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Consideraciones sobre conectorización y balance óptico en la construcción de una red FTTH que sea flexible y garantice su futuro

Fecha: Lun, 27/09/2010 - 16:50 Fuente: Por José Luis González, Director Técnico de ADC KRONE en Iberia

Los despliegues de redes FTTH/B deben prever una flexibilidad en el nivel físico que permita realizar labores de monitorización, mantenimiento y crecimiento de la red de manera fácil y rápida. Las tecnologías de fusión utilizadas tradicionalmente proporcionan un coste inicial de instalación menor, pero están siendo desplazadas gradualmente por sistemas avanzados de conectorización

Consideraciones sobre conectorización y balance óptico en la construcción de una red FTTH que sea flexible y garantice su futuro José Luis González, Director Técnico de ADC KRONE en Iberia

Estos permiten optimizar los costes de instalación y operación, a la vez que permiten asegurar una flexibilidad a largo plazo de la red, y así asegurar su crecimiento y robustez.
Este texto explica cuán eficiente puede ser la tecnología de conectorización en diferentes puntos de la red de acceso, proporcionando accesibilidad, flexibilidad y conformidad con las regulaciones, al tiempo que tiene en cuenta las limitaciones de balance óptico. Con los últimos desarrollos en componentes activos que incrementan el balance óptico, los operadores pueden adoptar mucho más fácilmente estrategias de conectorización que pueden garantizar la escalabilidad de la red – en términos de ancho de banda, distancia ó difusión – y obtener un mínimo OpEx.

Las Telcos en Europa están bajo una constante presión para incrementar el ancho de banda ofrecido. Estos anchos de banda se incrementan año tras año en un 50%, y el índice de penetración de la banda ancha residencial ha subido casi un 20% en los últimos 5 años. Los servicios de banda ancha son catalizadores de la economía, suponen reducciones significativas en los costes de telecomunicación de las empresas, estimulan el crecimiento particularmente en zonas rurales ó deprimidas, y dinamizan empresas tanto públicas como privadas.
Las redes de Fibra hasta el Hogar (FTTH/B) son la base de estas futuras redes de banda ancha. Su capacidad de transmisión es casi ilimitada e incondicional comparada con los sistemas tradicionales de cobre. El número de hogares pasados con redes FTTH/B crece exponencialmente, con más de 5,5 millones de hogares en el primer semestre de 2.009 (un 1 5% de incremento sobre el semestre anterior). En este primer semestre del año se añadieron 120 nuevos proyectos FTTH/B, hasta un total de 233 en la actualidad.
A pesar del progreso constante, los 2 millones de abonados en Europa todavía representan un número pequeño comparado con los 6 millones de Norte America ó los 30 millones de Asia-Pacífico. Reconociendo este retraso, la Comisión Europea se ha embarcado en numerosas iniciativas para estimular el mercado FTTH/B – incluyendo su recomendación para la regulación del acceso a Redes de Nueva Generación, y estableciendo el marco europeo para la Sociedad de la Información. Al mismo tiempo los gobiernos nacionales están estableciendo topologías de Open Access, al tiempo que mantienen disponibles los recursos necesarios para proporcionar un acceso universal.

Topologías de Red, Estándares y Estrategias de Servicio
Con millones y millones de euros invertidos en FTTH/B, las estrategias de instalación y penetración deben estar diseñadas para salvar tiempo y dinero a los operadores – durante la construcción y más tarde, durante las altas y la operación. Las dos topologías más utilizadas en las redes FTTH/B desplegadas hoy día son ó bien Punto-Multipunto (P2MP), ó bien Punto a Punto (P2P), estas últimas típicamente utilizadas para transmisión Ethernet. Las redes Punto-Multipunto utilizan divisores ópticos en campo.
A día de hoy, la topología Punto-Multipunto GPON es la predominante en Europa, y es una evolución del estándar BPON. GPON soporta grandes velocidades, ofrece mejor seguridad y total libertad de elección del protocolo de Nivel 2 (ej. ATM, GEM, Ethernet).
Las ventajas de una topología PON son que una única OLT (Optical Line Termination, el equipo de central) ede ser usada para conectar múltiples ONTs (Optical Network Terminals, los equipos de abonado) vía divisores ópticos que se colocan entre la Central y el abonado. Hoy, la preferencia de elección de divisores es de 1:2 y 1:4 en la central, y 1:8 ó 1:16 en la Planta Externa. Dado que las OLTs (desplegadas en las centrales) son caras y además consumen mucha alimentación, las arquitecturas PON con divisores intermedios crean considerables ahorros de costes al eliminar gran parte de la necesidad de equipamiento activo.

