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Tecnologías de banda ancha por fibra óptica

Autor: Ramón Jesús Millán Tejedor

Publicado en Manual Formativo nº 55, ACTA, 2010

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Introducción

El par de cobre lleva más de 120 años proporcionando servicios de telecomunicaciones a los usuarios residenciales, pero se ha quedado anticuado. La fibra de óptica es el medio de transmisión más avanzado y el único capaz de satisfacer los revolucionarios servicios de las redes de nueva generación o NGNs (Next Generation Networks). Las ventajas de la fibra óptica son muchas: mayores anchos de banda, mayores distancias desde la central hasta el abonado, inexistencia de interferencias electromagnéticas, mayor seguridad, mayor facilidad de instalación, etc. Además, la reducción de repetidores y otros dispositivos supondrán menores inversiones iniciales, menor consumo eléctrico, menor espacio, menos puntos de fallo, etc.

Tradicionalmente, el principal inconveniente de la fibra óptica era su precio, sin embargo, a día de hoy las economías de escala y experiencia acumulada, han permitido que la viabilidad económica de la fibra y los componentes ópticos sea una realidad. Aunque tender fibra hasta el hogar pueda suponer una fuerte inversión inicial en obra civil y fibra (CAPEX), ésta podrá ser rápidamente amortizada a través de la reducción de los gastos de mantenimiento (OPEX) respecto a la infraestructura actual de cobre y a los mayores ingresos por los nuevos servicios que se pueden ofrecer.

La fibra óptica está de “moda” y no deja de aparecer en la prensa diaria nacional e internacional. Los Gobiernos de todas las naciones reconocen la necesidad de desplegar redes de fibra óptica para mejorar la competitividad de sus economías. A pesar de la crisis económica, los principales operadores de telecomunicaciones del mundo, junto a municipalidades, eléctricas e incluso constructoras, han comenzado, a menor o mayor ritmo según el país, el despliegue de redes de acceso por fibra óptica. Según datos de la OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico) de Junio de 2009, el número de usuarios de banda ancha en el mundo era de 271 millones, empleando alrededor del 9% de ellos conexiones de fibra óptica FTTx. Sin embargo, la penetración por países está muy desproporcionada. Así, por ejemplo, el 51% de las conexiones de banda ancha en Japón son conexiones de fibra. Otros países destacados son Corea del Sur con un 46%, Suecia y Eslovaquia con un 21%, y Dinamarca y Noruega con un 10%. En cambio, en países como España, el porcentaje no alcanza ni el 0,3%, con tímidos despliegues comerciales de Telefónica y GIT (del Principado de Asturias, que ha construido una red abierta a otros proveedores de servicios) principalmente. Así, en España el panorama de la fibra está muy “oscuro”, siendo muchos los factores: la falta de competencia, la falta de incentivos públicos, la crisis de consumo, una regulación que no satisface a ninguno de los operadores, etc. La realidad es que la construcción de redes de fibra, además de crear muchos puestos de trabajo, ayudaría a mejorar nuestra productividad, calidad de vida y eficiencia energética.

Ofertas de fibra optica de Portugal Telecom

Figura 1: Servicios de fibra óptica con GPON de Portugal Telecom.

concepto de fttx

El acrónimo FTTx es conocido ampliamente como Fibre-to-the-x, donde x puede denotar distintos destinos. Los más importantes son:

Existen varias soluciones tecnológicas para ofrecer FTTx. Estas opciones suelen ser divididas en dos amplias categorías: PON (Passive Optical Networks), que no requieren de componentes electrónicos activos entre el usuario final y la central del operador; y ASON (Active Optical Network), donde hay instalados componentes electrónicos activos entre el usuario final y la central del operador. Las tecnologías PON (Passive Optical Networks) y, en especial GPON (Gigabit PON), son las que más atención han suscitado, pues al no requerir de dispositivos electrónicos u optoelectrónicos activos para la conexión entre el abonado y la central, suponen una inversión y unos costes de mantenimiento considerablemente menores que las tecnologías ASON.

