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Comunicación Electrónica

Comunicación Electrónica
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Concepto:Forma avanzada de comunicación utilizando las nuevas tecnologías

Comunicación Electrónica. Forma avanzada de comunicación utilizando las más sofisticadas tecnologías. La especie humana es de carácter social, es decir, necesita de la comunicación; pues de otra manera viviríamos completamente aislados. Así, desde los inicios de la especie, la comunicación fue evolucionando utilizando cada vez técnicas más avanzadas, y tener mayor velocidad en el proceso.

Breves instancias evolutivas

Escultura antigua
Las primeras manifestaciones en la comunicación de la especie humana fue la voz, las señales de humo y sus dibujos pictóricos; posteriormente al evolucionar, fue la escritura, el elemento que permitió desarrollar las culturas que hoy se conocen. Las artes como la música y el teatro, forman parte fundamental en la formación y desarrollo de la misma especie y sus culturas. Con el desarrollo de las civilizaciones y de las lenguas escritas surgió también la necesidad de comunicarse a distancia de forma regular, con el fin de facilitar el comercio entre las diferentes naciones e imperios. Las antiguas civilizaciones utilizaban a mensajeros, mas adelante, se utilizó al caballo y las palomas mensajeras; con el invento de la rueda esto casi desapareció.
Rayo
A partir de que Benjamin Franklin demostró, en 1752, que los rayos son chispas eléctricas gigantescas, descubrimiento de la electricidad; grandes inventos fueron revolucionando este concepto, pues las grandes distancias cada vez se fueron acercando. 1836, año en que Samuel F. B. Morse creo lo que hoy conocemos Telégrafo. Tomas Edison, en 1874, desarrolló la telegrafía cuádruple, la cual permitía transmitir dos mensajes simultáneamente en ambos sentidos. A pesar de este gran avance, no era suficiente lo que lograba comunicar, es decir, esto era insuficiente pues se requería de algún medio para la comunicación de la voz. Ante esto, surge el teléfono, inventado por Alexander Graham Bell, que logra la primera transmisión de la voz en 1876.

Así los primeros sistemas telegráficos y telefónicos utilizaban cable para lograr la transmisión de mensajes. Con los avances en el estudio de la electricidad, el físico alemán Heinrich Hertz descubre, en 1887 descubre las ondas electromagnéticas, estableciendo las bases para la telegrafía sin hilos.

Pero no fue hasta el siglo XX, cuando se inventan los tubos al vacío y el surgimiento de la electrónica, que se logran grandes avances, se inventa el radio, la primera emisión fue en 1906 en los Estados Unidos. En 1925 existían ya 600 emisoras de radio en todo el mundo. Hasta aquí, la voz se ha logrado transmitir de un lugar a otro, pero que pasa con la imagen, si una imagen dice más que mil palabras.

En 1826, físico francés Nicéphore Niepce utilizando una plancha metálica recubierta de betún, expuesta durante ocho horas, consiguió la primera fotografía. Perfeccionando este procedimiento, el pintor e inventor francés Louis Jacques Mandé Daguerre descubrió un proceso químico de revelado que permitía tiempos de exposición mucho menores, consiguiendo el tipo de fotografía conocido como daguerrotipo.

En el siglo XIX, se desarrolla este invento hasta llegar al cinetoscopio, presentado por Tomas Edison en 1889 y lo patento en 1891. Los hermanos Lumière, presentan y patentan el cinematógrafo en el año de 1895. Hasta el año de 1920 se le añade el sonido. Creando así, el cine, muy disfrutado en nuestros días.

Aunque la transmisión de imágenes a distancia esta ligada a varios avances e inventos, como: disco perforado explorador, inventado en 1884 por el pionero de la televisión, el alemán Paul Gottlieb Nipkow. Otros de los hechos en el desarrollo de la televisión son el iconoscopio y el cinescopio, para transmitir y recibir, respectivamente, imágenes a distancia, inventados ambos en 1923 por el ingeniero electrónico ruso Vladímir Kosma Zworykin. Logrando con esto una de las más grandes industrias a escala mundial, las Cadenas de Televisión.

