Para esto se ha previsto unas maneras estándar por las cuales se pueden transportar tramas PDH dentro de tramas SDH.

Sistema Telefónico: Multiplexación SONET/SDH
En 1987 los laboratorios de investigación de las compañías telefónicas estadounidenses propusieron un nuevo sistema de multiplexado denominado SONET (Synchronous Optical NETwork) con cuatro objetivos: Unificar velocidades a nivel intercontinental Aprovechar mejor la transmisión por fibras ópticas Llegar a velocidades superiores a las que conseguía PDH (140 Mb/s) Mejorar la posibilidad de gestión y tolerancia a fallos de la red El nuevo sistema pretendía extender ‘hacia arriba’ el PDH SONET no acoplaba bien con el sistema PDH internacional, por lo que la ITU desarrolló para Europa otro sistema parecido denominado SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

SONET/SDH SONET es un estándar ANSI (americano), SDH es ITU-T (internacional). Ambos son compatibles. En SONET/SDH se define un formato de trama, que es capaz de transportar un T3. Nivel base SONET: 51,84 Mb/s. Interfaz eléctrico: STS-1 (Synchronous Transfer Signal – 1) Interfaz óptico: OC-1 (Optical Carrier – 1) Todas las demás velocidades son múltiplos exactos de esta, ej: OC-12 = STS-12 = 622,08 Mb/s Nivel base SDH: 155,52 Mb/s (3 x 51,84) Interfaz óptico: STM-1 (Sychronous Transfer Module – 1) ej.: STM-4 = 622,08 Mb/s 14

Velocidades de SONET (ANSI)
En 1987 los laboratorios de investigación de la Bell propusieron un nuevo sistema de multiplexado denominado SONET (Synchronous Optical NETwork) para sustituir a PDH, con una velocidad base de 51,84 Mb/s. Los caudales más utilizados están en negrilla: Señal eléctrica Señal óptica Caudal (Mb/s) STS-1 OC-1 51,84 STS-2 OC-2 103,68 STS-3 OC-3 155,52 STS-4 OC-4 207,36 ... STS-12 OC-12 622,08 Puede transportar un T3 (44,736 Mb/s) El diseño inicial de la nueva jerarquía digital se llevó a cabo en los laboratorios de investigación de la Bell a finales de los ochenta. Esto dio lugar a un estándar aprobado por ANSI (el ente de normalización de EEUU) que se denominó SONET (Synchronous Optical NETwork). SONET utiliza como velocidad fundamental la denominada STS-1 u OC-1, que corresponde a 51,84 Mb/s. La utilización de una u otra denominación depende de que se trate de la interfaz eléctrica u óptica, aunque a menudo se utilizan indistintamente. Todas las velocidades posibles en la jerarquía son múltiplos enteros de la velocidad fundamental, la cual se eligió por ser adecuada para transportar una trama T3, que se utilizaba frecuentemente dentro de la jerarquía PDH americana. Aunque en teoría son posibles todos los múltiplos de la velocidad fundamental, en la práctica sólo se ha extendido el uso de algunos de ellos. Dichos múltiplos son los que se muestran en negrita en la tabla. STS: Synchronous Transfer Signal OC: Optical Carrier

Codificador (scrambler) Conversor electro-óptico
Multiplexación SONET Transportando PDH T1 T1 . Codificador (scrambler) Conversor electro-óptico STS-1 T1 STS-3 STS-1 STS-3 STS-12 OC-12 T3 STS-3 STS-1 STS-3 Multiplexor 3:1 Multiplexor 4:1 Tramas PDH (ANSI) Tramas SONET Como ya hemos dicho es posible (y frecuente) utilizar tramas SDH para transportar tramas PDH. En esta figura se muestra un ejemplo de coexistencia de PDH y SONET. En el nivel más bajo de multiplexación (STS-1) se combinan en unos casos diversas tramas PDH (T1 o T3) y en otros se transporta la información directamente en tramas SONET. En cada nivel se van agregando o multiplexando las tramas del nivel inferior. Una vez realizadas todas las multiplexaciones los datos se pasan a través de un codificador o ‘scrambler’, el cual se ocupa de transformar los bits de acuerdo con un algoritmo preestablecido para evitar que se envíen por la red determinados patrones o secuencias de bits que podrían provocar la pérdida de sincronismo de los equipos de transmisión. Una vez realizada esta conversión los datos se convierten al formato óptico para su transmisión por fibra. El scrambler se encarga de transformar los bits para evitar patrones que impidan sincronismo.

Velocidades de SDH (ITU-T)
La velocidad base de SONET no acoplaba bien con el PDH de la ITU-T, por lo que ésta desarrolló otro sistema parecido denominado SDH (Synchronous Digital Hierarchy), con una velocidad base de 155,52 (igual que STS-3). Los caudales más utilizados están en negrilla : Señal eléctrica u óptica Equivalencia SONET Caudal (Mb/s) STM-1 STS-3, OC-3 155,52 STM-2 STS-6, OC-6 311,04 STM-3 STS-9, OC-9 466,56 STM-4 STS-12, OC-12 622,08 ... STM-16 STS-48, OC-48 2488,320 Puede transportar un E4 (139,264 Mb/s) Poco después de que ANSI empezara el proceso de estandarización de SONET la ITU-T empezó a estandarizar un sistema muy similar denominado SDH. Mientras que en SONET se fijó el objetivo de transportar eficientemente una trama T3, el de SDH era transportar una E4. Esto dió lugar a la elección de una velocidad diferente para SDH, con lo que habría persistido el problema de la incompatibilidad. Para evitarlo se acordó para SDH una velocidad fundamental que era exactamente el triple que la de SONET; de este modo la trama básica de SDH, denominada STM-1, era equivalente a (y bastante compatible con) la STS-3/OC-3 de SONET. Dicha trama tiene una velocidad de 155,52 Mb/s y permite transportar cómodamente una trama E4. La gran compatibilidad entre SONET y SDH provoca que a menudo se haga referencia conjuntamente a ambos sistemas bajo la denominación SONET/SDH. STM: Synchronous Transfer Module

Codificador (scrambler) Conversor electro-óptico
Multiplexación SDH Transportando PDH E3 E1 . Codificador (scrambler) Conversor electro-óptico E1 STM-1 STM-4 E3 STM-1 STM-4 STM-16 OC-48c E3 STM-4 STM-1 E3 STM-4 STM-1 Multiplexor 4:1 Multiplexor 4:1 En esta figura se muestra un ejemplo análogo al anterior, pero utilizando en este caso la jerarquía SDH. Existen unas restricciones en cuanto a la cantidad máxima de tramas de cada tipo que pueden acomodarse, que normalmente están bastante por debajo de lo que en principio cabría esperar de acuerdo a las capacidades de cada una. Por ejemplo, cuando se utiliza una trama STM-1 para transportar tramas E3 sólo es posible acomodar tres tramas E3, aunque por la capacidad parecería factible en principio que se pudieran transportar cuatro. También es posible ‘mezclar’ tramas de diferentes niveles en una misma trama SONET/SDH. Asi vemmos en el primer ejemplo que se utiliza una STM-1 para transportar una E3 y un conjunto de E1s. Tramas PDH (ITU) Tramas SDH

Router con interfaces SDH
STM-4 (622 Mb/s) STM-1 (155 Mb/s)

Elementos físicos de SONET/SDH
Una red SONET/SDH está formada por: Repetidores Multiplexores, llamados ADMs (Add-Drop Multiplexor). Permiten intercalar o extraer tramas (p. Ej. una STM-1 en una STM-4). Permiten crear anillos. Digital Cross-Connect: actúan como los ADMs pero permiten interconexiones más complejas (con más de dos puertos). A menudo se utilizan topologías de anillo para aumentar la fiabilidad.

Configuración de las redes SONET/SDH
Según su topología las redes SONET/SDH pueden ser: Punto a punto: todos los circuitos empiezan y terminan en el mismo equipo. Punto a multipunto: los circuitos empiezan o terminan en equipos diferentes. Anillos: permiten disponer de un camino redundante a un costo mínimo. Redes malladas: generalmente se constituyen a partir de anillos interconectados.

