Red de Transporte

Evelio Martínez Martínez
Publicado en la Revista RED en la edición especial
"El ABC de las Telecomunicaciones", Diciembre del 2002

Introducción

Las redes de transporte juegan un papel muy importante en las telecomunicaciones de la actualidad, son las encargadas del envío y multicanalización de diversos tipos de información en diferentes formatos tanto analógicos como digitales. Su evolución ha sido gradual, desde las primeras redes analógicas, las digitales, hasta las redes ópticas. Así tenemos las redes como E1/T1 y ISDN basadas en líneas de cobre, así como las redes de transporte basadas en fibras ópticas como ATM, B-ISDN o SONET/SDH, tecnologías que se describirán más adelante.

Transmisión analógica y digital

Antes de explicar las redes de transporte explicaremos los tipos de transmisión, ésta puede ser de dos tipos, transmisión analógica y transmisión digital.

La transmisión analógica se caracteriza por utilizar formas de onda que continuamente varían su amplitud o frecuencia. La frecuencia de las señales analógicas son medidas en Hertz (Hz) o ciclos por segundo. El rango de frecuencias es llamado ancho de banda y la calidad de la señal es medida en términos de la relación señal a ruido (SNR, Signal to Noise Ratio). Entre mayor sea el nivel de SNR (en decibeles o potencia en Watts), mayor será la calidad de la información; cuidar este parámetro es muy importante debido a que las señales de tipo analógico se degradan conforme los niveles de ruido aumentan.

Por otro lado la transmisión digital es mucho más simple que la analógica. Una señal analógica es representada por valores binarios discretos (0s y 1s), los cuales son generados por una combinación de voltajes altos y bajos o por pulsos de apagado y encendido. La calidad de la señal es medida en tasas de error de bit (BER, Bit Error Rate) o por la probabilidad de error (Pe). La transmisión digital tiene más ventajas que la analógica debido a que pueden manipularse más fácilmente (e.g. codificación, modulación, multicanalización, compresión, etc), por tal motivo la tendencia de las redes de la actualidad es la digitalización gradual de sus sistemas.

Técnicas básicas de multicanalización

La multicanalización es la técnica que se utiliza para transmitir varias fuentes de información — dígase voz, datos, vídeo— sobre un mismo canal de comunicación. El multicanalizador, frecuentemente llamado mux, es un equipo de comunicación utilizado para este propósito. La principal ventaja de la multicanalización es la de reducir los costos de la red al minimizar el número de enlaces de comunicación entre dos puntos. Los multicanalizadores de la actualidad tienen cada vez más inteligencia, y la adicional inteligencia brinda más beneficios.

Existen varias técnicas de multicanalización que incluyen FDM (Frequency Division Multiplexing, multicanalización por división de frecuencias), TDM (Time Division Multiplexing, multicanalización por división de tiempo), STDM (Statistical Time Division Multiplexing, multicanalización estadística por división de tiempo) y tantas otras más como multicanalización inteligente, multicanalización inversa, WDM (Wavelenght Division Multiplexing) y DWDM ( WDM Denso). A continuación se describen las técnicas FDM, TDM y WDM, así como los beneficios de la multicanalización.

FDM

FDM es un ambiente en el cual toda la banda de frecuencias disponible en el enlace de comunicaciones es dividida en subbandas o canales individuales. Cada usuario tiene asignada una frecuencia diferente. Las señales viajan en paralelo sobre el mismo canal de comunicaciones, pero están divididos en frecuencia, es decir, cada señal se envía en una diferente porción del espectro. Como la frecuencia es un parámetro analógico, por lo regular el uso de está técnica de multicanalización es para aplicaciones de televisión. Las compañías de televisión por cable utilizan esta técnica para acomodar su programación de canales.

TDM

TDM es la segunda técnica de multicanalización que apareció en el mercado después de la aparición de FDM. Un multicanalizador basado en TDM empaqueta un conjunto de información (tramas de bits) de diferentes fuentes en un solo canal de comunicación en ranuras de tiempo diferentes. En el otro extremo estas tramas son otra vez reensambladas (desmulticanalizadas) y llevadas a su respectivo canal. Debido a que los mux TDM manejan tramas de bits, son capaces de comprimir la información al eliminar redundancias en los paquetes, muy útil en el caso de aplicaciones de voz. La primer aplicación de TDM en telefonía fue en 1962 al introducirse el sistema digital T1.