La selección de la tecnología de fibra óptica y arquitectura adecuada depende de varios factores: disponibilidad y calidad de cobre en esa área, densidad de usuarios, estado competitivo o de colaboración con otros operadores, qué servicios y ancho de banda se quieren ofrecer, cuantía de inversión disponible y periodo de retorno aceptable, entorno regulatorio, etc.

FTTH vs FTTB

Figura 2: Escenarios de fibra óptica hasta el hogar y hasta el edificio.


Características de gpon

En la primavera de 1995, se formó el FSAN (Full Service Access Network), con el fin de promover estándares mediante la definición de un conjunto básico de requerimientos y, de este modo, mejorar la interoperabilidad y reducir el precio de los equipos PON. Las especificaciones de PON del FSAN, formado por los principales operadores y suministradores de equipos de telecomunicación y medida del mundo, reflejan las necesidades y el consenso de sus miembros, y son transmitidas al ITU-T para su estandarización. El Broadband Forum, que tradicionalmente liderada las especificaciones e interoperabilidad de las tecnologías DSL, también ha comenzado a trabajar con GPON. El ITU-T (International Telecommunications Union – Telecommunication sector) empezó a trabajar en la estandarización de GPON (Gigabit Passive Optical Network) en el año 2002.

GPON ofrece mejoras notables sobre sus tecnologías PON predecesoras, como APON (ATM PON) o BPON (Broadband PON), que ofrecían velocidades menores y estaban basadas en ATM, con el problema de costes y complejidad que ello supone. La convergencia en GPON de la voz, datos y vídeo sobre la misma infraestructura IP, significa para las operadores más ingresos, menos complejidad, más flexibilidad y capacidad para acomodar los servicios actuales y futuros con los que fidelizar a sus clientes, y menor CAPEX y OPEX.

GPON está estandarizado en el conjunto de recomendaciones ITU-T G.984.x (x = 1, 2, 3, 4, etc.). Las primeras recomendaciones aparecieron durante el año 2003 y 2004, y ha habido continuas actualizaciones y nuevas recomendaciones en años posteriores. La velocidad más utilizada por los actuales suministradores de equipos GPON es de 2,5 Gbps de bajada y de 1,25 Gbps de subida. Sobre ciertas configuraciones se pueden proporcionar hasta 100 Mbps por abonado.

La red de acceso es la parte de la red del operador más cercana al usuario final, por lo que se caracteriza por la abundancia de protocolos y servicios. El método de encapsulación que emplea GPON es GEM (GPON Encapsulation Method) que permite soportar cualquier tipo de servicio (Ethernet, TDM, ATM, etc.) en un protocolo de transporte síncrono basado en tramas periódicas de 125 ms. De este modo, GPON no sólo ofrece mayor ancho de banda que sus tecnologías predecesoras, es además mucho más eficiente y permite a los operadores continuar ofreciendo sus servicios tradicionales (voz basada en TDM, líneas alquiladas, etc.) sin tener que cambiar los equipos instalados en las dependencias de sus clientes. Además, GPON implementa capacidades de OAM (Operation Administration and Maintenance) avanzadas, ofreciendo una potente gestión del servicio extremo a extremo, como: descubrimiento de nuevos usuarios, monitorización de tasa de error, alarmas y eventos, etc. Una de las características clave de PON es la capacidad de sobresuscripción. Esto permite a los operadores ofrecer a los abonados más tráfico cuando lo necesiten y la red esté con capacidad ociosa, es decir, cuando no haya otros abonados en el mismo PON que están empleando todo su ancho de banda disponible. Esta funcionalidad es denominada ubicación dinámica del ancho de banda o DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) del PON punto a multipunto.