Punto a multipunto de 5 canales (A, B, C, D y E):
Topologías SONET/SDH Punto a punto de 4 canales (A, B,C y D): A B C D A B C D REP Punto a multipunto de 5 canales (A, B, C, D y E): X Y Z A B C D A B C E REP D E ADM: Add-Drop Multiplexor REP: Repetidor La topología más sencilla que puede establecerse en una red SONET/SDH es la punto a punto, formada por dos ADMs que se unen entre sí, posiblemente con la utilización de repetidores intermedios. En este ejemplo los ADMs se limitan a agrupar los circuitos STM-1 en un STM-4, que es transmitido tal cual al otro ADM. Evidentemente la suma de las capacidades de los circuitos multiplexados no puede ser nunca superior a la del circuito constituido entre los ADMs. En una configuración punto a multipunto, más compleja, la red dispone de ADMs intermedios en los que se terminan algunos circuitos. Así en este ejemplo los circuitos A, B y C se establecen extremo a extremo (de X a Z), mientras que los circuitos D y E realizan la mitad del trayecto cada uno (D la parte de X a Y y E la de Y a Z). Dado que en todos los casos se transportan cuatro STM-1 entre cada par de ADMs los circuitos STM-4 se encuentran completamente ocupados. Los circuitos SONET/SDH son siempre simétricos full duplex. Esto lo hemos representado por medio de las dobles flechas en la figura. STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) Los enlaces SONET/SDH siempre son full dúplex

Enlaces en una red SONET/SDH
Sección: unión directa entre dos equipos cualesquiera Línea: unión entre dos ADMs contiguos Ruta: unión entre dos equipos finales (principio-fin de un circuito) Multiplexor Origen Multiplexor Intermedio Multiplexor Destino Repetidor X Y Z A B C D A B C E REP D E Decimos que una ruta es la totalidad del trayecto que constituye un determinado circuito. Normalmente una ruta está comprendida entre un ADM de origen y uno de destino. Asi en el ejemplo de la figura la ruta para los circuitos A, B y C va del ADM X al ADM Z; para D va de X a Y y para E va de Y a Z. Una ruta puede atravesar ADMs intermedios, donde en se insertan o extraen otros circuitos. Cada una de las partes de una ruta comprendida entre dos ADMs se denomina línea. Los circuitos A, B y C tienen dos líneas y los D y E una sola (que coincide con la ruta). La interconexión entre dos dispositivos contiguos cualquiera de la red (ADMs y/o repetidores) se denomina una sección. En el ejemplo de la figura los circuitos A, B y C tienen tres secciones, mientras que D tiene dos y E únicamente uno. En el caso de E, al no haber repetidores ni ADMs intermedios, la sección, la línea y la ruta coinciden. Sección Sección Sección Línea Línea Ruta (A, B y C) Ruta (D) Ruta (E) ADM: Add-Drop Multiplexor

Arquitectura de SONET/SDH
SONET/SDH divide la capa física en cuatro subcapas: Fotónica: transmisión de la señal y las fibras De sección: interconexión de equipos contiguos De línea: multiplexación/desmultiplexacion de circuitos entre dos ADMs De rutas: problemas relacionados con la comunicación extremo a extremo De Ruta De Línea De sección Fotónica ADM Origen Repetidor ADM Intermedio ADM Destino SONET/SDH corresponde a la capa física del modelo OSI. Siguiendo la estructura de capas de dicho modelo la descripción de SONET/SDH se basa en la especificación de cuatro subcapas. La primera, denominada subcapa fotónica, se ocupa de especificar los parámetros físicos necesarios para la producción y correcta interpretación de las señales transmitidas por la fibra óptica. Por encima de dicha subcapa se encuentran las subcapas de sección, de línea y de ruta que corresponden con la sección, línea y ruta que hemos descrito anteriormente. Sección Sección Sección Línea Línea Ruta

Anillo SONET/SDH con 3 rutas STM1
B A B C C A X Y Z W A B C Topología lógica STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) El anillo es la topología más común en redes SONET/SDH. Para constituirlo se interconectan de forma circular un conjunto de ADMs y se configura una serie de líneas SONET/SDH entre cada ADM y el siguiente, todas de la misma capacidad. Dicha capacidad vendrá dictada por el tipo de electrónica instalada en los ADMs y determinará la capacidad del anillo. Las líneas actúan como ‘backbone’ o red troncal sobre la cual se transportarán las rutas definidas entre dos ADMs cualesquiera. La capacidad sumada de todas las rutas configuradas en el anillo no podrá superar la capacidad de éste. En el ejemplo de la figura se han configurado un anillo STM-4 entre cuatro ADMs, que denominamos X, Y, Z y W. Sobre el se han constituido tres rutas STM-1: la ruta A interconecta Y con Z, la B conecta Y con W y la C interconecta Y con X. Estas rutas permitirán interconectar por ejemplo un router ubicado en el ADM Y con otros tres routers ubicados respectivamente en los ADMs Z, W y X, configurando desde el punto de vista lógico una topología de estrella. Dado que se han definido tres rutas STM-1 y el anillo tiene una capacidad STM-4 nos queda aún capacidad sobrante para una ruta STM-1, que podría constituirse entre dos ADMs cualesquiera del anillo. En el STM4, quedaría libre para un STM1. Destacar que las rutas son asimétricas, completando el anillo: desde “A-adm Y- adm Z- A” hacia “A-adm Z- adm W- adm X- adm Y- A”

Ocupación: 3 * STM-1 = 466,56 Mb/s
Funcionamiento de un anillo SONET/SDH usando solo una fibra C A B Ocupación: 3 * STM-1 = 466,56 Mb/s Sobran 155,52 Mb/s (un STM-1) Y Z X En esta figura se muestra como se configurarían las rutas correspondientes al ejemplo de la figura anterior. Cuando se crea una ruta en un anillo SONET/SDH la información viaja solamente en un sentido. Así por ejemplo al configurar la ruta A entre los ADMs Y y Z el sentido de Y a Z viaja por la línea que les une directamente, mientras que el sentido contrario (de Z a Y) lo hace atravesando tres líneas, la Z-W, la W-X y la X-Y. Esta forma de constituir la ruta tiene varias consecuencias interesantes: Aunque la ruta es full dúplex las líneas solo se utilizan en modo simplex, es decir en cada línea la información se transmite únicamente en un sentido. Como consecuencia de esto un anillo SONET/SDH puede definirse utilizando únicamente una fibra óptica entre cada pareja de ADMs contiguos. Cuando se configura una ruta la capacidad correspondiente es ocupada en todas las líneas del anillo, independientemente de donde estén ubicados los ADMs de origen y destino de la ruta. Así en el ejemplo de la figura las rutas A, B y C ocupan cada una de ellas un STM-1 en todo el anillo. Como ya hemos comentado en este caso el anillo tiene todavía capacidad sobrante para definir una ruta STM-1 entre dos ADMs cualesquiera. Una vez definida dicha ruta el anillo quedaría completamente ocupado. W STM-1 (155,52 Mb/s) Con una sola fibra en el anillo se tiene comunicación full dúplex

Los ADMs realizan un bucle y cierran el anillo en 50 ms
Recuperación de averías en anillos SDH (doble anillo) Funcionamiento normal Avería Tráfico de usuario Reserva ADM Tráfico de usuario ADM ADM Tráfico de usuario ADM ADM Corte en la fibra ADM ADM Las topologías en anillo tienen dos grandes ventajas: por un lado permiten crear una red mallada utilizando tan solo un enlace más que en una topología de estrella, que sería el mínimo imprescindible para interconectar todos los nodos, y por otro la sencillez de la topología simplifica mucho la elección de la ruta alternativa en caso de fallo de algún enlace, lo cual permite tomar la decisión con gran rapidez. Sin embargo el anillo simplex que antes hemos descrito no permite la resistencia a fallos. Para ello es preciso constituir un doble anillo, tendiendo dos fibras en cada línea entre los ADMs. Como se muestra en la parte izquierda de la figura, en condiciones normales un anillo SONET/SDH utiliza únicamente uno de los anillos (el de color rojo), ya que como hemos vsito esto es suficiente para constituir rutas full duplex. El otro anillo (verde) se encuentra en situación de reserva o ‘stand-by’, a la espera de entrar en funcionamiento en el momento en que se produzca una avería. Cuando se produce una avería (un corte en la fibra o el fallo de un ADM, por ejemplo) los ADMs más próximos al punto de fallo detectan la pérdida de conectividad entre ellos por el anillo principal y proceden a restaurar la comunicación conectándolo con el de reserva; la combinación de ambos crea un nuevo anillo que da servicio a toda la red, excepto a la parte averiada. Si el fallo se debe a un corte en la fibra el servicio se mantendrá plenamente operativo, mientras que si el fallo se ha producido en un ADM se verán afectadas las rutas que tengan en el uno de sus extremos. En caso de que se produzca una segunda avería en el mismo anillo los procedimientos de recuperación entrarán de nuevo en funcionamiento, quedando entonces dos anillos operativos, pero aislados entre sí. Los ADMs realizan un bucle y cierran el anillo en 50 ms