Radio y TV
Desde las primeras máquinas programables manualmente (máquina diferencial de Babbage) o con procedimientos electrónicos (ENIAC, con tubos al vacío, en 1947), hasta nuestros días de potentes computadoras digitales que se han introducido en prácticamente todas las áreas de la sociedad (industria, comercio, educación, comunicación, transporte, etc.). Con todos estos avances tecnológicos y necesidades, la comunicación o transmisión de datos fue tomando cada vez mas auge. Los primeros intentos y realizaciones en la tarea de conjugar ambas disciplinas - comunicaciones y procesamiento de datos - tuvieron lugar en Estados Unidos, donde durante años cuarenta del siglo XX se desarrollo una aplicación de inventario para la U.S. Army y posteriormente, en 1953, otra para la gestión y reserva de las plazas en la American Airlines, que constituyeron los dos primeros sistemas de procesamiento de datos a distancia.
Redes
Con esta nueva necesidad y estas herramientas, surgen las Redes de Computadoras, las cuales son ya muy comunes en nuestros días, pero en los inicios de la transmisión por televisión y con el uso de las computadoras, la especie humana logra lanzar una vehículo espacial y tiempo después lanza los primeros satélites artificiales. Los cuales son aparatos muy sofisticados con fines múltiples (científicos, tecnológicos y militares). El primer satélite artificial, el Sputnik 1, fue lanzado por la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957. El primer satélite de Estados Unidos fue el Explorer 1, lanzado el 31 de enero de 1958, y resultó útil para el descubrimiento de los cinturones de radiación de la Tierra.
Satélite
En la actualidad hay satélites de comunicaciones, navegación, militares, meteorológicos, de estudio de recursos terrestres y científicos. La mayor parte de ellos son satélites de comunicación, utilizados para la comunicación telefónica y la transmisión de datos digitales e imágenes de televisión.

Todo este desarrollo de las comunicaciones dio lugar a un nuevo concepto; Telecomunicación, que significa: Conjunto de medios de comunicación a distancia o transmisión de palabras, sonidos, imágenes o datos en forma de impulsos o señales electrónicas o electromagnéticas.

Definición de Telecomunicaciones

Se denomina telecomunicación a la técnica de transmitir un mensaje desde un punto a otro, normalmente con el atributo típico adicional de ser bidireccional. Proviene del griego tele, que significa distancia. Por tanto, el término telecomunicación cubre todas las formas de comunicación a distancia, incluyendo radio, telegrafía, televisión, telefonía, transmisión de datos e interconexión de ordenadores.

Definición de Telecomunicaciones o comunicaciones electrónicas

En la perspectiva de la realización del mercado interior, a finales de los años ochenta la Comunidad Europea calificó la liberalización de las telecomunicaciones de prioridad europea. Ésta se inició en 1988 con la apertura a la competencia de los mercados de terminales de telecomunicaciones y posteriormente, en 1990, con la liberalización de los servicios de telecomunicaciones, con excepción de la telefonía vocal. En 1993, el Consejo de Ministros estableció el 1 de enero de 1998 como fecha límite para la liberalización completa de los servicios de telefonía vocal. Mientras tanto, en 1994 el proceso de liberalización se extendió a las comunicaciones y los servicios de transmisión por satélite y posteriormente, en 1996, a las redes de televisión por cable y a las comunicaciones móviles. Paralelamente, a partir de 1990 se estableció una red abierta de telecomunicaciones en cuanto a infraestructuras y servicios (ONP). La aprobación de normas comunes permitió la armonización de las condiciones de acceso de nuevos operadores al mercado.

A partir de 1994, en el contexto del desarrollo de la «sociedad de la información», la liberalización general de las estructuras de telecomunicaciones se presentó como un factor de desarrollo del sector de los multimedios. Se adoptaron distintas iniciativas destinadas a armonizar las normas sobre comunicaciones móviles (norma europea única GSM) y por satélite, así como la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI).El 1 de enero de 1998, la liberalización completa del mercado de las telecomunicaciones era una realidad. Para acompañar la apertura del sector a la competencia, en 1999 la Comisión Europea lanzó un vasto proyecto de reformulación del marco reglamentario europeo de las telecomunicaciones.