La red de GPON consta de un OLT (Optical Line Terminal), ubicado en las dependencias del operador, y las ONT (Optical Networking Terminal) en las dependencias de los abonados para FTTH. En las arquitecturas FTTN/B las ONT son sustituidas por MDU (Multi-Dwelling Units), que ofrecen habitualmente VDSL2 hasta las casas de los abonados, reutilizando así el par de cobre instalado pero, a su vez, consiguiendo las cortas distancias necesarias para conseguir velocidades simétricas (cada vez más importante, pues el usuario residencial se ha convertido en generador de contenidos y, además, permite la interconexión de empresas) de hasta 100 Mbps por abonado. Las empresas a las que se da servicio con GPON pueden ser equipadas con MDU que soportan puertos Gigabit Ethernet, POTS y E1. La OLT consta de varios puertos de línea GPON, cada uno soportando hasta 128 ONT (típicamente hasta 64). Aunque depende del suministrador, existen sistemas que pueden alojar más de 7.000 ONTs en el mismo espacio que un DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), el equipo de central en las tecnologías xDSL.

Arquitectura de una red GPON

Figura 3: Estructura típica de una red GPON.

Mediante un pequeño divisor pasivo (splitter) que divide la señal de luz que tiene a su entrada en varias salidas, el downstream (tráfico de bajada) originado en la OLT puede ser distribuido entre los distintos usuarios. Puede haber una serie de divisores pasivos 1 x n (donde n = 2, 4, 8, 16, 32, 64, o 128) en distintos emplazamientos hasta alcanzar los clientes. Esto es una arquitectura punto a multipunto, algunas veces descrita como una topología en árbol. Los datos upstream (tráfico de subida) desde la ONT hasta la OLT -que son distribuidos en una longitud de onda distinta para evitar colisiones en la transmisión downstream- es agregado por la misma unidad divisora pasiva, que hace las funciones de combinador en la otra dirección del tráfico. Esto permite que el tráfico sea recolectado desde la OLT sobre la misma fibra óptica que envía el tráfico downstream.

Para el tráfico downstream se realiza un broadcast óptico, aunque cada ONT sólo será de capaz de procesar el tráfico que le corresponde o para el que tiene acceso por parte del operador, gracias a las técnicas de seguridad AES (Advanced Encryption Standard). Para el tráfico upstream los protocolos basados en TDMA (Time Division Multiple Access) aseguran la transmisión sin colisiones desde la ONT o MDU hasta la OLT. Además, mediante TDMA sólo se transmite cuando sea necesario, por lo cual, no sufre de la ineficiencia de las tecnologías TDM donde el período temporal para transmitir es fijo e independiente de que se tengan datos o no disponibles.

Como se ha comentado, en una red GPON, se asigna una longitud de onda para el tráfico de datos y telefónico downstream (1.490 nm) y otra para el tráfico upstream (1.310 nm). Además, a través del uso de WDM (Wavelength Division Multiplexing), se asigna una tercera longitud de onda (1.550 nm) que está dedicada para el broadcast de vídeo RF. De este modo, el vídeo/TV puede ser ofrecido mediante dos métodos distintos simultáneamente: RF (radio frecuencia) e IPTV. Mediante RF las operadoras de cable –como ONO en España- pueden hacer una migración gradual hacia IPTV. En este caso, las ONT dispondrán de una salida para vídeo RF coaxial que irá conectada al STB (Set-Top-Box) tradicional. Con IPTV la señal de vídeo, que es transformada por la cabecera en una cadena de datos IP, se transmite sobre el mismo enlace IP como datos de una mayor prioridad al tráfico de Internet. El STB conectado mediante Gigabit Ethernet al ONT o al RG (Remote Gateway) –pasarela residencial-, convertirá de nuevo la cadena de datos IP en una señal de vídeo. Mediante GPON, cuyos equipos incorporan avanzadas capacidades de QoS y multicast  IP avanzadas, los operadores pueden ofrecer varios canales IPTV de alta calidad de imagen y sonido, incluidos HDTV, así como proporcionar servicios interactivos y personalizados.

Trafico en GPON

Figura 4: Funcionamiento de GPON.