Bastidor de un ADM STM-4 (622 Mb/s)
Entrada de fibras monomodo Electrónica redundante Fuentes de Alimentación (redundantes) En esta fotografía se muestra el bastidor de un ADM típico (en este caso con equipos de Alcatel) donde se puede apreciar la entrada de las fibras monomodo (cables amarillos en la parte superior) las tarjetas de electrónica que constituyen el ADM propiamente dicho, las fuentes de alimentación y las baterías. Como es habitual en equipos de alta disponibilidad la alimentación se realiza con corriente continua de 48 voltios que se alimentan mediante fuentes de alimentación redundantes. Esto permite asegurar un funcionamiento autónomo del equipo de varias horas en caso de apagón, aun en el caso de que la instalación no disponga de Sistemas de Alimentación Ininterrumpida. El equipo mostrado aquí está ubicado en el Servicio de Informática de la Universidad de Valencia y soporta las conexiones de la red de Universidades públicas de la Comunidad Valenciana, formada por dos enlaces de 155 Mb/s (uno de la Universidad Politécnica de Valencia y otro del campus de Blasco Ibáñez) así como tres enlaces de 34 Mb/s que corresponden a: La Universidad Jaume I de Castellón Las Universidades de Alicante y Miguel Hernández La Generalitat Valenciana Baterías 48 V

Tarjeta STM-1 de reserva
Detalle de la electrónica de un ADM STM-1 Rx Anillo principal Tx Anillo de respaldo Rx Tx En esta fotografía se muestra un detalle de la electrónica de un ADM STM-1 con topología de doble anillo. Como puede verse por las conexiones de fibra monomodo cada anillo está formado por un receptor y un emisor. Un anillo está participando activamente en la transmisión de datos, mientras que el otro se encuentra en modo de resplado, es decir está dispuesto para entrar en funcionamiento de forma inmediata en caso de fallo del principal. Este equipo, de la marca Ericsson, se encuentra ubicado en el Servicio de Informática de la Universidad de Valencia y provee un circuito de 155 Mb/s que une la Comunidad Valenciana a RedIRIS. Como es habitual en estos casos se encuentra ubicado en un bastidor provisto de baterías de 48 voltios y fuentes de alimentación redundantes. Tarjeta STM-1 primaria Tarjeta STM-1 de reserva

Uso de Digital Cross Connect para 6 rutas STM1
F A C B C A, B, C, D A, B, E, F E D Digital Cross-Connect A menudo las redes SONET/SDH requieren topologías complejas que no pueden ser realizadas con un anillo. En estos casos generalmente se recurre a la interconexión de varios anillos, para lo cual se hace uso de los denominados Digital Cross Connect. En la figura se muestran a modo de ejemplo dos anillos interconectados mediante uno de estos dispositivos en el que se han definido seis rutas (de A a F) de las cuales dos (C y D) tienen sus puntos de origen y destino en el anillo izquierdo, otras dos (E y F) los tienen en el anillo derecho, y por último las rutas A y B tienen su origen y destino en anillos diferentes. En este caso las rutas que solo afectan a un anillo (C, D, E y F) ocupan capacidad únicamente en su anillo, mientras que las rutas A y B ocupan capacidad en ambos. Hay por tanto cuatro rutas STM-1 en cada uno por lo que ambos anillos se encuentran al límite de su capacidad. STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) D B F A A y B ocupan capacidad en ambos anillos Los dos anillos están saturados: hay 4 rutas STM1 en los STM4

Estructura de trama SONET: STS-1 (OC-1)
Con salida de tramas cada 125 us Columnas: 1 3 Overhead Sección Carga útil 86 columnas x 9 filas = 774 Bytes 774 x 8 = 6192 bits 6192 x 8000 = 49,536 Mb/s Overhead Línea Overhead ruta 9 filas > T3 La trama STS-1 de SONET se describe normalmente como una matriz de 9 filas por 90 columnas. Cada elemento de la matriz corresponde a un octeto de información, que en el caso de comunicaciones telefónicas representa una conversación. Dado que la telefonía digital utiliza una frecuencia de muestreo de la voz de 8 KHz se producirán 8000 tramas SONET por segundo. A partir de estos datos podemos calcular el caudal que corresponde a un enlace STS-1, que es de 51,84 Mb/s. No toda la capacidad de la matriz STS-1 está disponible para el usuario. Una parte de ella se reserva para información de control y gestión de SONET; en concreto una columna (9 bytes) se reserva para información de ruta, es decir información que acompañará a la trama desde el origen hasta el destino. Otras tres columnas (27 bytes) se requieren para información de sección y de línea. Quedan pues 86 columnas (774 bytes) para información del usuario, o carga útil. Esta información enviada veces por segundo equivale a un caudal de 49,536 Mb/s. La trama OC-1 es idéntica en todos los aspectos a la STS-1, su única diferencia se encuentra en que las señales se transmiten de forma óptica y no eléctrica. Caudal: 90 x 9 = 810 Bytes = 6480 bits 8000 tramas por segundo (una cada 125 s): 6480 bits/tr x 8000 tr/s = bits/s El overhead permite la gestión de la red

Trama SONET: STS-3 (OC-3)
Con salida de tramas cada 125 us Formada por tres tramas STS-1 (como tres vagones): 1 3 86 col. 1 3 86 col. 1 3 86 col. R S Carga útil L R S Carga útil L R S Carga útil L 9 filas R: ruta, S: sección, L: línea Tamaño: 90 x 9 x 3= 2430 Bytes = bits Caudal: x 8000 = 155, bits/s Carga útil: 86 x 9 x 3 = 2322 Bytes = bits Caudal útil: x 8000 = 148,608 Mb/s La trama SONET STS-1 es el ‘ladrillo’ con el que se construye la trama de cualquier nivel superior en la jerarquía. Por ejemplo el siguiente nivel habitualmente utilizado, el STS-3, utiliza una trama que es una réplica exacta por triplicado de la trama STS-1; por tanto los caudales brutos y netos son exactamente el triple de los enunciados anteriormente para la trama STS-1. Podemos imaginar la trama STS-1 como un tren bastante peculiar, formado por un solo vagón con 90 filas y 9 asientos en cada fila. En la primera fila del vagón se encontrarían los ‘conductores’, nueve en total (información de ruta) y en las tres siguientes se encontraría el personal de seguridad (información de sección) y las azafatas (información de línea). Los ‘trenes’ STS-1 hacen parte de su recorrido solos y otra la hacen combinados de tres en tres, formando ‘trenes’ STS-3. En esa parte del trayecto los tres vagones se enganchan entre sí para ir juntos, pero aún entonces cada vagón mantiene su fila de conductores y sus filas de azafatas y personal de seguridad. Más tarde (en algún ADM) los tres vagones se desengancharán y volverán a viajar de forma independiente como trenes STS-1.

Carga útil: ( 86+87+87 = 260 ) x 9 = 2340 Bytes = 18720 bits
Trama SDH: STM-1 Con salida de tramas cada 125 us Sistema Europeo, como la STS-3 pero la información de ruta sólo aparece en la primera (como tres vagones ‘enganchados’): 1 3 86 col. 3 87 col. 3 87 col. R S Carga útil L S Carga útil L S Carga útil L 9 filas R: ruta, S: sección, L: línea Carga útil: ( = 260 ) x 9 = 2340 Bytes = bits Caudal útil: x 8000 = 149,76 Mb/s En SONET se ha definido la trama STS-3c (OC-3c) que es igual a la STM-1 (c = ‘catenated’) para compatibilidad con SDH. También hay STS-12c, STS-48c, etc. La estructura de la trama fundamental de SDH se describe normalmente como tres matrices de 90 x 9 concatenadas. La información de ruta, línea y sección tiene la misma estructura que en SONET, lo cual permite la compatibilidad. Sin embargo, dado que STM-1 es la trama mínima de SDH y no se puede desmultiplexar en otras menores la información de ruta es común a las tres matrices, por lo que se ha optado por colocar dicha información únicamente una vez en la trama STM-1. Como consecuencia de esto, aunque la trama STM-1 tiene el mismo caudal en bruto que la STS-3, su caudal útil es algo mayor, es decir tiene un overhead menor gracias a la reducción en la información de ruta. Los niveles superiores de SDH tienen tramas que son múltiplos exactos de la trama STM-1, con lo que el overhead relativo se mantiene constante. Para permitir la total compatibilidad de SONET con SDH se ha definido en SONET una trama denominada STS-3c (OC-3c) que corresponde exactamente con el formato de la trama STM-1. La c, que significa ‘catenated’, indica que se han suprimido dos de las tres columnas de información de ruta que en principio le correspondería tener a la trama STS-3. De la misma forma se definen las tramas STS-12c, STS-48c, etc. como equivalentes a la STM-4, STM-16, etc. Siguiendo con la analogía anterior podemos decir que el tren STM-1 (o STS-3c) está formado por tres vagones enganchados de los que solo el primero tiene fila de conductores. Por consiguiente los tres vagones no pueden nunca separarse, han de realizar juntos todo el trayecto.

