Año 17 • Número 67 • Julio de 2004


TELECOMUNICACIONES

Radio sobre fibra

Gabriel Campuzano


Recientemente, un número considerable de países ha estado liberalizando sus mercados de telecomunicaciones. La fuerte competencia en estos mercados hace que las operadoras modernicen su infraestructura con énfasis particular en satisfacer las necesidades crecientes de ancho de banda de pequeñas empresas y abonados residenciales. Tradicionalmente, las redes telefónicas estaban operadas por compañías telefónicas. Nuevas competidoras son empresas de televisión por cable y operadoras de servicios inalámbricos. La economía envolvente del mercado de telecomunicaciones agrupa a los tres tipos de competidores para que, a corto plazo, modernicen su infraestructura existente. Como resultado, muchas de las mejoras realizadas hasta el momento no son compatibles entre ellas y además, no permiten aplicaciones que requieren ancho de banda amplio.
Por un lado, se busca conectividad para el mayor número de usuarios a bajo costo e interconectividad relativamente sencilla entre diferentes redes con el fin de hacerlas compatibles. Por otro lado, se desea trazar un camino óptimo para que la infraestructura de telecomunicaciones existente evolucione hacia más altas velocidades permitiendo aplicaciones de ancho de banda amplio. El tema de este artículo se centra en este último objetivo y, particularmente, en un sistema de telecomunicaciones híbrido conocido como radio sobre fibra, el cual, además de permitir aplicaciones de ancho de banda amplio en la red de acceso, abre brecha para nuevos servicios y mercados. En primer lugar se describirá la arquitectura de esta red para comprender la asociación entre técnica y aplicaciones potenciales las cuales posteriormente se sondearán para justificar la necesidad de una infraestructura avanzada de telecomunicaciones.


Radio sobre fibra


Las generaciones futuras de redes de acceso inalámbrico operarán en la banda milimétrica (> 30 gigahertz [GHz] = 1 X 109 Hz) con el fin de aumentar simultáneamente el ancho de banda disponible y el número máximo de usuarios por área. En estas frecuencias, la atenuación atmosférica se agrega a la divergencia del espacio dando como resultado células mucho más ortogonales y reducidas en área. Por ello, a este tipo de redes se le ha llamado micro (diámetro < 1 km) o picocelulares (diámetro < 100 m). Lo anterior implica ventajas sustancialmente importantes como: más usuarios por área, un factor de reutilización de frecuencia elevado e interferencias reducidas. Sin embargo, será necesario un gran número de estaciones de base para cubrir una cierta área [1]. Para que el despliegue de una tal red sea entonces económicamente viable, el costo de cada estación de base debe ser lo más bajo posible. Además, la transmisión de microondas en la banda milimétrica a través de líneas clásicas (cables coaxiales, guías de onda, etc.) está limitada a sólo algunas decenas de metros debido a la atenuación y al factor de ruido de dispositivos de microondas. La solución más atractiva para superar estas dificultades es recurrir al transporte de microondas por fibra óptica [2] aprovechando su ancho de banda amplio (terahertz [THz] = 1 X 1012 Hz) y su baja atenuación. Como se verá a continuación, el transporte de radio sobre fibra permite adicionalmente generar radiofrecuencias de una manera centralizada y controlar a distancia las características espectrales de estas portadoras de radio, lo que simplifica sustancialmente el equipo requerido en las estaciones de base. Es decir, no es necesario incluir equipo complejo y costoso como osciladores y moduladores de microondas en la estación de base.


En la Figura 1 se muestra la arquitectura básica de una red híbrida.