El objetivo general consistía en mejorar el acceso a la sociedad de la información, estableciendo un equilibrio entre la regulación del sector y las normas de competencia europea. Ese marco reglamentario para las telecomunicaciones electrónicas consta de cinco Directivas de armonización relativas, en particular, a las Directivas marco, el acceso y la interconexión, la autorización, el servicio universal y la protección de la vida privada. A esto se añaden la Decisión de 2002 sobre la política relativa al espectro radioeléctrico y el Reglamento de 2002 relativo al acceso al bucle local. La Comisión está trabajando actualmente en la revisión de ese marco reglamentario a fin de tener en cuenta los cambios tecnológicos del mercado y responder a las necesidades del sector en los próximos diez años.

Integración de IP sobre canales WDM

El estudio de la integración de IP sobre redes ópticas. Estudiando la encapsulación de los distintos niveles IP sobre los distintos niveles WDM. Analizando la gestión, la funcionalidad y arquitectura de las redes ópticas. En un principio lo que se quiere exponer el estado actual y el desarrollo futuro de equipos y redes IP, de cómo WDM propone las medidas para implementar estas funciones y mejora la funcionabilidad de las redes.

Con este trabajo se pretende introducir aspectos importantes a tener en cuenta cuando se considera la posibilidad de IP sobre WDM. Provee un buen fondo para cualquiera que trabaje en lo concerniente a la reducción de la cabecera necesaria para el transporte de paquetes IP en canales ópticos. Uno de los aspectos a tratar es la de tener una perspectiva de la capa IP. Mirar lo que está disponible en términos de funcionalidad, software y hardware en la capa IP. IPv6 es probablemente la mejor elección en las futuras redes IP sobre WDM. Esta investigación, muestra también el desarrollo al que tienden los routers y valorar los router Gigabit, así como estos forman la base para las redes de transporte IP sobre WDM. Algunos cambios en configuraciones de hardware están también identificados, esto es necesario a la hora de hacer routers capaces de manejar paquetes de velocidades de Gigabits, como usar switch en vez de buses. Esto muestra que para clasificar los paquetes IP dentro del flujo y conmutándolos en las capas inferiores en vez de enrutarlos, mirando las tablas de enrutamiento en cada nodo puede reducir significativamente la latencia de la red.

Una técnica de la que hablaremos en particular es MPLS (Multi Protocol Label Switching) la cual fue propuesta por la IETF (Internet Engineering Task Force) y ya esta implementada en muchos routers. MPLS tiene la ventaja de aliviar el peso de las largas tablas de enrutamiento en los routers y al mismo tiempo soporta la realización de funcionalidades de la red, como VPN (Virtual Private Network) y CoS (Class of Service). Las técnicas que se necesitan para la integración de la capa IP sobre la capa WDM, dando una visión general de los diferentes métodos de encapsulamiento de los paquetes IP preparándolos para ser transportados en una longitud de onda. En la adaptación de los paquetes IP sobre WDM se evalúa los diferentes mecanismos de encapsulación de la cantidad de cabecera necesaria para transportar los paquetes IP.

El trabajo muestra algunas de las posibilidades que WDM puede dar en términos de funcionalidad. Tres diferentes posibilidades se puede dar para soportar CoS usando longitudes de onda:

  • Mejora en la capacidad de los nodos y por tanto CoS para sobre aprovisionamiento.
  • Paso por los routers a través de enrutamiento de longitud de onda así como el decremento del retraso en las redes.
  • Uso de longitudes de onda como etiquetas para la clasificación de CoS.

También veremos las diferentes opciones de conexión cruzada y enrutado de los flujos IP la ayuda de las longitudes de onda y por consiguiente obteniendo una menor latencia en la red. En este, se identifican las tendencias predominantes en IP sobre WDM. Estas tendencias discutidas son:

  • Routers más rápidos à 2,5 Gb/s de hoy a los 10 Gb/s.
  • Aumento del número de longitudes de onda à 32 sistemas de longitudes de onda a 200 sistemas de canal.
  • Moviendo el enrutamiento a las capas inferiores y aminorando la latencia de las redes.
  • Nuevos protocolos dedicados a adaptar IP sobre WDM.
  • Menor conversión de protocolos entre las distintas partes de la red.