Ejemplo de uso de SONET/SDH
Se quiere interconectar cuatro routers con una topología de anillo: B Conexión GigabitEth Conexión GigabitEth A C Veamos ahora un ejemplo práctico de cómo se utilizaría una red SONET/SDH para comunicaciones de datos. Partimos del requerimiento de constituir una WAN de altas prestaciones interconectando entre sí cuatro routers ubicados en cuatro sedes diferentes, mediante una topología de anillo en la que cada router se conecta con otros dos mediante sendos enlaces OC-3c (o STM-1). A su vez cada router dispone de una interfaz LAN (gigabit Ethernet, por ejemplo) para la conexión de su red local con el resto de la WAN.Cada router tendrá por tanto tres interfaces físicas, dos OC-3c y una Gigabit Ethernet. D Conexión GigabitEth Enlace OC-3c full dúplex (155 Mb/s)

Problemas de SONET/SDH
La máxima velocidad disponible en equipos comerciales SONET/SDH es OC-192 (STM-64) = 10 Gb/s. Tecnológicamente es muy difícil superar este límite Si se quiere más capacidad hay que emplear varias fibras. Pero a veces no quedan fibras ópticas libres y es muy caro tirar nuevas (especialmente cuando se trata de largas distancias) Solución: WDM (Wavelength Division Multiplexing, multiplexación por división en longitudes de onda) consiste en: Enviar varias señales a diferentes longitudes de onda (diferentes ) por una misma fibra (luz de varios ‘colores’) de forma que cada lleva una TDM independiente de las otras . A pesar de sus ventajas, la interconexión de routers de forma directa mediante interfaces POS plantea algunos problemas, por ejemplo: Con la tecnología actual no es posible disponer de velocidades superiores a 10 Gb/s, y parece que costará superar este límite. Para disponer de caudales superiores a 10 Gb/s se tienen que utilizar varias interfaces conectadas mediante varios pares de fibras ópticas. Pero en los casos en que no hay fibras libres es necesario recurrir a otras soluciones.

(Wavelegth Division Multiplexing)
Funcionamiento de WDM (Wavelegth Division Multiplexing)

DTE y DCE Data terminal Equipment (DTE): es el equipo que solicita la conexión, por ejempl un ordenador PC, un router. La interfaz serie física que poseen es MACHO. Data Communication (o Circuit)Equipment (DCE): es el equipo que ofrece el soporte para la conexión, por tanto tiene acceso a la portadora, a la sincronización, etc La interfaz serie física que poseen en HEMBRA. Cuando realizamos una conexión serie, siempre hay un equipo que se comporta como un DTE y otro como DCE. Obviamente, las funcionalidades son totalmente diferentes. Como vemos a continuación, pines de salida de un conector DTE serán entrada en DCE y viceversa. Hay equipos donde es difícil saber si la conexión serie que poseen es DTE o DCE. HAY QUE CONSULTAR EL MANUAL ;-( Ejemplo: 1.-para conectar un PC a un modem, el DTE es el PC y el DCE es el modem 2.-para conectar un router a una operadora para una conexión WAN, el DTE es el router y el DCE es equipamiento de la operadora que nos va a ofrecer el sincronismo

UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter
Es el circuito electrónico utilizado para enviar y recibir información por el puerto serie. Su función es convertir bytes en bits serie para transmitirse a bits por segundo. DATA Start bit Stop bits Circuitos integrados UART más utilizados (todos son compatibles): UART sin buffer , UART con 1 byte buffer , UART - 16 byte buffer.

UART La información mandada por la UART es asíncrona a nivel de palabras, sin embargo si hay sincronismo a nivel de bit. Por ejemplo, si la transmisión serie de nuestro PC es de 2400 bps, quiere decir que cada bit dura 1/2400 segundos, pero entre palabra y palabra enviada, puede pasar mucho tiempo. Las cadenas de bits son protegidas por información adicional (o de control, overhead) como: bit de start (comienzo para indicar el comienzo de la cadena) bits de datos, que es la propia cadena a enviar bit de paridad (que indica si hay número par o impar de 1s en la cadena para detección de error) bit de stop (o parada, para marcar el fin de la cadena de bits) Notación : por ejempo 8n1 (1 bit de start, 8 bits de datos, non-parity, 1 bit de stop) Ejemplo: Si la transmisión es de 2400 bps con una trama de 8n1, quiere decir que de cada 8 bits útiles mandados, realmente mandamos 10, por tanto los 2400 bps se convierten en 1920 bps útiles.

Pines de conexión RS232- DTE
DB9 DB25 Signal Description I/O DTE 1 8 CD Carrier Detect In 2 3 RD Receive Data TD Transmit Data Out 4 20 DTR Data Terminal Ready 5 7 SG Signal Ground - 6 DSR Data Set Ready RTS Request to Send CTS Clear to Send 9 22 RI Ring Indicator La tensión de la línea 232 es –12 voltios para ‘1’ y +12 voltios para ‘0’ La norma V.28 fija los aspectos eléctricos y V.24 fija la asignación de pines. Longitud máxima de cable de 15 metros.

Protocolo RS232 Protocolo con control de flujo HW:
Las líneas DSR y DTR son las primeras en activarse cuando existe alimentación en los equipos. Estando ambas activadas, cuando el DTE quiere mandar información lo hace activando la línea RTS. Si el DCE tiene establecida conexión y puede cursar la información, activa la línea CTS. Si quiere deshabilitar el envío, desactiva CTS y el DTE deja de mandar información. Existen otros protocolos utilizados en la transmisión serie, que permiten el envío de la información sin necesidad de cablear las patillas del control de flujo hardware. Estos protocolos se llaman de control de flujo sw que veremos en la capa de Nivel de Enlace de Datos, por ejemplo XON/XOFF

Protocolo hardware RS-232
RTS CTS Tx xxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxx

Conexiónes RS-232 DTE-DCE completo DTE-DCE simple
Referencias a pines del conector DB-25

Conexiónes RS-232 Loopback Plug for testing a Serial Port
Null Modem: conexión DTE a DTE Referencias a pines del conector DB-25

2400 = 1.8432*106/(baud rate * 16) y operando
Baud Rate (baudios) La UART 8250 y compatibles, tiene un reloj de MHz, que se divide por 16, generando un sincronismo para enviar bits a una tasa como máximo a bps (Otras UART utilizan relojes más rápidos y podemos alcanzar velocidades mayores, p.ej bps). Ejemplo: Si queremos enviar a 2400 bps, debemos dividir el reloj por un múltiplo de 16 (=baud rate * 16), es decir: 2400 = *106/(baud rate * 16) y operando baud rate =1.8432*106/(2400 * 16) = 48 Este valor o consigna “baudrate” se carga en los registros de la UART, en 2 registro de configuración de la UART llamado Divisor Latch (DL): DLL que contiene los 8 bits menos significativos y DLH contiene los 8 bits más significativos.

Programando la UART 8250 La programación de la UART se realiza leyendo y escribiendo en los siguientes registros. Base Address Mode Name +0 (DLAB=0) Write Transmitter Holding Buffer THR +0 (DLAB=0) Read Receiver Buffer RBR +0 (DLAB=1) Rd/Wr Divisor Latch Low Byte DLL +1 (DLAB=0) Rd/Wr Interrupt Enable Register IER +1 (DLAB=1) Rd/Wr Divisor Latch High Byte DLH +2 Read Interrupt Idendification Register IIR +2 Write FIFO Control Register FCR +3 Rd/Wr Line Control Register LCR +4 Rd/Wr Modem Control Register MCR +5 Read Line Status Register LSR +6 Read Modem Status Register MSR +7 Rd/Wr Scratch Register SCR DLAB: Divisor Latch Access Bit (bit 7) del registro LCR para cargar el valor del baud rate

Dirección de los registros de configuración
La arquitectura 80x86 de Intel, gestiona la entrada salida utilizando instrucciones especiales a puertos llamados IN and OUT access I/O Ports. Las direcciones de los I/O Ports se encuentra en el espacio de direcciones de I/O (entrada/salida). El PC tiene puertos estándar para el acceso a la interfaz serie, llamados puertos COM1 - COM4, que son mapeados en las siguientes direcciones e interrupciones (IRQ, Interrupt Request): Name Port address IRQ COM 1 3F8 4 COM 2 2F8 3 (utilizado por el ratón normalmente) COM 3 3E8 4 COM 4 2E8 3

Para mandar una palabra: pasos a seguir
Fija el baud rate en DLL y DLH activando el flag DLAB. Fija la paridad, fija la longitud de palabra y los bits de stop del registro LCR. Escribe la palabra en el registro THR, que se escribirá en el TSR (Transmit Shift Register) que envía bit a bit por la línea TD. La recepción se realiza por la línea RD y se guarda en el registro RBB. THR TSR TD

Line Control Register (LCR)
Controla los datos que hay en las líneas TD and RD lines: Bits 0,1: longitud de la palabra, de 5 a 8 bits. 00: 5 bit 01: 6 bit 10: 7 bit 11: 8 bit Bit 2: longitud del stop bit. 0: 1 bit 1: 1.5 bit Bit 3,4: paridad, si bit 3 =1, hay paridad. Si hay paridad, la paridad par se activa con bit 4=1 Bit 7: Fija el bit DLAB (Divisor Latch Access Bit). 0: habilita el acceso a RBR, THR, y IER. 1: habilita el accesso a DLL y DLM (para el baud rate).

