VISIÓN INVESTIGADORA

Visión Electrónica, 2012-06-01 Volumen:6, Año:1 pág: 28–46

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE ANILLOS DE TRANSMISIÓN ÓPTICA SDH

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF OPTICAL TRANSMISION RINGS SDH

Duilio A. Buelvas P.

M.Sc. (c) en Teleinformática, especialista en Soluciones Telemáticas, Universidad Autónoma de Colombia, Docente de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Correo: dbuelvas@udistrital.edu.com

Bibiana Galindo

Ingeniera en Telecomunicaciones, analista Senior QA - IBM. Correo: chelbibi@gmail.com.

Hidelbrando Herrera

Ingeniero en Telecomunicaciones. Ingeniero de Transmisión Huawei. Correo: bloodomen_h@hotmail.com

RESUMEN

La implementación de redes de transmisión en Colombia es una actividad tecnológica donde los proveedores de telecomunicaciones enfrentan nuevos desafíos de crecimiento. En el año 2009, el acceso a Internet presentó un crecimiento del 26% al lograr un total de 2.746.816 subscriptores,77% de los cuales corresponde a suscriptores de acceso dedicado, distribuidos por tecnologías de la siguiente forma: 64,07% pertenece a conexiones xDSL, 2,11% a conexiones WiMAX e inalámbricos, y 32,3%a tecnologías por cable, contando con altas demandas de soluciones de voz y datos. Se proyecta que para el año 2012 el crecimiento de estos servicios impondrá un incremento del tráfico del 46%. Por tanto, los operadores de telecomunicaciones se verán obligados a incrementar la capacidad de sus redes de transporte, especialmente en aquellas zonas en que dichas redes operan con tecnología PDH (Plesiocronous DigitalHierarchy), pues no es posible responder al tráfico generado por lossuscriptores. El presente artículo compara las tecnologías de transmisión,Metro Ethernet, DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplex)y SDH (Plesiocronous Digital Hierarchy), considerando: método de acceso al medio, velocidad de transmisión, longitud de onda usada, ancho de banda, capacidad y conectividad con el backbone. Seconcluye que, debido a que SDH se adapta completamente con PDH, es la tecnología de transmisión más versátil para el diseño e implementación de anillos de transmisión óptica en enlaces seleccionados en Bogotá, y debido a la universalidad de la metodología de implementación propuesta, en otros sitios, en el futuro inmediato.

Palabras clave

PDH, SDH, DWDM, FAST Ethernet, Metro Ethernet, redes de transporte.

Abstract

The transmission network implementation in Colombia, is a technological activity where telecommunication providers face new growing quests. In 2009, access to internet showed an increase of 26% to a total subscriber 2.746.816 of which 77% is dedicated access subscribers, distributed by technologies as follows: 64.07% belongs to xDSL connections, 2.11% to WiMAX and Wireless connections, and 32.3% to Cable Technologies, counting with high demands for voice and data solutions. It is projected that by 2012, these services and its growth impose a traffic increasing of 46%. Therefore, telecommunications operators will be forced to increase the capacity of their transport networks, especially in areas in which these networks operate with PDH technology (Plesiocronous Digital Hierarchy), because it is not possible to respond to traffic generated by subscribers. This article compares the transmission technologies, Metro Ethernet, DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex) and SDH (Synchronous Digital Hierarchy), considering: medium access method, transmission speed, wavelength used, bandwidth, capacity and connectivity to the backbone, concluded that, because SDH is fully adapted to PDH, is the most versatile transmission technology for the design and implementation of optical transmission ring in selected links in Bogota and because of the universality of the proposed implementation methodology, elsewhere in the immediate future.

Key Words

PDH, SDH, DWDM, Fast Ethernet, Metro Ethernet, Transport Networks.