WDM (Múltiplexación por División de Onda)

Incremento de la capacidad con WDM
La tecnología WDM permite transmitir múltiples longitudes de onda en una misma fibra óptica simultáneamente. El rango de longitudes de onda utilizado en la fibra puede ser dividido en varias bandas, Cada uno de estos canales, a distinta longitud de onda, puede transmitir señales de diferentes velocidades y formatos.

WDM, incrementa la capacidad de transmisión en el medio físico (fibra óptica), asignando a las señales ópticas de entrada, específicas frecuencias de luz (longitudes de onda), dentro de una banda de frecuencias inconfundible. Una manera de asemejar esta multiplexación es la transmisión de una estación de radio, en diferentes longitudes de onda sin interferir una con otra porque cada canal es transmitido a una frecuencia diferente, la que puede seleccionarse desde un sintonizador (Tuner). Otra forma de verlo, es que cada canal corresponde a un diferente color, y varios canales forman un "arco iris".

En un sistema WDM, cada longitud de onda es enviada a la fibra y las señales son demultiplexadas en el receptor. En este tipo de sistema, cada señal de entrada es independiente de las otras. De esta manera, cada canal tiene su propio ancho de banda dedicado; llegando todas las señales a destino al mismo tiempo.

La gran potencia de transmisión requerida por las altas tasas de bit (Bit Rates) introduce efectos no-lineales que pueden afectar la calidad de las formas de onda de las señales.

La diferencia entre WDM y Dense WDM (DWDM) es fundamentalmente el rango. DWDM espacia las longitudes de onda más estrechamente que WDM, por lo tanto tiene una gran capacidad total. Para sistemas DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) el intervalo entre canales es igual o menor que 3.2 [nm]. La ITU (International Telecommunication Union) ha estandarizado este espaciamiento, normalizando una mínima separación de longitudes de onda de 100 [GHz] (o 0.8 [nm]), también esta la posibilidad de separación de 200 [GHz] (o 1.6 [nm]) y 400 [GHz] (3.2 [nm]).

Nota: WDM y DWDM utilizan fibra mono-modo para enviar múltiples Lightwaves de diferentes frecuencias. No confundir con una transmisión multi-modo, en la cual la luz es introducida en una fibra a diferentes ángulos, resultando diferentes "modos" de luz. Una sola longitud de onda es usada en transmisión multi-modo.

La principal ventaja de DWDM es que ofrece una capacidad de transmisión prácticamente ilimitada. Aparte del ancho de banda, DWDM ofrece otras ventajas:

  • Transparencia. Debido a que DWDM es una arquitectura de capa física, puede soportar transparencia en el formato de señal, tales como ATM, GbE (Gigabit Ethernet), ESCON, TDM, IP y Fibre Channel, con interfaces abiertas sobre una capa física común. Por lo mismo, puede soportar distintos Bit Rates.
  • Escalabilidad. DWDM puede apalancar la abundancia de fibra oscura en redes metropolitanas y empresariales, para rápidamente satisfacer la demanda de capacidad en enlaces punto-a-punto y en tramos de anillos ya existentes.
  • Iniciación dinámica Rápida, simple y abastecimiento dinámico en las conexiones de redes, dada la habilidad de proveedores de proveer servicios de alto ancho de banda en días, antes que en meses.
Espectro Electromagnético
El auge de la fibra óptica está estrechamente ligado al uso de una región específica del espectro óptico donde la atenuación óptica es baja. Estas regiones, llamadas ventanas, se ubican en áreas de alta absorción. Los primeros sistemas en ser desarrollados operan alrededor de los 850 [nm], la primera ventana en fibra óptica basada en Silica. Una segunda ventana (Banda S), a 1310 [nm], se comprobó que era superior, por el hecho de tener menor atenuación. La tercera ventana (Banda C), a 1550 [nm], posee la menor pérdida óptica de manera uniforme. Hoy en día, una cuarta ventana (Banda L), cerca de los 1625 [nm], está en bajo desarrollo y en sus primeros usos. Estas cuatro ventanas se pueden observar en el espectro electromagnético.