Line Status Register (LSR)
LSR muestra el estado de la comunicación, errores de transmsión, etc. Bit 0: Data Ready (DR). Podemos leer de recepción. El proceso de lectura borra el bit. Bit 1: Overrun Error (OE). Se ha sobreescrito el registro RBB si haber leido la anterior. Este flag se borra cuando se lee LSR. Bit 2: Parity Error (PE). Ocurrió error de paridad. Se resetea leyendo LSR. Bit 3: Framing Error (FE). Se activa si no se recibe un bit de stop correcto. Bit 5: Transmitter Holding Register Empty (THRE). El THR está vacio. Bit 6: Transmitter Shift Register Empty (THRE). EL TSR está vacio.

Otros interfaces serie
Además de la RS-232, existen para mayores distancias tecnologías alternativas como RS-449 con misma norma V.24, que alcanza máximo1200 metros, un máximo de velocidad de 2Mbps con un conector de 32 pines. Está basadon en transmisión diferencial. La RS-442 es una tecnología multipunto que utiliza también transmisión diferencial. Otro interfaz serie muy utilizado en los routers es el V.35, que funciona a velocidades de hasta E1 (2Mbps), síncrona, con conector de 34 pines.

POTS: Plain Old Telephone Service
Comunicación típica entre dos ordenadores a través de la red telefónica a cortas distancias POTS: Plain Old Telephone Service Información analógica (bucle de abonado analógico) Información analógica (bucle de abonado) Información digital (enlaces troncales del operador)) Información digital (cable corto) Información digital (cable corto) Códec Códec Ordenador Módem Central Telefónica de origen Central Telefónica intermedia Central Telefónica de destino Módem Ordenador Equipo de usuario Equipo de usuario El sistema de señalización se realiza dentro de banda, a diferencia de la RDSI que tiene una canal de señalización diferente, lo que se llama señalización fuera de banda.

centrales de facturación
Establecimiento de una comunicación telefónica de media o larga distancia Enlace de central final Enlace de central final Enlaces entre centrales de facturación Bucle de abonado Bucle de abonado Códec Códec Central Telefónica final Central Telefónica final Central Telefónica primaria Central Telefónica de facturación Central Telefónica de facturación

Problemas en Sistema Telefónico y Módems
Atenuación: se evita usando amplificadores, pero no todas las frecuencias se amplifican por igual. Distorsión: no todas las frecuencias viajan a la misma velocidad, problema similar al de las fibras ópticas Supresores de eco: se utilizan para distancias mayores de Km (20 ms); impiden la comunicación full dúplex. Se deshabilitan con señales especiales (secuencias de entrenamiento para pactar la velocidad entre ambos extremos) o mediante canceladores de eco.

Eco en telefonía analógica
Conversación Circuito híbrido 2-4 hilos Circuito híbrido 2-4 hilos Central Telefónica Central Telefónica Central Telefónica Efecto de eco El efecto de eco es molesto si el retardo supera 45 ms

Funcionamiento de un supresor de eco
Solución al eco: Funcionamiento de un supresor de eco Supresor de eco Circuito de dos hilos 1: A hablando a B A B 2: B hablando a A El proceso es conmutar a Half Duplex, pero los modems son Full Duplex. Estos supresores se pueden deshabilitar mandando un tono especial.

Funcionamiento de un cancelador de eco
Solución al eco: Funcionamiento de un cancelador de eco Eco Conversación Circuito híbrido 2-4 hilos Circuito híbrido 2-4 hilos EC EC Central Telefónica Central Telefónica Central Telefónica Canceladores de eco (EC) Es un procesado digital de la señal, de efecto equivalente o similar a un supresor de eco.

Acceso a Internet con línea telefónica
Domicilio del abonado Internet 33,6/56 Kb/s (analógico) 64 Kb/s (RDSI) Teléfonos analógicos o digitales Red telefónica Para reducir la interferencia entre las señales de alta frecuencia de ADSL y las de baja frecuencia del servicio telefónico, cuando se instala una línea ADSL se pone en el acceso a la vivienda un separador de frecuencias. Este separador (también llamado ‘splitter’ de su nombre en inglés) está formado por un filtro de altas frecuencias al que se conecta el teléfono y uno de bajas frecuencias al cual se conecta el módem ADSL. Con la misma finalidad que en la vivienda, en la central telefónica también se coloca un divisor de frecuencias al bucle de abonado. La salida de baja frecuencia se conecta al conmutador telefónico tradicional y la de alta frecuencia al DSLAM (DSL Access Multiplexor) que es el dispositivo que contiene los módems ADSL de los usuarios. El módem ADSL se denomina también ATU-R (ADSL Transmission Unit- Remote). EL DSLAM se llama también ATU-L (ADSL Transmission Unit-Local). Las conexiones ADSL son siempre punto a punto, no hay medio compartido; por tanto el DSLAM ha de contener un módem ADSL por cada usuario conectado al servicio. POP del ISP Módem o adaptador Ordenador POP: Point Of Presence ISP: Internet Service Provider

Estándares de módems para RTC
ITU-T Velocidad máx. desc./asc. en Kb/s Baudios Bps/baudio Fecha aprobac. V.21 0,3 / 0,3 300 1 V.22 1,2 / 1,2 1200/600 V.22 bis 2,4 / 2,4 2400/1200 1984 V.32 9,6 / 9,6 2400 4/2 V.32 bis 14,4 / 14,4 6/5/4/3/2 1991 V.34 28,8 / 28,8 3429 Hasta 9,9 (8,4 efectivos) 1994 V.34+ 33,6 / 33,6 Hasta 10,7 (9,8 efectivos) 1995 V.90 56 / 33,6 1998 V.92/V.44 56 / 48 (1) 2000 (1) Con compresión

Compresión en el modem

Funcionamiento de los modems de 56K V.90 y V.92
El servidor se conecta en forma digital a la trama digital de la compañía telefónica. La señalización del servidor usa 256 códigos PCM (8 bits), sin conversión AD y sin ruido de cuantización. La central telefónica del cliente convierte el código PCM enviado a su correspondiente analógico, es decir realiza una conversión DA, que no posee ruido de cuantización. El cliente reconstruye el código PCM enviado, decodificando de esta manera la información enviada por el servidor. Velocidad de bajada ideal ( downstream ): 8000 x 8 = 64 Kbps; pero a fin de evitar errores utiliza 128 niveles (7 bits) más robustos de PCM-> 56 Kbps. Velocidad de subida ( upstream ) de cliente a servidor, Kbps. El límite teórica esté es 37,1Kbps, fijado por el ruido de cuantificación, ya que la subida ha de ser analógica con entrada a la central por los circuitos de voz con BW de 3.1KHz

Bucle abonado analógico
Acceso a Internet con línea telefónica con 56K V.90 y V.92 Domicilio del abonado Internet Bucle abonado analógico Teléfonos analógicos A/D: 33.6 kbps Ordenador Red telefónica Digital (PCM): 56 Kbps Módem analógico SERVIDOR en POP del ISP POP: Point Of Presence ISP: Internet Service Provider Conexión digital CLIENTE del ISP

Comandos HAYES o AT La configuración de los modem se realiza de modo local y los comandos utilizados para configurarlos son heredados de un fabricante y se llaman comandos HAYES o comandos AT (ATTENTION). Se considera un estandar de facto. Estos comandos, algunos son generales y sirven para todos los modems, otros no. Los comandos son sentencias en ASCII y la contestación por parte del modem puede ser tanto en ASCII como en formato numérico. El modem responde a estos comandos simplemente por una conexión directa por el puerto serie del ordenador, utilizando un programa terminal como ejemplo hiperterminal en Win2K o minicom en LINUX. Para configurar un modem, uno no se puede escapar de leer los registros de configuración y comandos aceptados por el modem. Hay que leerse el manual de usuario ;-(

Comandos HAYES o AT Ejemplo de comandos habituales:
ATDT43524: equivale a Attention, dial tone 43524 ATA: Attention Answer de Incoming Call AT&F: carga la configuración por defecto ATS0=2; configura el modem en su registro S0 con el valor 2, para que descuelgue el teléfono en el segundo tono de la llama entrante, para poder dar tiempo a la operadora poder identifacar el número del llamante. Se realiza por seguridad. AT&W: guarda la configuración en el modem ATH: para colgar una llamada (hang) AT&V: muestra la configuración de tu equipos, si es un modem completamente compatible con Hayes Existen otros comandos para quitarle la voz, para escribir en registros, para marcación por pulsos, … Una vez establecida la conexión, para indicar la desconexión al equipo remoto señalizamos con “+++” y posteriormente colgamos localmente con ATH.