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Introducción

El documento describe el diseño e implementación de dos anillos de transmisión óptica sobre tecnología SDH (Synchronous Digital Hierarchy) para los cuales se consideran cuatro fases secuenciales:

1. Análisis comparativo de la tecnología SDH con otras tecnologías, destacando su importancia de selección e implementación.
2. Diseño de los anillos de transmisión calculando y proyectando la infraestructura a utilizar; relacionando variables de capacidad en tráfico, cobertura de la red e interconexión con la red metropolitana ya implementada manteniendo la relación costo beneficio de la infraestructura tecnológica.
3. Simulación del entorno y gestión de la red en cada enlace, utilizando herramientas de gestión gráfica para presentar un protocolo de medidas del diseño de la red.
4. Implementación y comisión de las pruebas de calidad, levantamiento y gestión de los equipos de la red, con el fin de preparar los anillos para la migración de todos los servicios actuales; tales como PDH (Plesiocronous Digital Hierarchy), Ethernet y xDSL2 (xDigital Subscriber Line2).

Los enlaces seleccionados se encuentran en la Tabla 1, cada uno de ellos une los equipos de transmisión instalados en las centrales de datos que tiene el proveedor de telecomunicaciones en la ciudad de Bogotá (Colombia), y copa el área de cobertura solicita por el proveedor.

El esquema de los enlaces para cada anillo se encuentra en las Figuras 1 y 2 y la ubicación geográfica de las centrales se encuentra en la Figura 3.

Tabla 1. Enlaces bidireccionales de los anillos de transmisión es Salitre y Morato.

Figura 1. Enlaces y centrales del anillo Morato.

Figura 2. Enlaces y centrales del anillo Salitre.

Figura 3. Ubicación geográfica de los anillos de transmisión.

Comparación entre tecnologías Metro Ethernet-DWDM-SDH

El cuadro comparativo de las tecnologías Metro Ethernet y DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplex) con SDH establece las diferencias en ancho de banda, escalabilidad y facilidad de conexión con el backbone (red principal) o con la red de transmisión principal del operador. Con el fin de seleccionar la mejor tecnología para el diseño e implementación de anillos de transmisión se deben comparar las diferentes opciones disponibles para este fin, de tal manera que se pueda decidir la implementación de la tecnología que más se acople a las necesidades del operador.

Cuadro comparativo

Los aspectos a comparar entre las tecnologías SDH, Metro Ethernet y DWDM son:

1. Método de acceso al medio.
2. Velocidad de transmisión.
3. Longitudes de onda usadas.
4. Ancho de banda.
5. Capacidad.
6. Conectividad con el backbone.

Cada tecnología es diferente, y de acuerdo con las prioridades del cliente se puede establecer la más adecuada. En la Tabla 2 se comparan las características más sobresalientes de estas tres tecnologías de transmisión.

Análisis de resultados

1. SDH ofrece velocidades superiores a los 10 Gbp y permite un nivel de granularidad de hasta 2 Mbps, por lo que es ideal para redes metropolitanas, y por su facilidad de crecimiento en cuanto a capacidades y número de nodos de interconexión.
2. Con Metro Ethernet existe la posibilidad de configurar más variables en la red, con lo que se puede ofrecer una amplia gama de servicios y lograr un mejor aprovechamiento del medio. La asignación de capacidades es flexible y permite niveles de granularidad adecuados para su implementación en redes de acceso y en redes metropolitanas.

SDH y Metro Ethernet son protocolos ideales para la implementación de redes de transmisión metropolitana, mientras que DWDM es un protocolo que requiere de otros protocolos para lograr el nivel de granularidad y escalabilidad requerida en las redes metropolitanas. En consecuencia, se decide implementar la tecnología SDH, debido a que la mayoría de operadores cuentan con redes de esta tecnología, a nivel metropolitano y nacional, con una gran cobertura y un número considerable de nodos.

Diseño

El diseño contempla tres etapas de desarrollo: la primera es el estudio de sitio, con el cual se garantiza la disponibilidad de los recursos y espacio en la central de instalación o nodo del anillo; la segunda es el diseño a nivel de potencia, y la tercera es el diseño de tráfico.