WDM

Esta técnica conceptualmente es idéntica a FDM, excepto que la multicanalización y involucra haces de luz a través de fibras ópticas. La idea es la misma, combinar diferentes señales de diferentes frecuencias, sin embargo aquí las frecuencias son muy altas (1x1014 Hz) y por lo tanto se manejan comúnmente en longitudes de onda (wavelenght). WDM, así como DWDM son técnicas de multicanalización muy importantes en las redes de transporte basadas en fibras ópticas.

En resumen, los multicanalizadores optimizan el canal de comunicaciones, son pieza importante en las redes de transporte y ofrecen las siguientes características:

  • Permiten que varios dispositivos compartan un mismo canal de comunicaciones
  • Útil para rutas de comunicaciones paralelas entre dos localidades
  • Minimizan los costos del comunicaciones, al rentar una sola línea privada para comunicación entre dos puntos
  • Normalmente los multicanalizadores se utilizan en pares, un mux en cada extremo del circuito
  • Los datos de varios dispositivos pueden ser enviados en un mismo circuito por un mux. El mux receptor separa y envía los datos a los apropiados destinos
  • Capacidad para compresión de datos que permite la eliminación de bits redundantes para optimizar el ancho de banda.
  • Capacidad para detectar y corregir errores entre dos puntos que están siendo conectados para asegurar que la integridad y precisión de los datos sea mantenida.
  • La capacidad para administrar los recursos dinámicamente mediante con niveles de prioridad de tráfico.

Estructuras de multicanalización

El desarrollo de los sistemas de transmisión digital empezó a principios de los años 70s, y fueron basados principalmente en el método de modulación que ha predominado hasta nuestros tiempos, PCM (Pulse Code Modulation).

A principios de los 80s los sistemas digitales se hicieron cada vez más complejos, tratando de satisfacer las demandas de tráfico de esa época. La demanda fue tal alta que en Europa se tuvieron que aumentar las jerarquías de tasas de transmisión de 140 Mbps a 565 Mbps. El problema era el alto costo del ancho de banda y de los equipos digitales. La solución era crear una técnica de modulación que permitiera la combinación gradual de tasas no síncronas (referidas como pleosiocronos), lo cual derivó al término que conocemos hoy en día como PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

 

La redes de transporte de la actualidad incluyen dos principales infraestructuras. La PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) y las SDH/SONET (Synchronous Digital Hierarchy/Synchronous Optical Network). La infraestructura PDH es conocida ampliamente por los estándares de transmisión de banda amplia T1, E1 y J1. La segunda infraestructura, SDH/SONET, son definidas por la ITU-T (International Telecommunications Union ? Telecommunications Sector) y por la ANSI (American National Standards Institute) respectivamente. Juntas la SDH/SONET son la segunda jerarquía digital, la cual está basada en infraestructura física de fibras ópticas.

Tanto PDH y SDH/SONET son modelos de redes de conmutación de circuitos basados en voz que transportan millones de circuitos entre varios puntos de conmutación.

La infraestructura PDH

PDH define un conjunto de sistemas de transmisión que utiliza dos pares de alambres (uno para transmitir, otro para recibir) y un método de multicanalización por división de tiempo (TDM) para interpolar múltiples canales de voz y datos digital.

Plesiocrono se origina del griego plesio ("cercano" o "casi") y cronos ("reloj"), el cual significa que dos relojes están cercanos uno del otro en tiempo, pero no exactamente el mismo. Contrasta con isocronos, el cual significa "mismo reloj".

Existen tres conjuntos diferentes de estándares PDH utilizados en las telecomunicaciones mundiales.

T1, el cual define el estándar PDH de Norteamérica que consiste de 24 canales de 64 Kbps (canales DS-0) dando una capacidad total de 1.544 Mbps. También están disponibles T1s fraccionales.

E1, el cual define el estándar PDH europeo — definido por la ITU-T— pero que es utilizado en el resto del mundo, incluyendo México. E1 consiste de 30 canales de 64 Kbps (canales E0) y 2 canales reservados para la señalización y sincronía, la capacidad total nos da 2.048 Mbps. Pero también están disponibles E1s fraccionales.