La necesidad de la Conectorización
La mayoría de los operadores empezaron desplegando topologías P2P con el objetivo de llevar el ancho máximo al abonado. Sin embargo, esta estrategia se ha demostrado muy cara, dado que hay que instalar una fibra entera, punto a punto desde la central, y no es sólo la fibra, sino fundamentalmente toda la canalización asociada. Esta topología sólo sería eficiente en entornos de muy alta densidad. En general, se pueden dividir los entornos de despliegue en cuatro categorías:
• Urbano alta densidad
• Urbano baja densidad
• Rural
• Zonas industriales con topologías mixtas

Para entornos de baja densidad, es ideal la arquitectura PON, puesto que provoca un despliegue mucho más económico. Básicamente consiste en dividir ópticamente la señal mediante un divisor óptico que permite que desde una sola fibra en central se puedan atender mútiples abonados. Este modelo tiene algunas limitaciones:
• Menor ancho de banda para los abonados (dependiendo del nivel de división)
• El uso de divisors ópticos implica mayor atenuación, y por tanto se debe prestar más atención al diseño de la red, y a cómo y dónde utilizar conectores y/ó fusiones.
• La expansion de la red puede ser costosa si no se ha previsto desde el inicio una fácil reconfiguración.

La elección de topología ha sido y continuará siendo un asunto sobre el que hay continua discusión. Los operadores pueden sin embargo desplegar topologías punto a punto, y a la vez superponer sobre ellas topologías PON. Independientemente del recorrido físico del cable, las topologías se hacen efectivas de manera lógica a través del uso de:
- Empalmes - en los que dos fibras se unen de manera permanente mediante una máquina de fusión.
- Conectores – que son realizados en fábrica, añadiendo a los extremos de fibra desnuda unas terminaciones estándar que proporcionan protección mecánica y facilidad de operación.

La conectorización se desarrolló originalmente para su instalación en centrales, y posteriormente ha ido introduciéndose en las aplicaciones de Planta Externa, más aún, con las aplicaciones FTTH en los últimos tiempos. De esta manera, la conectorización puede ser empleada en cualquiera de los tres puntos estratégicos de una red FTTH:
• Central – el edificio donde se ubican los equipos activos (switches, DSLAMs, etc) junto con los repartidores principales de cableado.
• Planta Externa – Armarios, cajas de terminación y empalme, etc.
• Cliente – ya sea residencial ó de negocios.
El nivel de fusiones ó conectorización empleado en un despliegue FTTH/B depende mucho de los requerimientos de cada operador. El tipo de despliegue (barrios nuevos, ó sobre red existente), el entorno demográfico (zonas con gran ó baja densidad), el entorno regulador, junto con los límites y balance de CAPEX y OPEX del proyecto, son los principales factores que condicionan esta decisión. Básicamente se trata de si utilizar, y en qué cantidad una filosofía de divisores ópticos fusionados ó una de conectorizados en los diferentes puntos de la red.
Para muchos carriers, ha sido fácil, sobre todo inicialmente, construir una red a base de fusiones. Sin embargo, los carriers han tenido que reevaluar esta estrategia inicial, dado que la conectorización significa ventajas competitivas importantes en términos de optimización de los recursos empleados, tanto en la construcción de la red en un principio, como también más tarde en su operación, al tiempo que garantiza una mayor flexibilidad y fiabilidad de la red. Sin la conectorización, el operador tiene que tender cada fibra extremo a extremo de central a cada cliente.
En entornos super-regulados esto parecería no ser tan problemático, En entornos más usuales, no tan regulados, el problema es tremendo y puede suponer un nivel de eficiencia de utilización de la red del 20%, cuando debería ser del 80% como mínimo.
Las nuevas redes FTTH/B están suponiendo una nueva etapa de regulación de las redes de comunicaciones en todos los grandes países europeos. Estas regulaciones dictan que no se pueda terminar la conexión a fusión en casa del cliente, puesto que esto puede entorpecer el cambio de operador elegido. Este requerimiento de conectorización está reflejado en las políticas de la comisión europea, que estipula el requerimiento de “easy access”, acceso sencillo.