Estudio de sitio

El estudio de sitio es la investigación en cada nodo o central de instalación previa al diseño e implementación de la red. Aquí se confirma la disponibilidad de espacio para cada equipo y se toman las medidas del espacio con base en las dimensiones del equipo. Se validan condiciones eléctricas, disponibilidad de puertos en el ODF y distancia entre el ODF y el equipo de transmisión. Como resultado de la visita, se obtiene la lista de materiales necesarios para la instalación; el plano de cuarto de equipos con sus dimensiones, la ruta del tendido eléctrico y de la fibra, y la ubicación de los equipos nuevos y existentes.

Tabla 2. Cuadro comparativo de tecnologías SDH, Metro Ethernet y DWDM

Diseño de potencia

Con el diseño de potencia se busca garantizar que la calidad de la señal transmitida a través de los anillos cumpla con las condiciones de potencia mínimas en cada uno de los tramos de red para ser entendida por el receptor. El análisis de potencia se realizó bajo las siguientes premisas:

• El cálculo se hizo para cada uno de los 30 enlaces.
• El valor para las potencias del transmisor y el rango dinámico del receptor son los especificados en el manual técnico de los equipos de transmisión.
• La atenuación causada por la fibra óptica se calcula con base en las especificaciones técnicas de la fibra óptica utilizada.
• El margen de diseño de potencia se escoge de 3 dB para asegurar que la señal será entendible para el receptor, así su potencia haya caído a la mitad.

Para el diseño e implementación de la red se debe determinar el presupuesto de potencia, con el cual se definen los puntos en los que se debe regenerar la señal para obtener un nivel de potencia entendible para el receptor. El primer paso es establecer la potencia de entrada del receptor, el cual se define con la ecuación de margen:

        (1)

En donde:

P_rx Es la potencia de la señal que debe entregar el enlace al receptor, unidades dBm.

P_tx Es la potencia de la señal cuando sale del transmisor, unidades dBm.

P Corresponde a las pérdidas del enlace entre transmisor y el receptor, unidades dB.

G Son las ganancias de potencia que tenga el enlace entre transmisor y receptor. Sus unidades son dB.

El presupuesto de potencia lo da la siguiente ecuación:

        (2)

Esta nos indica las máximas pérdidas que puede soportar el enlace, dependiendo del nivel de potencia del transmisor, el valor de Pb se compara con el valor de Prx para determinar el valor y la ubicación de los regeneradores de señal. Las pérdidas deben modelarse considerando los siguientes aspectos:

Nc Número de conectores

2

Pc Pérdidas del conector

0,5 dB

Ne Número de empalmes

2

Pe Pérdidas por empalme

0,1 dB

P_of Pérdida de la fibra óptica

0,2 dB/km 

Lc Longitud del carrete

30 Km

MD Margen de diseño

3 dB

PA Pérdidas adicionales (inserción)

2 dB

El número de empalmes corresponde a la distancia del enlace dividida por la longitud de un carrete de fibra óptica menos uno.

        (3)

La ecuación de perdidas quedaría:

        (4)

Remplazando 3 en 4, se obtiene:

        (5)

Conociendo las características de potencia de transmisión y el rango dinámico del receptor, se deben determinar las pérdidas de potencia en el enlace, tomando valores de atenuación total para cada enlace de los seleccionados en la ciudad de Bogotá (Tabla 3).

Y los valores de potencia óptica del transmisor y receptor, definidos en el manual técnico de los equipos, son:

P_tx Potencia de transmisión

1,9 dBm

P_rmax Potencia óptica máxima de recepción (saturación)

-1 dBm

P_rmin Potencia óptica mínima de recepción (sensibilidad)

-14 dBm

Tabla 3. Atenuación total para cada enlace.

Tabla 4. Potencia de recepción para todos los enlaces.

El valor de la potencia de recepción para los enlaces de los dos anillos se muestra en la Tabla 4.