GPON respecto a EPON

GPON es la tecnología preferida en Norte América, Latinoamérica, Europa, India y Singapur. En Norteamérica los operadores empezaron hace unos años a desplegar sistemas BPON, pero ya han comenzado la migración a GPON. EPON tiene un gran éxito en Japón y Corea del Sur, donde ha sido desplegado masivamente. En China, Hong Kong y Taiwan se están utilizando ambas tecnologías. GPON, aunque cuenta con menor número de líneas desplegadas actualmente, es seleccionado por cada vez más operadores, por ofrecer mayores funcionalidades estándar de gestión de la calidad de servicio, seguridad, gestión dinámica del ancho de banda, etc.

EPON (Ethernet PON) –también conocido como GEPON- fue definido en la IEEE 802.3ah en 2004, unos meses después de GPON, por el grupo EFMA (Ethernet First Mile Alliance) del IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Como se puede observar, ambas tecnologías han sido estandarizadas por grupos distintos, EPON es del IEEE y GPON de la ITU-T. Otra diferencia clave es que EPON se basa en Gigabit Ethernet frente a GPON, que se basa en GEM.

La menor complejidad y coste de Gigabit Ethernet, permitió a los suministradores de equipos EPON lanzar rápidamente equipos a precios más competitivos que GPON. Sin embargo, actualmente el coste es muy similar y las mayores economías de escala esperadas en GPON durante los próximos años, convertirán a GPON en una tecnología económicamente aún más competitiva.

GPON ofrece notables ventajas respecto a EPON para los operadores de telecomunicaciones. Por ejemplo, además de transportar tráfico de datos nativo, GPON también es capaz de transportar eficientemente y con altas calidades de servicio otros servicios. La gestión y operación y mantenimiento en GPON está estandarizada, empleando los protocolos PLOAM y OMCI. En EPON se emplea Ethernet OAM, por lo cual, las capacidades son muy inferiores y existen muchas adaptaciones propietarias. Así mismo, la velocidad de línea es más baja en EPON, con 1,25 Gbps simétricos, y la eficiencia es también mucho más baja que la de GPON debido a una codificación de línea con mayor sobrecarga y mayores tiempos de guarda. Esto hace que el ancho de banda útil sea mucho mayor en GPON que en EPON, pudiendo así ofrecer un mejor servicio al usuario a un coste menor.

EPON ofrece además menos garantías de evolución futura. Hay muchos más miembros importantes de la industria en el FSAN, que los del IEEE EFMA. Es decir, hay mucho más respaldo de la industria de fabricantes de componentes y sistemas y de operadores, lo cual augura un mayor éxito de la tecnología. El IEEE no ha definido oficialmente una guía para alcanzar la interoperabilidad ni ha dirigido eventos de interoperabilidad, por lo cual, el grado de interoperabilidad es muy bajo.

Una ventaja de EPON respecto a GPON es que ha sido mucho más rápido en la estandarización de su nueva generación, disponible como IEEE 802.3av desde septiembre de 2009. 10 GEPON es compatible hacia atrás con EPON y ofrece dos alternativas: asimétrica -operando a 10 Gbps downstream y 1 Gbps upstream- y simétrica -operando a 10 Gbps en ambos sentidos-.

GPON respecto a P2P Ethernet

EFM (Ethernet First Mile) es la solución predilecta por municipios, eléctricas o constructoras, que han sido los pioneros en la construcción de redes ópticas en el Norte de Europa.

Ethernet FTTH activo se basa en switches Ethernet para transportar a alta velocidad voz, datos y vídeo a casas individuales o edificios de viviendas u oficinas. Existen implementaciones donde los switches (conmutadores) no tienen por qué estar en cabinas en la calle, sino que pueden estar ubicados en las centrales del operador con una fibra óptica enlazando a cada uno de los abonados. Ethernet activo suele asociarse a la arquitectura donde los switches están en la calle y Ethernet P2P (point to point) a aquella en la que el equipamiento activo está sólo en las centrales. De estas dos variaciones, la más popular es Ethernet P2P, que tiene un red de distribución óptica pasiva.