Una estación de control se encarga de alimentar todas las estaciones de base dentro de una región transmitiendo señales ópticas por fibra que contienen los datos deseados y las portadoras de frecuencias requeridas. En la línea de transmisión óptica es necesario amplificar las señales para compensar las pérdidas de los divisores de potencia y, por ello, se ha incluido los amplificadores ópticos fibrados dopados de erbio (Ebrium-doped fiber amplifier, EDFA). Cada estación de base da servicio a todas las estaciones móviles dentro de su célula vía una transmisión inalámbrica. En realidad, este tipo de arquitectura se puede utilizar tanto p ara aplicaciones que requieren movilidad como para aplicaciones de acceso fijo.

Dada la ley cuadrática de la detección óptica, es decir, que la corriente generada en un fotodetector es proporcional a la intensidad de la luz incidente, la manera más sencilla de generar ópticamente radiofrecuencias es mediante la modulación directa de láseres de semiconductores. Desafortunadamente, esta técnica tiene el inconveniente que la frecuencia máxima de modulación está limitada a valores inferiores a los 30 GHz porque la banda pasante de los láseres de semiconductores está acotada por las oscilaciones de relajación. Dicho de otra manera, los procesos interbanda en los láseres de semiconductores, como es la generación de fotones por recombinación de pares electrón/hueco, son procesos lentos que tienen un tiempo de respuesta en el orden de nanosegundos.

La mezcla heterodina1 de señales ópticas correlacionadas en fase [3] constituye una solución técnica elegante que permite generar frecuencias desde algunos gigahertz hasta varios terahertz reduciendo el costo de las estaciones de base. La técnica consiste en transmitir dos señales ópticas por una misma fibra donde la diferencia de longitudes de onda corresponde a la radiofrecuencia deseada.


La Figura 2a muestra el esquema de funcionamiento de la técnica, donde se puede apreciar que las señales ópticas a las frecuencias f1 y f2 sufren un retraso relativo de fase debido a la diferencia de caminos ópticos y otro retraso más debido a la dispersión cromática de la fibra. Esto último ocurre debido a que diferentes longitudes de onda dentro de una fibra viajan a diferentes velocidades por la dependencia del índice de refracción de la fibra en la frecuencia de la señal transmitida. El retraso debido a la diferencia de caminos ópticos puede ser negativo o positivo dependiendo de si se opone o no al retraso debido a la dispersión cromática. Consecuentemente, para una distancia de transmisión y una frecuencia de portadora deseada, la dispersión cromática puede ser compensada estableciendo una diferencia de caminos ópticos apropiada. Resulta que si el retraso diferencial de fase total, o sea, la suma de ambos retrasos, es igual a cero, se obtiene una señal de radiofrecuencia espectralmente muy pura (caso iii). Si el retraso diferencial es muy grande se obtiene una señal lorentziana2 cuyo ancho de línea es igual a la suma de los anchos de línea de cada señal óptica. Finalmente, para valores intermediarios del retraso (caso ii) se obtiene una lorentziana modulada por una sinosoidal amortiguada. Entre más pura sea la señal generada más fácil se hace la tarea de diseñar un sistema de transmisión sin errores.

Debido a la naturaleza ruidosa de los láseres de semiconductores, obtener una correlación de fase entre dos señales representa un reto tecnológico importante. Durante el desarrollo de la tesis doctoral del autor en la École Nationale Supérieure des Télécommunications en París, Francia, se diseñó y caracterizó una fuente óptica capaz de generar señales ópticas correlacionadas en fase [4]. Esta correlación de fase necesaria entre las señales ópticas se obtiene mediante la sincronización de dos “láseres de semiconductores esclavos” (LE1 y LE2) sobre diferentes bandas de modulación de un “láser maestro” (LM) modulado directamente.



La Figura 2b muestra el esquema experimental implementado, donde la luz emitida por el LM es inyectada a la cavidad del LE1 y LE2 para lograr la sincronización. Un control preciso de la temperatura y de la corriente de los láseres permite igualar las frecuencias de emisión de los “láseres esclavos” a las bandas de modulación de LM. Los resultados obtenidos en la generación de microondas presentan propiedades espectrales superiores a los métodos clásicos de osciladores de microondas. En particular se obtuvieron anchos de línea inferiores al Hertz, lo que demuestra la viabilidad de la técnica. Para transmitir datos, simplemente se modula uno de los láseres esclavos con la señal eléctrica que contiene la información. Esta técnica permite tener estaciones de base extremadamente simples. Prácticamente, sólo se requiere de un fotodiodo rápido para detectar las señales ópticas, un filtro y una antena para la transmisión inalámbrica.