Simulaciones

Con el fin de realizar un análisis óptimo de la red, se determinó que debía simularse el desempeño de la misma utilizando un método para predecir posibles fallas o inconsistencias entre los cálculos realizados y el ambiente simulado. Para esto se analizaron dos herramientas de software especializadas en el diseño y simulación de redes ópticas. A continuación se presenta una tabla comparativa de las herramientas evaluadas para el desarrollo de la simulación (Tabla 5).

Se decide, entonces, usar el software Optisystem 7.0 debido a que sí está orientado al diseño de anillos SDH. Se rechaza el software VPI Transmisión Maker debido a su orientación casi exclusiva a redes WDM y a la falta de módulos para diseño y simulación de anillos SDH.

Esquema de la red en el simulador

A continuación se presentan las imágenes de los montajes para cada uno de los anillos en OptiSystem.

La simulación se corrió en tiempos diferentes para determinar los cambios del valor de potencia después de cada elemento del enlace, ya que a medida que la señal lumínica pasa por un dispositivo sufre cambios de potencia que deben ser tenidos en cuenta en el diseño.

Tabla 5. Comparación entre simuladores ópticos.

¹ Optisystem optical Communication System and Amplifier design Software

² VPIphotonics dS TM-opticalSystems.

Figura 4. Anillo 1 Morato.

Figura 5. Anillo 2 Salitre..

Figura 6. Atenuación de potencia en relación con la distancia y los elementos del enlace Salitre Cafam Chapinero.

En la simulación se hicieron las mediciones de potencia para cada dispositivo con el fin de asegurar que los valores del diseño se cumplieran de acuerdo con la gráfica (Figura 6). Las pruebas de simulación de realizaron para todos los enlaces, pero, para documentar la metodología de simulación, la descripción se realizará únicamente para uno de los enlaces del anillo 2, enlace Salitre – Cafam Chapinero.

Medición 1: Potencia de recepción sin atenuadores

En OptiSystem se hace la conexión la fibra y del conector, lo que garantiza la potencia de transmisión de 1,9 dBm (recomendada por Huawei Techonologies Co. ^TM para el equipo Optix OSN 7500®). Se conecta un medidor de potencia en el puerto de transmisión y otro en el extremo remoto de la fibra óptica. La configuración de la fibra óptica se muestra en la Figura 7:

Las atenuaciones que se incluyen en esta medición corresponden a las pérdidas en los conectores: por inserción, en la fibra y por empalme; es decir, que el valor esperado de potencia corresponde al penúltimo más bajo de la gráfica (Figura 6) que es -2,463444484. El resultado de la medición en OptiSystema es consistente con el valor esperado; como se puede ver en la Figura 8.

Figura 7. Configuración de fibra óptica en OptiSysytem.

Medición 2: Nivel de P_rx con atenuador

El atenuador se conecta entre el conector de la fibra óptica y el puerto de recepción del equipo en la central Cafam Chapinero y se configura el valor de atenuación definido en el diseño de potencia, que es de 4,03 db; igualmente, se conecta el medidor de potencia entre el atenuador y el puerto de recepción. El valor obtenido de potencia de recepción es de -6.45 dBm, como se muestra en la Figura 9, el cual es consistente con el nivel de potencia de recepción recomendado de 6,5 dBm.

Análisis de resultados

En la Tabla 6 se resumen los resultados de las mediciones de potencia en los receptores de cada uno de los enlaces simulados:

Figura 8. Resultados de medición 1: Potencia de recepción sin atenuador.

Figura 9. Resultados de medición 2: Potencia de recepción con atenuador.

Tabla 6. Resultados de medición de potencia de recepción en todos los enlaces simulados.

Instalación y comisionamiento

El proceso de instalación y las pruebas de comisionamiento de la infraestructura de la red de transmisión SDH están divididos en tres etapas: instalación de los equipos y el cableado; pruebas de aseguramiento de calidad del servicio; y entrega final.