Consideraciones de Balance Óptico
Si se tiene en cuenta que la fibra ha empezado a reemplazar al cobre en la última milla solamente en la última década, no sorprende que la tendencia inicial de hacer mucha fusión haya tardado en cambiar. Los operadores veían la fusión como una técnica más barata en términos de coste inicial (no había que comprar conectores y sobre todo no había que comprar elementos que los pudiesen albergar con sus restricciones de espacio y guiado de cables), y además la conectorización les preocupaba por el balance óptico y por los nuevos posibles puntos de fallo en la red, mientras que no estaban convencidos de la necesidad de flexibilidad por un lado y de monitorización fácil por otro en la red. Esta tendencia inicial ha cambiado por completo, y los operadores están alterando sus topologías de despliegue, maximizando la conectorización desde la Central hasta el abonado, con la única limitación del balance óptico.
Desde un punto de vista pragmático, la conectorización es claro que ofrece la máxima flexibilidad en la red de fibra, y la mejor manera de garantizar el crecimiento futuro de la misma, tanto en penetración de clientes como en cambios en la demanda de ancho de banda. Y al tiempo es claro que la conectorización tiene el límite y la desventaja frente a las fusiones de mayores atenuaciones.
De esta manera el balance óptico, es decir, la máxima atenuación posible de la señal entre el equipo de central y el de abonado, se ha convertido en uno de los parámetros clave en el diseño y construcción de redes FTTH/B. El valor típico para este balance óptico se encuentra entre los 20dB y los 30dB (y usualmente se diseña para 26 dB).

Factores que afectan al Balance Óptico
En una red de fibra óptica, hay dos tipos de pérdidas que impactan el balance óptico:
• Atenuación – que afecta a la calidad de la señal al disminuir el nivel de potencia de la misma.
• Pérdidas de retorno – que afecta a la calidad de la señal, al incrementar el ruido. Las pérdidas de retorno recomendadas son de menos de 32 dB (recomendación de la ITU), calculándose estas como la suma de todas las reflexiones que sufre luz hacia el origen, el láser.
Hay bastantes puntos a tener en cuenta: Potencia de salida del láser
Los continuos desarrollos en lásers de mayor potencia y mejores receptores continúan expandiendo el balance óptico (laseres C+ frente a B+, etc.). En el medio y largo plazo esto contribuirá a mejorar la calidad de la red y su flexibilidad, incrementando la posibilidad de poner componentes pasivos en medio de la red ( conectores, divisores ópticos, etc. ) sin comprometer el BER. En el corto plazo este valor de salida del láser condiciona de manera definitiva el alcance de la red y el ratio de división.

Distancia OLT-ONT típica
El balance óptico considera la distancia total del tramo entre OLT y ONT. Esta distancia influye linealmente en la atenua¬ción (denominada atenuación espectral) introducida por el cable de fibra óptica (típicamente se considera 0.4 dB/km en 1310nm, que es la longitud de onda más restrictiva a la hora de diseñar). Hay otros elementos en este trayecto entre OLT y ONT que introducen pérdidas, como son:
• Conectores
• Fusiones
• Divisores ópticos
Conocidos el número de conectores, fusiones y divisores ópticos, así como la atenuación espectral del cable, y las características de los equipos activos, se puede calcular cual es la distancia máxima permitida. Por ejemplo, la distancia máxima para una red GPON con un divisor óptico 1:32 y con un balance óptico máximo de 28 dB, es de 20 Km.
En la realidad, los valores de distancia a la que están los usuarios en una red FTTH suelen estar entre 5km y 20km.

Pérdidas en los conectores
Un conector produce generalmente dos tipos de pérdidas principales:
• Pérdidas de inserción – dependen directamente del tipo de conector y de la longitud de onda. Se debe tener en cuenta que una red FTTH utiliza tres longitudes de onda diferentes a la vez (1310 desde usuario a central, 1490 desde central a usuario, y 1 550 desde central a ONT para la señal de video). Las pérdidas típicas de un conector son de 0.3 dB y en el peor caso de 0.5 dB
• Pérdidas de retorno – como los conectores son normalmente contactos fibra-aire-fibra, una pequeña cantidad de luz es reflejada en estas transiciones hacia la fuente. Utilizando conectores APC (angulados 8º en la cara del conector), las pérdidas de retorno se pueden minimizar en cada transición, estando incluso por debajo de los 65 dB.
Es imposible construir una red de fibra óptica pasiva sin conectores (los equipos los llevan,los puentes en central los tienen en ambos extremos, etc). Cualquier instalación de una red es certificada y probada utilizando generalmente equipos OTDR (Reflectómetros), que permiten a los instaladores detectar fallos de fusiones, conexiones sucias, de poca calidad de fusión, etc.