J1, el cual define el estándar PDH japonés para una velocidad de transmisión de 1.544 Mbps consistente de 24 canales de 64 Kbps (canales DS-0), aunque también están disponibles J1 fraccionales. La longitud de la trama del estándar J1 es de 193 bits (24 x 8 bit, canales de voz/datos más un bit de sincronización), el cual es transmitido a una tasa de 8000 tramas por segundo. Así, 193 bits/trama x 8000 tramas/segundo = 1,544,000 bps o 1.544 Mbps.

Pero así como PDH fue un parteaguas en los sistemas de transmisión, tiene muchas debilidades, algunas de ellas son las siguientes:

  • No existe un estándar mundial en el formato digital, existen tres estándares incompatibles entre sí, el europeo, el estadounidense y el japonés.
  • No existe un estándar mundial para las interfaces ópticas. La interconexión es imposible a nivel óptico.
  • La estructura asíncrona de multicanalización es muy rígida
  • Capacidad limitada de administración

Debido a las desventajas de PDH, era obvia una nueva técnica de multicanalización, nace así SONET/SDH.

La infraestructura SONET/SDH

SONET es el estándar norteamericano (Estados Unidos/Canadá) de transmisión de fibra óptica, mientras que SDH es el estándar europeo. Los sistemas de transmisión SONET/SDH son diseñados para sobrellevar las deficiencias de compatibilidad de los sistemas de transmisión PDH. La estructura escalable de SDH/SONET permite también la incorporación de otras tecnologías de redes ópticas y de banda ancha.

Los niveles de servicio de SDH/SONET incluyen:

  • OC (Optical Carrier): define las velocidades de transmisión de SONET para señales ópticas en incrementos de 51.84 Mbps
  • STS (Synchronous Transport Signal): define las velocidades de transmisión de SONET para señales eléctricas en incrementos de 51.84 Mbps
  • STM (Synchronous Transport Mode): define las velocidades de transmisión de SONET para señales eléctricas y ópticas en incrementos de 155.52 Mbps

    Algunas de las ventajas de SDH son las siguientes:

    • Primer estándar mundial en formato digital
    • Primer interface óptica
    • La compatibilidad transversal reduce el costo de la red
    • Estructura de multicanalización síncrona flexible
    • El número reducido de interfaces espalda con espalda mejora la confiabilidad y desempeño de la red
    • Capacidad poderosa de administración
    • Compatibilidad hacia adelante y hacia atrás

      SDH y SONET le brindan a los PST (proveedores de servicios de telecomunicaciones) más ancho de banda para transportar tráfico de voz y datos que la tecnología PDH. La tasa de transmisión base para SONET es 51 Mbps. STS-n se refiere a la señal de SONET en el dominio del tiempo y OC-n se refiere a la señal en el dominio óptico. La tasa base para SDH es 155 Mbps. STM-n se refiere a la señal SDH en ambos dominios, tiempo y óptico [ver tabla 1].

      Tabla 1. Equivalencias en tasas de transmisión entre SONET y SDH
      SONET SONET SDH Ambos
      STS OC STM Tasa (Mbps)
      STS-1 OC-1 N/D 51.84
      STS-3 OC-3 STM-1 155.52
      STS-12 OC-12 STM-4 622.08
      STS-48 OC-48 STM-16 2,488.32
      STS-192 OC-192 STM-64 9,953.28
      STS-768 OC-768 STM-256 39,813.12

      En lo que respecta a la disponibilidad, los enlaces de las redes basadas en SONET/SDH son altamente seguros. Debido a que su topología es de anillo, existen enlaces redundantes que en caso de que una fibra se corte, la ruta de transmisión seguirá funcionando con el enlace de respaldo y la comunicación será restaurada nuevamente dentro de un margen de 50 milisegundos.