Instalación

Los equipos OptiX OSN 7500® se instalaron según los planos y las listas de materiales elaborados en los estudios de sitio. El gabinete en el cual se instala el equipo se divide en tres secciones: indicadores de alarmas, distribuidor de energía y espacio para el subrack. La sección de alarmas se encuentra en la parte externa y superior del gabinete y su función es brindar información del estado eléctrico y funcional del equipo. El distribuidor de energía se ubica en la parte superior dentro del gabinete y está conformado por una entrada y dos salidas.

En la entrada del distribuidor de entrada se conecta el cableado de red eléctrica que viene del rectificador DC de -48V. Las salidas se conectan a las Unidades de Interfaz de Poder o PIU (Power Interface Unit), ubicadas en los slots 32 y 33 del subrack. El equipo está formado por el subrack y tarjetas funcionales. El subrack del OptiX OSN 750® tiene dos niveles: el nivel superior contiene 10 slots para tarjetas de interfaces y 10 slots para tarjetas de procesamiento; y el nivel inferior contiene 18 slots para tarjetas de procesamiento. En medio de los dos niveles se ubican los ventiladores; debajo de nivel inferior existe un filtro de aire. Las tarjetas instaladas en los equipos son:

SL 64A: Interconecta cada uno de los nodo del anillo. Esta tarjeta procesa señales ópticas STM-64.

IXCSA: Administra y redirecciona la información de una tarjeta a otra.

EOW: Con esta se hace la programación y gestión del equipo.

GSCC: Controla el sistema y la comunicación.

AUX: Proporciona al sistema varias interfaces auxiliares; entre ellas, la interfaz de gestión y la función de copia de seguridad central de la fuente de 3,3 V de potencia.

PIU: Reciben y distribuyen la energía.

La instalación del tendido de fibra óptica y cableado eléctrico cumple con las nomas estandarizadas por el fabricante. El tendido de fibra óptica va protegido con mangueras desde el equipo de transmisión hasta el armario del ODF, en donde se conservó el orden de distribución de fibra. En el gabinete del equipo de transmisión la distribución del cableado se hizo a los costados. Se incluyeron marquillas en cada extremo de la fibra identificando el anillo y el puerto y el enlace al cual pertenece.

Pruebas de comisionamiento

Se realizaron tres pruebas de comisionamiento: de potencia de transmisión, de sensibilidad del receptor y de jitter o fluctuación de fase. La prueba de potencia de transmisión consiste en medir, en el puerto transmisor, la potencia de la señal óptica. Se debe hacer conectando uno de los extremos de un patch cord de fibra óptica en el puerto de salida de la tarjeta SL 64 y conectar el extremo contrario al medidor de potencia y tomar el valor de potencia de la señal que muestra el medidor. Los valores para cada puerto trasmisor del enlace se encuentran la Tabla 7.

Tabla 7. Resultados de mediciones de potencia de transmisión.

³ Hardware Description Manual OptiX OSN 7500 Intelligent Optical Switching System Technical Specifications Reference (V100R009_04), Huawei Tecnologies Company Ltd. China, Chapter 3.1.20.

La prueba de potencia de recepción consiste en conectar los puertos de la tarjeta SL64 a un analizador SDH, conectando un atenuador variable entre el puerto de recepción de la tarjeta y el analizador SDH. Se aumenta el valor del atenuador hasta obtener bits de error en la medición del analizador. Se desconecta el atenuador y se mide el nivel de potencia en el mismo. Los valores obtenidos para cada tarjeta de los anillos se encuentran en la Tabla 8.

La prueba de jitter o fluctuación de fase generada o intrínseca en los anillos de transmisión se hizo para cada una de las interfaces de los equipos de transmisión aplicando a su entrada una señal libre de jitter (generada por el analizador SDH) y midiendo el jitter en la señal de salida. Los resultados de las pruebas se encuentran en la Tabla 9.

Tabla 8. Potencia de sensibilidad del puerto del receptor.