Aplicaciones de radio sobre fibra


La técnica de radio sobre fibra tiene diversas aplicaciones potenciales y no solamente para una red de acceso a ancho de banda amplio. Por ejemplo, en radio-astronomía, nuevos telescopios terrestres funcionan en la banda milimétrica y submilimétrica con el fin de estudiar, entre otras cosas, la juventud del universo, la química del carbono, la formación de estrellas, etcétera. Estos telescopios consisten en una red de muchas antenas separadas varios kilómetros entre sí para hacer mediciones interferométricas con el fin de aumentar la sensibilidad y así, la distancia máxima observable. La información detectada por todas las antenas debe de ser reunificada y analizada de una manera centralizada por lo que su interconexión óptica es el medio óptimo dadas las distancias y las bandas de frecuencias utilizadas. No se trata de otra cosa más que de la técnica descrita de radio sobre fibra.

También es importante mencionar, aunque parezca algo futurista, un sistema de radio sobre fibra aplicado al control de tráfico vehicular que evitaría los accidentes. Por ejemplo, para cubrir Tokio se requieren cinco mil estaciones de base localizadas en puntos claves (en cada semáforo). Una computadora central controlaría la posición y velocidad de cada vehículo que circula por una ciudad.

Las estaciones de base y la estación de control se conectan mediante fibra óptica. Las estaciones móviles instaladas en cada vehículo transmiten información precisa del destino deseado, de su velocidad y su posición a la estación de base que le corresponde dependiendo de la zona donde se encuentre. Entonces, la computadora central, como tiene información de todo el tráfico de la ciudad, controla remotamente cada vehículo. Para aumentar la seguridad el mismo sistema de radio sobre fibra puede ser también utilizado como radar. Para garantizar el éxito de un sistema como el descrito se requiere de suficiente poder de cómputo y que todos los vehículos dentro de la ciudad estén suscritos al sistema.

En lo que concierne a la aplicación de radio sobre fibra a la red de acceso, para que las empresas justifiquen una inversión grande en infraestructura para proveer a escala masiva acceso a ancho de banda amplio se han buscado aplicaciones que realmente cambien el modo de vida de las personas y organizaciones. Esta búsqueda por la killer app3 no ha producido resultados determinantes. Diferentes expertos en el área opinan que no será una sola aplicación la que destaque y cambie el modo de vida de los suscriptores sino una combinación de muchas de ellas. Por otro lado, el desarrollo de aplicaciones innovadoras que requieren ancho de banda amplio para un sistema de múltiples usuarios no ha sido productivo quizá porque no hay acceso a ancho de banda amplio. Es “el problema del huevo y de la gallina”, teniendo ancho de banda amplio se pueden desarrollar y probar nuevas aplicaciones que actualmente son difíciles de imaginar.

Sin embargo, actualmente se transfieren gran cantidad de datos a través de redes comerciales por razones de publicación o vídeo-conferencias. En el futuro próximo, el envío de CDs y documentos por correo tradicional será reemplazado por transferencia de datos en redes digitales. En general, existen muchas formas de clasificar la información que requieren redes de alta velocidad. Cuatro de éstas son: transferencia de imágenes, comunicación de datos, correo electrónico y servicios bajo demanda [5]. La transferencia de imágenes incluye aplicaciones como el vídeo-teléfono, vídeo-conferencias y vídeo-vigilancia. La comunicación de datos sirve, entre otras cosas, para establecer conexiones LAN (Local Area Network), conexiones CAD/CAM, transferencia de archivos y acceso a servidores de aplicaciones. Los mensajes y correo electrónico tendrán contenido como vídeo-correos, documentos extensos e intercambio de programas de televisión. Algunos servicios bajo demanda son la tele-educación, transmisión de canales de radio y TV, el acceso a bases de datos y periódicos digitales. Todas estas aplicaciones, aunque no sean realmente nuevas, podrán generalizarse mediante redes de acceso de alta velocidad, como la de radio sobre fibra, presentada aquí.