Comandos HAYES o AT (específicos de fabricante)

Protocolos de transmisión de ficheros
Técnicas utilizadas en conexiones punto a punto por modem para intercambiar información (no existe pila TCP/IP): ASCII – sólo ASCII sin compresión ni detección de error XMODEM – transferencia de bloques de 128 bytes y con checksum (suma de todos los bytes en complemento a 1) YMODEM – transferencia de bloques de 1024 bytes con CRC (Ciclyc Redundant Check, ver Capa de Enlace) ZMODEM – utiliza tanto X como Y modem, incorporando una negociación inteligente y permitiendo recuperar el estado de una conexión establecida en el caso de rotura. KERMIT – protocolo síncrono utilizado para envío de fichero a o hacia un supercomputador. Actualmente está poco utilizado

RDSI (ISDN) de banda estrecha Red Digital de Servicios Integrados
Los POTS tienen como inconveniente la baja velocidad por el proceso de cuantificación y la lentitud de establecimiento de llamada. Objetivo de RDSI: llegar de forma digital a casa del usuario. El teléfono actúa como un códec muestreando la señal a 8 KHz; se genera un byte por muestra (canales de 64 Kb/s). Dos tipos de canales: Canales B (Bearer, portador): 64 Kb/s, sirven para llevar la voz o datos del usuario. Puede haber un número variable según el tipo de interfaz Canal D (Data): se usa para señalización fuera de banda (establecer o terminar la llamada, información de control, etc.). Hay uno por interfaz 17

RDSI Dos tipos de interfaces:
Básico o BRI (Basic Rate Interface): 2 canales B y uno D de 16 Kb/s (2B + D) + 16 Kb/s de sincronización y entramado; 160 Kbps en total. Primario o PRI (Primary Rate Interface): En Europa 30B + D (una línea E1); en América y Japón 23B + D (una línea T1). Canal D de 64 Kb/s. Una ventaja de RDSI es la posibilidad de activar canales B bajo demanda a petición de la capa de enlace, por ejemplo con el protocolo PPP. RDSI es muy adecuado para datos cuando la conexión es de pocas horas al día. También para configuraciones de emergencia (backup) Este servicio es ofrecido por Telefónica como NOVACOM. La RDSI utiliza 160 Kbps, que por ser modulación digital en banda base requiere en baudios la mitad, 80 Kbaudios, que en analógico se convierte en 40 Khz. Los niveles de tensión utilizados en RDSI son modulación 2B1Q con y voltios. 17

RDSI: Interfaces BRI (2B + D)
NT: network termination, TE: terminal equipment, TA: terminal adaptor El NT contiene un circuito híbrido que multiplexa en el mismo par de hilos las señales de transmisión recepción TE1 S T U Switch NT2 NT1 TE1 TA Bus RDSI (4 hilos) Conector RJ45 Bucle de abonado (2 hilos) 5,5 Km max. TE2 R Domicilio del abonado Central telefónica En el bus S/T pueden conectarse hasta 8 equipos. El bus S/T lleva alimentación de 50 voltios. OJO con las tarjetas de red.

Equipos NT1 y NT2 El interfaz U es ofrecido en EEUU para acceso a la RDSI y por tanto el usuario ha de comprar el NT1. En Europa, el NT1 es de la operadora y por tanto los usuarios acceden al bus S/T directamente. En el caso de conectar varios equipos, tanto de voz como de datos, se requeriría un NT2 que viene a ser como una centralita privada.

Estructura de la interfaz S/T de RDSI (BRI)
1 3 4 2 6 7 8 5 Conector RJ45 (ISO 8877) TE NT 1 Señales: 2 3 Transmit 4 5 Receive 6 7 Alimentación eléctrica opcional 8 El cableado puede ser mayor que 100 m, pero por compatibilidad con cableado estructurado se fija a 100m.

Tipos de switch RDSI BRI: basic rate interface
PRI: primary rate interface Es necesario especificar el tipo de switch al que nos vamos a conectar.

Fundamentos técnicos ADSL:Asymetric Digital Suscriber Loop
La limitación de los enlaces telefónicos (subida 33,6 y bajada 56 Kb/s) no se debe al cable de pares sino al canal de 3,3 KHz con el que operan las operadoras para voz. RDSI solo consigue 64 Kb/s (también usa red telefónica). Cobre es capaz de velocidades mayores, hasta 1 MHz aprox. (ver gráficas siguientes), prescindiendo del sistema telefónico. ADSL utiliza solo el bucle de abonado de la red telefónica; a partir de la central emplea una red paralela para transportar los datos. Actualmente estos servicios se venden como GigADSL con servicio de tarifa plana por Telefónica, con diferentes accesos 256/128, 512/128, 2M/300 Esta tecnología está soportada por ATM, con la cual se controlan los caudales de los usuarios, a través de circuitos virtuales. El sistema telefónico convencional está limitado por los 3,3 KHz de anchura del canal utilizado para la voz. Aún en el caso de utilizar RDSI la capacidad de un canal es de tan solo 64 Kb/s. El cable telefónico de pares que une al abonado con la central (denominado bucle de abonado) permite velocidades bastante superiores, pero la necesidad de utilizar la infraestructura telefónica a partir de la central impide el uso de canales de mayor anchura o capacidad. Cualquier tecnología que consiga una mayor capacidad del bucle de abonado deberá adoptar una de las dos estrategias siguientes: Hacer uso de múltiples canales de telefónicos para transmitir esa información hacia el destino. Esta es la aproximación adoptada por RDSI (el acceso básico consigue 128 Kb/s usando dos canales). Disponer en la central de un acceso a una red de datos independiente del sistema telefónico que no esté sujeta a las limitaciones de éste. Esto es lo que hacen las tecnologías xDSL.

Fundamentos técnicos de ADSL
ADSL utiliza frecuencias a partir de KHz para ser compatible con el teléfono analógico (0-4 KHz). No es compatible con RDSI. Comunicación es full dúplex. Para evitar ecos y NEXT generalmente se asigna un rango de frecuencias distinto en ascendente y descendente. Se reserva una anchura mayor al descendente (1000 KHz) que al ascendente (100 KHz) . La comunicación es asimétrica. Para reducir el crosstalk se pone el canal ascendente en las frecuencias mas bajas, porque el usuario dispone de equipos menos sofisticados. ADSL resuelve las diferentes respuestas del cable frente a las frecuencias, utilizando diferentes modulaciones simultáneamente. ADSL es un servicio de datos y vídeo digital, pero no está pensado para sustituir al servicio de voz. Para que sea compatible con la telefonía analógica, que emplea frecuencias por debajo de 4 KHz, ADSL utiliza frecuencias superiores a 32 KHz.RDSI utiliza frecuencias de hasta 80 KHz, por lo que para que coexista con ADSL es necesario desplazar hacia arriba el espectro de frecuencias de ADSL. ADSL suministra una comunicación full dúplex. Para simplificar su implementación generalmente se emplea un rango de frecuencias distinto para cada sentido; esto evita interferencias entre la señal de ida y de vuelta, y los problemas producidos por ecos de la señal transmitida. En total se utiliza un ancho de banda de 1 MHz aproximadamente. Como interesa una comunicación asimétrica el rango de frecuencias se reparte de forma desigual, asignando una parte mucho mayor a la comunicación descendente. Además de que para la mayoría de aplicaciones interesa así, técnicamente es mas fácil implementar un reparto asimétrico que uno simétrico o con la asimetría opuesta, ya que la interferencia inducida por señales paralelas de gran ancho de banda en el lado del usuario es muy baja al tratarse de diferentes viviendas; si las señales de gran ancho de banda fuera en sentido ascendente la interferencia entre diferentes usuarios sería excesiva, ya que todos confluyen en el equipo de la central telefónica.

Relación Capacidad/grosor /alcance en ADSL
Caudal Desc. (Mb/s) Grosor(mm) Distancia(Km) 2 0,5 5,5 0,4 4,6 6,1 3,7 2,7 La capacidad depende también de la calidad del cable. Si el bucle de abonado tiene muchos empalmes la capacidad se reduce. En ADSL los caudales que se especifican son siempre netos, es decir ya está descontado el overhead debido a la corrección de errores (FEC: Forward Error Correction).