Existen varias razones que hacen Ethernet P2P muy atractivo, como: los mayores anchos de banda -100 Mbps o 1,25 Gbps dedicados a cada usuario-, la sencillez y conocimiento del protocolo Ethernet, la facilidad en crear una red de acceso abiertas donde realizar “unbundling” -el cambio del usuario de un operador a otro-, la mayor sencillez para establecer calidades de servicio y, finalmente, la seguridad -sin necesidad de encriptación- puesto que las fibras no están compartidas.

Pero Ethernet también cuenta con desventajas respecto a las redes PON, siendo la principal el coste, por el hecho de tener que desplegar una fibra hasta cada abonado y de tener que utilizar más equipamiento activo -es necesario un puerto por fibra-. El mayor equipamiento activo supone más espacio en las centrales y un mayor consumo eléctrico para el operador.

NGN PON

Para que una tecnología tenga éxito, debe adaptarse a los requerimientos futuros. Por ejemplo, este ha sido el caso de ADSL, donde han ido apareciendo tecnologías compatibles hacia atrás pero que mejoraban las anteriores, como ADSL2, ADSL2+ o VDSL2. GPON, por supuesto, ofrece también este mecanismo de evolución, reutilizando la mayor parte de la red de distribución óptica u ODN (Optical Distribution Network).

Existen varias propuestas y caminos de evolución a las siguientes tecnologías PON, conocidas por NG-PON (Next Generation PON), aunque GPON será probablemente la tecnología de acceso dominante durante los próximos 3-5 años. El principal requisito de las NG-PON es incrementar el ancho de banda y alcance de GPON, reutilizando al máximo la red pasiva instalada, pues su coste supone alrededor 75-85% del coste de servicios de despliegue de red, obra civil y equipamiento pasivo.

Dentro de NGN PON se diferencia entre XG-PON y WDM-PON:

Estructura tipica de una red WDM PON

Figura 5: Estructura típica de una red WDM PON.

Beneficios de la fibra óptica

La fibra proporcionará grandes beneficios para los usuarios del hogar digital. Además de acceso a más y mejores servicios (juegos en red, compartición de contenidos, control remoto de los dispositivos del hogar, videoconferencia IP, teletrabajo, telemedicina, teleasistencia, etc.), favorecerá el que haya varios dispositivos interconectados entre sí –mediante protocolos como DLNA (Digital Living Network Alliance)- y conectados simultáneamente a Internet, sin disminución de ancho de banda o calidad. El considerable incremento del ancho de banda de subida respecto a las tecnologías de cobre asimétricas, permitirá por ejemplo, acceder a los vídeos grabados por una cámara IP con alta definición a una velocidad mucho mayor que con otras tecnologías. La fibra óptica es además el único medio capaz de soportar una oferta de televisión sobre IP realmente atractiva para los usuarios, con grandes ventajas respecto a la TDT (Televisión Digital Terrestre) o la televisión por satélite:

Servicios avanzados de telecomunicaciones en el hogar digital

Figura 6: Servicios avanzados de telecomunicaciones en el hogar digital.

La fibra, aunque requiere una fuerte inversión a corto plazo, también es muy beneficiosa para los operadores. La mayor parte de la inversión corresponde a obra civil, pero ésta se puede minimizar –dependiendo de la regulación del país y operador en cuestión- a partir de redes abiertas (open access), tendidos aéreos en vez de subterráneos, soluciones de fibra “soplada” (blow fibre), soluciones de fibra insensible a curvaturas (bend-insensitive fibre), etc.

La competencia en servicios de telecomunicaciones no ha parado de crecer en los últimos y, por ello, los operadores tienen una serie de retos para hacer exitoso su negocio y la banda ancha por fibra óptica puede ayudar en todos ellos:

Además de los nuevos servicios para usuarios finales y el aumento de ingresos para los operadores, la banda ancha es muy importante para la sociedad. Algunos ejemplos son:


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