Cambios en la transmisión

La transmisión de luz en una fibra óptica presenta varios cambios que originan los efectos que se enumeran a continuación:

  •  Atenuación. Decaimiento de la potencia de la señal, o pérdida en la potencia luminosa, con la propagación de la señal en la fibra.
  • Dispersión Cromática. Esparcimiento del pulso luminoso cuando éste viaja por la fibra.
  • No-Linealidades. Efectos acumulados por la interacción de la luz con el material a través del cual ésta viaja, resultando en cambios en el lightwave y en interacciones entre lightwaves.

Cada uno de estos efectos se puede deber a una serie de causas, no todas las cuales afectan DWDM. Un estudio detallado de estos fenómenos se realiza en el anexo A: "Conceptos Básicos".

Transpondedor, interfaz clave en sistemas DWDM

Función de un Transpondedor
Dentro de un sistema DWDM, un transpondedor convierte la señal óptica del equipo terminal en señal eléctrica y desempeña la función 3R. Esta señal eléctrica es, por consiguiente, usada para dirigir un láser WDM. Cada transpondedor dentro de un sistema WDM, convierte está señal "cliente" en una longitud de onda levemente diferente. Las longitudes de onda provenientes desde todos los transpondedores de un sistema son entonces multiplexadas ópticamente.

En la dirección del receptor se efectúa el proceso inverso. Las longitudes de onda individuales son filtradas desde la fibra multiplexada y alimentan a un transpondedor individual, el cual convierte la señal óptica en eléctrica y conduce una interfaz estándar hacia el "cliente".

Esquema de un sistema DWDM
Diseños futuros incluyen interfaces pasivas, las cuales aceptan los estándares de luz de la ITU directamente de un switch o router incluido, con una interfaz óptica. La operación de un sistema basado en transpondedores se puede explicar considerando la imagen del esquema de un sistema DWDM.

Los siguientes pasos explican el sistema mostrado en esta imagen.

El transpondedor acepta entradas en la forma estándar de láser mono-modo o multi-modo. La entrada puede llegar desde diferentes medios físicos, de distintos protocolos y tipos de tráfico.

  1. La longitud de onda de cada señal de entrada es identificada a una longitud de onda DWDM.
  2. Las longitudes de onda DWDM provenientes del transpondedor son multiplexadas dentro de una sola señal óptica y lanzadas dentro de la fibra. El sistema puede también incluir la habilidad de aceptar señales ópticas directas para ser multiplexadas; tales señales podrían llegar, por ejemplo, de un nodo satelital.
  3. Un post-amplificador amplifica la potencia de la señal óptica, del mismo modo que emigra el sistema (opcional).
  4. Amplificadores ópticos son utilizados cada cierta distancia de enlace, de ser necesarios (opcional).
  5. Un pre-amplificador amplifica la señal antes de que ésta entre en el nodo receptor (opcional).
  6. La señal recibida es demultiplexada en lambdas individuales DWDM (o longitudes de onda).
  7. Las longitudes de onda individuales DWDM son identificadas para el tipo de salida requerido (por ejemplo, 2.5 [Gbps] fibra mono-modo) y enviadas a través del transpondedor.

Topologías y esquemas de protección para DWDM

Las arquitecturas de redes están basadas en muchos factores, incluyendo tipos de aplicaciones y protocolos, distancia, utilización y estructura de acceso, y toplogías de redes anteriores. En el mercado metropolitano, por ejemplo, topologías punto-a-punto pueden ser usadas para conectar puntos de empresas, topología de anillo para conectar instalaciones Inter.-oficinas (IOFs) y para acceso residencial, y topologías de malla pueden ser usadas para conexiones Inter-POP (Inter Punto-a-punto) y en backbones. En efecto, la capa óptica puede ser capaz de soportar muchas topologías y, puesto al desarrollo impredecible en esta área, estas topologías pueden ser flexibles. Hoy en día, las principales topologías en uso son la punto-a-punto y anillo.