Pérdidas de un divisor óptico
Como cualquier elemento pasivo, los divisores ópticos introducen:
• Pérdidas de inserción – dependen básicamente del ratio del divisor óptico y de la calidad de este. Por ejemplo, un divisor óptico 1:2 pierde típicamente 3.5 dB.
• Pérdidas de retorno (reflexión) – un divisor óptico individual tiene una pérdida típica de reflexión de 50/55 dB, que es un valor considerable, que impacta el resultado total de la reflexión, mucho más que los conectores.
Directividad – es el ratio de potencia que se deriva desde la entrada de un divisor óptico a otras entradas de ese mismo divisor óptico, y afecta de la misma manera que las reflexiones normales que hemos visto en el punto anterior.

Pérdidas de un empalme de fusión
Típicamente las pérdidas de una fusión son casi desprecia¬bles, del orden de 0.1 dB por empalme de fusión. Otra cosa es cuando estos empalmes son mecánicos, en los que hay que vigilar de cerca los valores obtenidos, y que dependen mucho de la tecnología utilizada.

Los Operadores Europeos se mueven hacia la conectorización
Consideraciones operacionales, comerciales y de balance óptico han hecho que los grandes operadores europeos estén adoptando de manera masiva tecnologías de impulsar la conectorización en sus estrategias de despliegues FTTH.
Un operador de primer orden en Europa por ejemplo, empezó desplegando una topología basada en fusión porque conocía bien la tecnología, y no le estaba permitido instalar armarios en las calles (teniendo que emplear soluciones bajo suelo). Inicialmente también tenía miedo de la influencia de muchos conectores en el balance óptico total de su red.
Conforme el despliegue de su red ha ido progresando, la falta de flexibilidad se ha hecho más y más evidente. Cuando era necesario operar sobre las entradas ó salidas de los divisores ópticos, no se podían realizar test de comprobación sin cortar las fibras activas y cortar servicio a clientes. Más importantes todavía eran los problemas en el proceso de altas, que lo convertía en muy lento y muy caro. Durante el despliegue además ha surgido la imposición del regulador de tener soluciones abiertas que permitan compartir las acometidas hacia el abonado y evitar verticales múltiples.


Diseñando para facilitar el crecimiento y la flexibilidad
En contraste, otro operador Telco europeo ha desplegado masivamente una red P2P basada en GPON con un nivel de división de 1:64. Esta red utiliza de manera predominante conectorización. En el Nodo Remoto (Distribuidor en calle) se utiliza una crossconexión completa entre el cable proveniente de la central y los cables de distribución que van hacia los abonados finales, permitiendo dar altas de manera inmediata y también pasar clientes de servicio P2P a PON en cuestión de minutos. El operador utiliza en total por cada usuario y hasta este distribuidor intermedio 5 conexiones con conector y un empalme de fusión.
El operador utiliza dentro de los edificios cajas terminales que están acabadas en conector y de las que dependiendo de que se utilice una topología de interconexión directa con el cable de cliente ó de crossconexión con una caja neutra, se utilizan 1 ó 2 pares de conectores más. En el total de la red, hasta la ONT puede haber un total de 10 parejas de conectores y 4 fusiones. Esto supone hasta 3.4 dB (máximo de 5.4 dB en el peor de los casos). Asumiendo que los divisores ópticos ( 1 ó 2 en cascada para completar un ratio 1:32 ) pierden 18 dB, el total de pérdidas en el peor de los casos sería de 23.4 dB, que permite tener un margen de protección de unos 2 dB hasta los 26 que se utilizan como parámetro límite de diseño.
Mediante la introducción de conectores y maximizando la utilización de todo el balance óptico se consiguió un nivel muy alto de flexibilidad en la red. Esto supone básicamente que se puede con un mínimo gasto en OpEx garantizar el crecimiento de la red, significando este crecimiento que ó se puede dar más ancho de banda a los clientes finales, ó se pueden cubrir más clientes, ó estos pueden estar a más distancia. Las arquitecturas que hacen un uso amplio e inteligente de la conectorización en todo la red, desde la central hasta el cliente, posibilitan que se pueda monitorizar y mantener la misma, y que se puedan realizar cambios y ampliaciones de manera flexible y no traumática:
- Las labores de operación se reducen.
- Los operadores pueden alinear su inversión con la demanda de servicio y el grado de penetración que tienen.
- Las tareas de mantenimiento preventivo y correctivo, integración de nuevos equipos activos, etc. pueden realizarse en cuestión de minutos con una solución conectorizada, reduciendo significativamente tiempos y costes.
- En ubicaciones de edificios multifamiliares, las soluciones preconectorizadas reducen significativamente la cantidad de equipamiento, el número de empalmes, la cantidad de técnicos necesarios para trabajar y agilizan el proceso de altas notablemente.

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