Conclusión


En general, la perspectiva del usuario final en la red de acceso puede ser descrita como la transmisión y recepción de señales a ancho de banda amplio (incluyendo voz, vídeo y datos) sin importar el lugar, el tiempo y el emisor/receptor. La red de acceso híbrida (óptica/inalámbrica) radio sobre fibra es una alternativa atractiva por su bajo costo de despliegue y el ancho de banda amplio (~155 megabits/segundo [Mb/s, 1 X 106 b/s) disponible por usuario. Además resulta ser un paso intermediario para una red completamente óptica que permitirá un ancho de banda por usuario mucho mayor (~1-2 gigabits/segundo [Gb/s, 1 X 109 b/s]).

En diversos estudios del sector de telecomunicaciones se ha encontrado una correlación entre el Producto Interno Bruto (PIB) per cápita de una región y el grado de sofisticación de la infraestructura de telecomunicaciones con que cuenta la región. Aparentemente, una red de acceso a ancho de banda amplio y con gran penetración de mercado estimula el crecimiento económico de la región en todas las áreas. Por esto es importante contar con una infraestructura de acceso a ancho de banda amplio por medio del cual la búsqueda de aplicaciones nuevas se facilitará y no se limitará para servir al sector de telecomunicaciones únicamente, sino a beneficiarse de la evolución de la forma de vivir y trabajar de las personas y organizaciones.


Notas


1. Mezcla heterodina: Es la combinación de dos señales de diferente frecuencia.
2. Señal lorentziana: Es la señal de mayor pureza espectral físicamente realizable. Su espectro es proporcional a 1 / (1 + f 2).
3. Killer app: Killer application. En el sector de las telecomunicaciones es un término usado comúnmente para referirse a una sola aplicación que hará evolucionar la forma de comunicarse. Por ejemplo, las killer app de Internet fueron el correo electrónico y el web browser. No se ha identificado todavía un killer app para acceso a ancho de banda amplio.
Referencias
[1] H. Schmuck, R. Heidemann, R. Hofstetter, “Distribution of 60 GHz signals to more than 1000 base stations”, Electronic Letters, vol. 30, pp. 59-60, 1994.
[2] L. Goldberg, R.D. Esman, K.J. Williams, “Optical techniques for microwave generation, transmission and control”, Internation Microwave Symposium Digest, IEEE MTT-S, vol. 1, pp. 229-232, 1990.
[3] L. Goldberg, H.F. Taylor, J.F. Weller, D.M. Bloom, “Microwave signal generation with injection locked laser diodes”, Electronic Letters, vol. 19, pp. 491-493, 1983.
[4] G. Campuzano and P. Gallion, “Influence of the locking characteristics on signal to noise ratio of optically generated microwave using the sideband injection locking technique”. Conference on Lasers and Electro-optics CLEO Europe 2003, Paper CJ2-5, Munich, Germany, 23-27 June 2003.
[5] O. Golda, “Interactive broadband applications, the role of IN”, Intelligent Network Workshop, IN’96, IEEE, 1996
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Gabriel Campuzano obtuvo el grado de Doctor en Telecomunicaciones Ópticas de École Nationale Supérieure des Télécommunications de París, Francia en 2003. Es profesor del Centro de Electrónica y Telecomunicaciones en la línea de investigación de Telecomunicaciones ópticas y microondas. Correo electrónico: campuzano@itesm.mx




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