      La especificación SONET/SDH define el formato de trama, el método de multicanalización y sincronización entre el equipo, así como la especificación de la interface óptica. Una red de transmisión SONET/SDH está compuesta de varios equipos de telecomunicaciones [ver figura 1], algunos de los más importantes se enuncian a continuación:

      • Multicanalizador Terminal (TM, Terminal Multiplexer)
      • Multicanalizador de inserción/remosión (ADM Add-drop Multiplexer)
      • Repetidor/Regenerador
      • Sistema digital de conexión cruzada (DCS, Digital Cross-Connect)

        ISDN

        La red digital de servicios integrados (ISDN, Integrated Services Digital Network) provee acceso a servicios de red de cobertura amplia (WAN, Wide Area Network) sobre redes de conmutación de circuitos basados en líneas de cobre. Utiliza canales de 64 Kbps para voz y datos, los cuales son llamados canales B (bearer channel). La señalización es enviada en un canal separado llamado canal D (delta channel). Existen dos versiones de ISDN

        • Tasa de Interface Básica (BRI, Basic Rate Interface): Esta versión es utilizada para acceso WAN a pequeñas empresas y usuarios residenciales para proveer servicios de voz, datos, fax y acceso a Internet. ISDN BRI provee 2 canales B de 64 Kbps y un canal D de 16 Kbps (2B + D), los canales B pueden ser combinados para proveer su máxima capacidad de 128 Kbps.
        • Tasa de Interface Primaria (PRI, Primary Rate Interface): Esta versión es utilizada para proveer acceso WAN a grandes empresas, servicios de voz, datos, fax, videoconferencia, Internet a altas velocidades pueden ser soportados. Existen dos versiones de ISDN PRI en el mundo
        • En Norteamérica (Canadá/EUA), ISDN PRI provee 23 canales B de 64 Kbps cada uno y un canal D de 64 Kbps (23B +D) para adaptarse a la capacidad del formato T1 de 24 canales.
        • En Europa y el resto del mundo, ISDN PRI provee 30 canales B de 64 Kbps cada uno y un canal D de 64 Kbps (30B +D) para adaptarse a la capacidad del formato E1 de 30 canales.

          B-ISDN

          La red digital de servicios integrados de banda amplia (B-ISDN, Broadband Integrated Services Digital Network) está diseñada para operar sobre una infraestructura de telecomunicaciones basada en sistema de fibra óptica. Aunque inicialmente fue propuesta como una extensión de ISDN, finalmente la ITU-T definió una serie de estándares para la integración de servicios de voz, datos y video a altas velocidades de hasta 155 Mbps utilizando enlaces SONET/SDH y servicios de conmutación ATM (Asynchronous Transfer Mode). Aunque B-ISDN es totalmente dependiente de los enlaces de fibra óptica, esta tecnología no ha sido ampliamente implementada a la fecha.

          ATM converge a SONET/SDH

          La tecnología de transporte de capa física como ATM (Asynchronous Transfer Mode) está convergiendo hacia SONET/SDH, con STS-3 y STM-1 respectivamente. Debido a que ATM provee multicanalización, la carga útil total del STS-3 puede ser usado para el transporte de celdas sin el adicional overhead requerido por los otros sistemas.

          Conclusión

          Como hemos visto, tanto SONET como SDH tienen muchas ventajas sobre otras tecnologías de transporte. SONET/SDH proveen hoy en día una dorsal de red para las redes tipo WAN; con altas tasas de transmisión de más de 3 Gbps se pueden satisfacer muchas aplicaciones en áreas diversas, algunas de las aplicaciones se pueden resumir como sigue:

          • Las redes de transporte basadas en SONET/SDH pueden reemplazar a la líneas dedicadas digitales E1 y E3 o T1 y T3. Un E1/T1 puede ser fácilmente transportado sobre una tributaria VT2/VT1.5 (VT, virtual tributaries) y un E3/T3 puede ser transportado sobre un STS-1.
          • SONET/SDH puede ser usado como transporte para servicios ISDN y B-ISDN, así como celdas ATM.
          • SONET/SDH puede soportar ancho de banda en demanda
          • SONET/SDH puede reemplazar a los cables de fibra ópticas de algunos proveedores de servicios de televisión por cable.
          • SONET/SDH continuaran jugando un papel muy importante en los sistemas de transmisión de las redes de la siguiente generación para la mayoría de los proveedores de servicios de telecomunicaciones (PST). Gracias a SONET/SDH los PST seguirán ofreciendo servicios tales como telefonía, líneas dedicadas arrendadas y datos basados en IP (Internet Protocol).



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