Atenuación en función de la frecuencia para un bucle de abonado típico
Frecuencia (KHz) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -20 -40 Atenuación (dB) 3,7 Km -60 5,5 Km Esta figura muestra un ejemplo concreto (para el caso de ADSL) de cómo evoluciona la atenuación de la señal en función de la frecuencia para dos longitudes de cable dadas. El grosor del cable también influye en la atenuación. Para una frecuencia dada un cable de mayor grosor tiene menor atenuación. Asimismo en el caso de cables coaxiales la atenuación es menor cuanto mayor es el apantallamiento del cable. -80 -100 -120

Configuración de una conexión ADSL
Central Telefónica Domicilio del abonado Teléfonos analógicos Bajas Frecuencias Red telefónica Switch telefónico Bucle de Abonado (5,5 Km máx.) Splitter Splitter Altas Frecuencias Internet Para reducir la interferencia entre las señales de alta frecuencia de ADSL y las de baja frecuencia del servicio telefónico, cuando se instala una línea ADSL se pone en el acceso a la vivienda un separador de frecuencias. Este separador (también llamado ‘splitter’ de su nombre en inglés) está formado por un filtro de altas frecuencias al que se conecta el teléfono y uno de bajas frecuencias al cual se conecta el módem ADSL. Con la misma finalidad que en la vivienda, en la central telefónica también se coloca un divisor de frecuencias al bucle de abonado. La salida de baja frecuencia se conecta al conmutador telefónico tradicional y la de alta frecuencia al DSLAM (DSL Access Multiplexor) que es el dispositivo que contiene los módems ADSL de los usuarios. El módem ADSL se denomina también ATU-R (ADSL Transmission Unit- Remote). EL DSLAM se llama también ATU-L (ADSL Transmission Unit-Local). Las conexiones ADSL son siempre punto a punto, no hay medio compartido; por tanto el DSLAM ha de contener un módem ADSL por cada usuario conectado al servicio. DSLAM (ATU-C) Modem ADSL (ATU-R) Ordenador DSLAM: DSL Access Multiplexor ATU-C: ADSL Transmission Unit - Central ATU-R: ADSL Transmission Unit - Remote

Comparación de la Conexión a Internet mediante ADSL y por red telefónica conmutada
Splitter Central telefónica Conmutador ATM Usuario ADSL DSLAM Internet Conmutador telefónico ISP El DSLAM se conecta normalmente a un conmutador ATM, a través del cual el usuario podrá tener acceso al proveedor de Internet con el que haya contratado el servicio. También es posible tener conexiones de red privada virtual, por ejemplo para teletrabajadores que quieran acceder a la red corporativa de su empresa a través de la conexión ADSL. Este esquema muestra a título comparativo como se conectaría a Internet un usuario de ADSL frente a uno de red telefónica convencional. Aunque en el ejemplo se supone que el usuario de red telefónica utiliza una conexión analógica la figura sería prácticamente la misma si se utilizara la RDSI. La principal ventaja de ADSL frente a una conexión tradicional es la no utilización de la red telefónica. Esto supone un considerable ahorro de recursos, y evita la tarificación por tiempo a la que esta sujeto este tipo de servicios. Usuario RTC (RTB o RDSI) Red telefónica

Módems ADSL (ATU-Remote)
El módem ADSL puede ser: Externo: conectado al ordenador por: Ethernet 10BASE-T ATM a 25 Mb/s Puerto USB Interno, conectado al bus PCI del ordenador También existen routers ADSL/Ethernet y conmutadores ADSL/ATM. La tecnología ADSL está soportada por ATM Mientras que los cable módems casi siempre son dispositivos externos, en el caso de ADSL existen múltiples alternativas. Los módems externos se conectan al ordenador mediante una interfaz Ethernet o también por una interfaz ATM de 25 Mb/s. El uso de ATM se explica por el hecho de que ADSL siempre emplea celdas ATM y de esta forma el usuario puede tener acceso a las funcionalidades propias de esta tecnología desde su PC, cosa que no es posible cuando utiliza la interfaz Ethernet. En cualquier caso el dispositivo que conecta el PC actúa como puente transparente entre la red local (o el PC del usuario) y el DSLAM, de forma análoga a lo que ocurría con los cable módems. También existe la opción de conectar el módem ADSL al puerto USB del ordenador, lo cual tiene la ventaja de no requerir ninguna tarjeta adicional en el PC. Asimismo existen tarjetas internas que permiten conectar el PC directamente a ADSL. Esta opción es la mas económica. Por último existen routers con una interfaz Ethernet y una ADSL, y conmutadores ATM con conexión a ADSL. Estos dispositivos son más apropiados cuando se quiere conectar una pequeña oficina con varios ordenadores utilizando una línea ADSL.

Técnicas de modulación ADSL
Se han desarrollado dos técnicas de modulación: CAP: sistema más antiguo, sencillo y de costo inferior. Menor rendimiento. Estandarización más retrasada y poco utilizado. DMT: sistema mas reciente, sofisticado y más caro. Mayor rendimiento. Estandarizado por el ANSI y la ITU-T. La transmisión a distancias significativas de caudales de megabits por segundo a través del par telefónico del bucle de abonado no es tarea fácil. Se han tenido que explorar muchas técnicas de modulación novedosas, y resolver multitud de problemas. En las investigaciones de ADSL se han desarrollado dos técnicas de modulación que coexisten en la actualidad: La llamada CAP es mas antigua y sencilla. Es mas barata de implementar pero consigue eficiencias menores y está mas retrasada en el proceso de estandarización. La mas reciente, denominada DMT, es mas compleja y consigue una mayor eficiencia. Actualmente parece que la tendencia de los fabricantes es hacia el uso de DMT.

DMT (Discrete MultiTone)
256 subcanales (bins) de 4,3125 KHz de anchura (frecuencias KHz). Los bins mas bajos se reservan para la voz, los siguientes se asignan al tráfico ascendente y el resto al descendente. Los datos se envían repartidos entre todos los bins Cada bin tiene una atenuación relativamente constante. En cada bin se usa la técnica de modulación óptima según su relación señal/ruido. La necesidad de distribuir el tráfico en los bins requiere que el módem tenga un procesador muy potente. Para resolver el problema de variabilidad en las características de propagación de la onda electromagnética en función de la frecuencia DMT divide el ancho de banda disponible en multitud de canales estrechos, de los que asigna una parte al sentido ascendente y el resto al descendente. Con una anchura similar al canal telefónico tradicional, cada canal ADSL DMT tiene unas propiedades sensiblemente constantes a lo largo de todo el rango. DMT evita así el principal problema de CAP, ya que no es necesaria ninguna ecualización compleja para asegurar que la atenuación será la misma en un rango de frecuencias tan estrecho. Por otro lado si aparece una interferencia en una frecuencia concreta (por ejemplo por una emisora de onda media físicamente próxima) DMT puede inhabilitar el canal correspondiente y sólo habrá perdido una pequeña proporción de su capacidad total; además DMT puede adecuar cada uno de los canales activos a las condiciones ambientales, utilizando para cada canal el esquema de modulación que mejor se adapte a la calidad de éste.

Reparto de bins en ADSL DMT
Uso Bins Rango frecuencias (KHz) Teléfono analógico 0-5 0-25,9 Tráfico ascendente 6-38 25,9-168,2 Tráfico descendente 33-255 142,3-1104 La asignación de bins al tráfico ascendente o descendente en ADSL DMT se realiza de acuerdo con lo indicado en el cuadro. El canal ascendente puede llegar hasta el bin 38 y el descendente puede empezar en el bin 33; dentro de este rango se decide para cada caso concreto donde se pone la división entre ascendente y descendente. Además se reserva un bin en cada sentido para funciones de control. Existe reservado solape entre tráfico ascendente y descendente, pero no quiere decir que se use simultáneamente

Espectro de ADSL DMT Teléfono analógico Canal Ascendente Canal
Descendente Amplitud Frec. 4 kHz 30 kHz kHz 1.104 kHz Bin 7 32 37 255

Modulaciones utilizadas en una conexión ADSL DMT
Energía Sin Datos 16 QAM 64 QAM 64 QAM 64 QAM 64 QAM 16 QAM QPSK En cada canal se utiliza la técnica de modulación óptima, de acuerdo con su relación señal/ruido. Así es posible obtener el máximo rendimiento de cada uno. En los casos más favorables se emplean técnicas de modulación que transmiten 16 bits por símbolo (frente a 9 bits por símbolo en el caso mas favorable de CAP). Cuando la calidad de un canal está por debajo de los mínimos aceptables éste deja de utilizarse, como ocurre en el canal más a la derecha en la figura. En su conjunto DMT es una técnica eficiente y sofisticada. Pero no hay duros a cuatro pesetas. A cambio de sus ventajas DMT ha de resolver el nada sencillo problema de tener que manejar mas de 200 canales independientes de forma simultánea, repartir el tráfico entre ellos en el emisor y agruparlo en el receptor. Hasta hace relativamente poco tiempo era impensable disponer de la potencia de proceso necesaria para llevar a cabo estas tareas en un dispositivo de ámbito residencial. Bin 0 MHz 1 MHz Frecuencia 4 Ksímbolos/s por bin. Eficiencia máxima: 16 bits/símbolo

Proceso de negociación de un módem ADSL.
1: Se envía una señal de prueba en toda la gama de frecuencias para determinar la calidad de cada bin Frecuencia (KHz) Señal de prueba 2: A partir de los resultados obtenidos se determina la relación señal/ruido para el enlace a cada una de las frecuencias que se van a utilizar Frecuencia (KHz) Relación señal/ruido (dB) 3: En base a la relación señal/ruido se decide la codificación a emplear en cada bin, y con ello la cantidad de bits por segundo enviados en cada uno Frecuencia (KHz) Eficiencia (bits/s/bin) En esta figura se muestra el proceso seguido para ajustar el caudal descendente en una conexión ADSL en función de las características del enlace y las condiciones ambientales. En primer lugar el equipo ADSL de la central telefónica manda una señal de prueba al módem ADSL del usuario. Analizando las señales recibidas el módem ADSL averigua cual es la modulación óptima en cada bin, e informa de ello al equipo de la central telefónica, que adecúa así la codificación utilizada en cada bin a las características del enlace. Este proceso se realiza para cada sentido de la comunicación, empleando los bins adecuados en cada caso.