⁴ Hardware Description Manual OptiX SN 7500 Intelligent Optical Switching System Technical Specifications Reference (V100R009_04), Huawei Tecnologies Company Ltd. China, Chapter 3.1.20.

Tabla 9. Medición de generación del jitter.

⁵ UIT - Recomendación G.825: Digital line systems based on the synchronous digital hierarchy for use on optical fibre cable

Entrega final

La entrega final al operador de la red se hace configurando la red en el software de gestión llamado T2000 NM Networking Management ®. El proceso para configurar cada equipo es conectarlo a la red de gestión a través de la cual se le asignan un nombre y una dirección. Una vez creada la red en el software, se configuran las tarjetas y se asignan las capacidades a cada servicio.

Conclusiones

Al implementar SDH como tecnología de transmisión se incrementa la capacidad de transmisión de tráfico que los suscriptores exigen a su operador. En resumen, se puede obtener un incremento inicial de aproximadamente 2.000% en la capacidad de agregación y desagregación de tráfico, escalable hasta 16.000% de la capacidad inicial; por ejemplo: si el tráfico inicial soportado en PDH era de 450 Mbps, al implementar un anillo SDH STM-64 esta capacidad es de 10 Gbps, y, dada la escalabilidad de esta tecnología, dicha capacidad se podría incrementar hasta en 80 Gbps.

SDH es un protocolo ideal para redes de transmisión de área metropolitanas, con el cual se puede ofrecer al cliente la capacidad contratada y cumplir con los niveles de calidad de servicio y tiempos de recuperación. Metro Ethernet, en comparación con SDH, es un protocolo que demanda mayor capacidad de procesamiento debido a la cantidad de diferenciadores y parámetros que maneja en los campos de su trama. DWDM no es una tecnología viable para este tipo de redes, porque el nivel de granularidad no es suficiente, es decir, que no es posible dividir la capacidad de cada canal en capacidades más pequeñas, por lo que se hace necesaria la implementación combinada de dicho protocolo con otros, como SDH o Metro Ethernet, que permiten mayor escalabilidad y aprovechamiento de los recursos de red.

Durante la etapa de diseño a nivel de tráfico se dedujo que el porcentaje de utilización inicial de cada enlace no supera el 8%, quedando de esta manera un 92% de capacidad libre para futuras expansiones de red y/o nuevos servicios que se quiera transportar por estos anillos, sin necesidad de realizar ninguna adición de hardware en los equipos implementados.

Se obtuvieron resultados muy satisfactorios al realizar las simulaciones a nivel óptico de cada enlace, lo que garantiza un margen de diseño de 3 dB y con esto se asegura que aunque la potencia óptica de cualquier enlace caiga a la mitad, dicho enlace seguirá operativo y no se presentarán cortes ni degradaciones en la calidad del servicio prestado.

La metodología de implementación de la red permitió la detección de problemas en etapas tempranas, lo que evita contratiempos y retrabajo en la instalación y comisionamiento de la red. Las mediciones de potencia en las pruebas de comisionamiento arrojaron resultados muy cercanos a los establecidos por el fabricante en el manual técnico del equipo. El valor promedio de sensibilidad obtenido en las mediciones es de -15,38 dBm y el especificado en el manual del fabricante es de -14dBm. El valor promedio de la potencia de transferencia es de 0,43 dBm, el cual se encuentra en un valor medio entre el rango de potencias establecido por el fabricante, que se encuentra entre -1dBm y 2dBm.

Perspectivas de la implementación

La metodología de diseño e implementación de la red de transmisión se puede emplear en cualquier red metropolitana, considerando la cobertura requerida por los usuarios reales y potenciales, la capacidad proyectada de la red y las necesidades del proveedor. Por otra parte, la implementación de la red de transmisión en Bogotá permitió al proveedor mejorar y ampliar su red de acceso en cada una de los nodos instalados.

Referencias

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Creation date: Junio de 2012