Topología punto-a punto

Topología punto a punto
La topología punto-a-punto puede ser implementada con o sin OADMs. Estas redes están caracterizadas por velocidades de canales ultra rápidos (10 a 40 [Gbps]), alta integridad y confiabilidad de la señal, y rápida restauración de trayectoria. En redes long-haul (larga distancia), la distancia entre transmisor y receptor puede ser varios cientos de kilómetros, y el número de amplificadores requeridos entre ambos puntos, es típicamente menor que 10. En redes MANs, los amplificadores no son necesarios frecuentemente. La protección en topologías punto-a-punto puede ser proveída en una pareja de caminos. En los equipos de primera generación, la redundancia es un nivel del sistema. Líneas paralelas conectan sistemas redundantes a ambos extremos. En los equipos de segunda generación, la redundancia es al nivel de tarjeta. Líneas paralelas conectan un solo sistema en ambos extremos que contienen transpondedores, multiplexores y CPUs redundantes. Un esquema de este tipo de topología se puede observar en la imagen.

Topología de anillo

Topología de anillo
Los anillos son las arquitecturas más comunes encontradas en áreas metropolitanas y en tramos de unas pocas decenas de kilómetros. La fibra anillo puede contener sólo cuatro canales de longitudes de onda, y típicamente menos nodos que canales. El Bit Rate está en el rango de los 622 [Mbps] a los 10 [Gbps] por canal. Con el uso de OADMs, los que bajan y suben longitudes de onda en forma transparente, es decir que las otras no se ven afectadas, las arquitecturas de anillo permiten a los nodos tener acceso a los elementos de red, tales como routers, switches y servidores, con la subida y bajada de canales de longitudes de onda en el dominio óptico. Con el incremento en el número de OADMs, la señal está sujeta a pérdidas y se pueden requerir amplificadores. Para la protección en esta topología se utiliza el esquema 1+1. Se tiene dos líneas de conexión, la información se envía por una de ellas. Si este anillo falla, se switchea la trayectoria al otro anillo. Un esquema de esta topología se puede observar en la imagen.

Topología de malla

La arquitectura de malla es el futuro de redes ópticas. Como las redes evolucionan, las arquitecturas de anillo y punto-a-punto tendrían un lugar, pero la malla sería la topología más robusta. Este desarrollo sería habilitado por la introducción de los OxCs (Optical Cross-Connects) y switches configurables, que en algunos casos reemplazarían, y en otros suplementarian, a los dispositivos DWDM fijos. A partir del punto de vista del diseño, hay una airosa trayectoria evolutiva de topologías de punto-a-punto y malla. Al comienzo de enlaces punto-a-punto, dotados de nodos OADM al principio para flexibilidad, y posteriormente en las interconexiones, la red puede evolucionar en una malla sin un rediseño completo. Adicionalmente, las topologías de anillo y malla pueden ser conectadas a enlaces punto-a-punto (ver imagen 12, Arquitectura malla punto a punto, anilo). Las redes DWDM tipo malla, consistiendo en nodos totalmente ópticos interconectados, necesitarían de la próxima generación de protección. Donde los esquemas de protección previos están basados en redundancia del sistema, de tarjeta, o al nivel de fibra, la redundancia ocurriría al nivel de longitud de onda. De esta forma, entre otras cosas, un canal de datos podría cambiar de longitud de onda a medida que viaja a través de la red, debido a una falla en el ruteo o switcheo. Las redes tipo malla, por lo tanto, requerirían de un alto grado de inteligencia para realizar las funciones de protección y administración de ancho de banda, incluyendo a la fibra y al switcheo de longitud de onda. Los beneficios en flexibilidad y eficiencia, realmente, son potencialmente grandes. El uso de fibra, el cual puede ser bajo en soluciones anillo puesto que requieren de protección de fibra en cada anillo, puede ser mejorado en un diseño de malla. La protección y restauración pueden estar basadas en caminos compartidos, por esta razón se requiere de pocos pares de fibra para la misma cantidad de tráfico y no desperdiciar longitudes de onda sin usar.

Fuentes