Intereferencias externas en ADSL
Señal de prueba Se muestra aquí la influencia de algunas interferencias en el resultado del proceso de negociación. Como antes se envía una señal de prueba en toda la gama de frecuencias para determinar la calidad de cada bin Frecuencia (KHz) Derivación Relación señal/ruido (dB) En este caso tenemos una derivación debida a un cable no retirado de una instalación anterior. Esto produce una pérdida de calidad de la señal en una determinada frecuencia. También hay una interferencia de emisora de AM Emisora de onda media (AM) Frecuencia (KHz) Como consecuencia de estos problemas los módems han decidido reducir la eficiencia en el bin correspondiente a la derivación, e inhabilitar por completo el bin correspondiente a la frecuencia de la emisora de onda media Frecuencia (khZ) Eficiencia (bits/s/bin) Bin deshabilitado En este caso se supone que, a diferencia del anterior, existen interferencias externas importantes debidas a dos factores: por un lado una derivación del bucle de abonado, probablemente debida a un residuo no retirado de una instalación anterior. Esto provoca que en cierto rango de frecuencias la relación señal/ruido se reduzca de forma sustancial, con lo que la modulación elegida para esos bins permite incluir menos bits por baudio y su eficiencia también disminuye. Por otro lado hay otro rango de frecuencias en el que se presenta una fuerte interferencia debida a la presencia de una emisora de onda media (AM) cercana. En este caso la interferencia llega a ser mayor que la señal de ADSL por lo que los bins afectados se inutilizan por completo (en la práctica la señal de una emisora de AM afectaría a dos o tres bins, ya que tiene una anchura de 9 KHz).

ADSL G.Lite: ITU-T G992.2: splitterless
ADSL requiere instalar en casa del usuario un filtro de frecuencias o ‘splitter’ (teléfono de ADSL). El splitter aumenta costo de instalación y limita el desarrollo. ADSL G.Lite suprime el splitter. También se llama ADSL Universal o ADSL ‘splitterless’. Sin splitter hay más interferencias, sobre todo a altas frecuencias. Es más caro y menos eficiente, pero es más barata la instalación. Uno de los problemas que presenta el uso de ADSL es la instalación del separador de frecuencias en la vivienda del usuario. Esto requiere la visita de un técnico, lo cual encarece de forma considerable la conexión. Desde finales de 1997 han aparecido en el mercado diversas variantes de ADSL denominadas ADSL G.Lite que suprimen el divisor de frecuencias en casa del abonado (el divisor en la central telefónica se mantiene ya que allí no hay problemas para su instalación). Existen equipos DSLAM en el mercado actualmente que pueden interoperar indistintamente con equipos de usuario ADSL y ADSL G.Lite. ADSL: G.Lite es también un estándar ITU-T.

Configuración de ADSL G.Lite o ‘splitterless’
Central Telefónica Domicilio del abonado Teléfonos analógicos Red telefónica Switch telefónico Bajas Frecuencias Splitter Altas y bajas Frecuencias Altas Frecuencias Bucle de Abonado (5,5 Km máx.) Para reducir la interferencia entre las señales de alta frecuencia de ADSL y las de baja frecuencia del servicio telefónico, cuando se instala una línea ADSL se pone en el acceso a la vivienda un separador de frecuencias. Este separador (también llamado ‘splitter’ de su nombre en inglés) está formado por un filtro de altas frecuencias al que se conecta el teléfono y uno de bajas frecuencias al cual se conecta el módem ADSL. Con la misma finalidad que en la vivienda, en la central telefónica también se coloca un divisor de frecuencias al bucle de abonado. La salida de baja frecuencia se conecta al conmutador telefónico tradicional y la de alta frecuencia al DSLAM (DSL Access Multiplexor) que es el dispositivo que contiene los módems ADSL de los usuarios. El módem ADSL se denomina también ATU-R (ADSL Transmission Unit- Remote). EL DSLAM se llama también ATU-L (ADSL Transmission Unit-Local). Las conexiones ADSL son siempre punto a punto, no hay medio compartido; por tanto el DSLAM ha de contener un módem ADSL por cada usuario conectado al servicio. Internet Modem ADSL (ATU-R) DSLAM (ATU-C)

VDSL (Very high speed DSL)
Es el ‘super-ADSL’. Permite capacidades muy grandes en distancias muy cortas. Las distancias y caudales en sentido descendente son: 300 m 51,84 – 55,2 Mb/s 1000 m 25,92 – 27,6 Mb/s 1500 m 12,96 – 13,8 Mb/s En ascendente se barajan tres alternativas: 1,6 – 2,3 Mb/s 19,2 Mb/s Igual que en descendente (simétrico) Al hablar de ADSL vimos que la capacidad era función de la distancia, con un máximo de 8,5 Mb/s para distancias de 2,7 Km. VDSL es una técnica análoga a ADSL que permite conseguir capacidades aún mayores cuando las distancias son menores; podemos decir pues que VDSL es el ADSL de cortas distancias. VDSL es algo bastante novedoso que no está aun estandarizado y algunos detalles de su implementación están por decidir. Como en ADSL el caudal máximo en sentido descendente depende de la distancia a cubrir, según se muestra en la transparencia. Para el sentido ascendente se barajan tres posibles alternativas, aunque las primeras versiones de VDSL seguramente incorporarán la asimétrica de baja veocidad. Dado que la mayoría de los abonados se encuentra a mas de 1,5 Km de su central telefónica la implantación de un servicio VDSL requiere instalar equipos de distribución en bastidores de intemperie, en la acera de cada manzana por ejemplo, realizando la conexión por par de cobre a partir de alli. Esta estructura es lo que se denomina Fiber To The Curb (FTTC) o Fibra Hasta La Acera (curb = acera en inglés) de la que hablaremos mas tarde.

Capacidad del bucle de abonado en función de la distancia
60 50 40 30 Capacidad (Mb/s) 20 10 En esta gráfica puede apreciarse la disminución de la capacidad de un enlace VDSL/ADSL con la distancia. El punto de inflexión en la curva a la distancia de 1,4 Km marca el límite máximo de funcionamiento de VDSL. Evidentemente ADSL puede funcionar a distancias menores de 1,4 Km, pero debido a la forma como está diseñado la capacidad máxima ya no aumenta, manteniéndose en torno a 8 Mb/s. 1 2 3 4 5 6 Distancia (Km) Ámbito de ADSL Ámbito de VDSL

VDSL (Very high speed DSL)
Utiliza un par de hilos. Compatible con voz Aunque capacidad superior a ADSL técnicamente mas simple ( al reducir la distancia es mas fácil conseguir elevada capacidad). Actualmente en proceso de estandarización y pruebas. Ya existe algún servicio comercial de VDSL. No esta claro que haya una demanda para este tipo de servicios. Al haberse desarrollado como medio de acceso RBB VDSL utiliza un par de hilos y es compatible con el servicio de voz, como ADSL. Aunque utiliza velocidades superiores, desde el punto de vista técnico VDSL es más sencillo que ADSL ya que las menores distancias reducen considerablemente los problemas técnicos. VDSL se encuentra todavía en proceso de estandarización. Se han realizado algunas experiencias piloto y existe algún servicio comercial en ámbitos muy reducidos, pero realmente aún no se percibe la demanda de capacidades tan elevadas para aplicaciones de acceso residencial.

Espectro de las diversas tecnologías de acceso
En esta figura se muestra el espectro de la señal generada en los cables por cada una de las técnicas xDSL que hemos descrito. La curva etiquetada T1 AMI corresponde al espectro que genera la señal de una línea T1 convencional (T1 corresponde a una línea de 1,536 Mb/s que es la versión equivalente americana de las líneas E1 de 2 Mb/s en Europa). COMPATIBILIDAD RDSI-ADSL La RDSI utiliza 160 Kbps (2B+D con entramado), que por ser modulación digital en banda base requiere en baudios la mitad, 80 Kbaudios, que en analógico se convierte en 40 Khz. Como podemos ver, la ISDN puede ser compatible con ADSL sii, ISDN sólo utiliza el primer lóbulo de 80 Kbaudios centrado en 40 KHz y los canales de ADSL se desplazan hacia arriba para que no exista interferencia.

Capítulo 2 La Capa Física

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