optical wireless

“OPTICAL WIRELESS”

ALUMNOS :

• Hugo CANTO • Alfredo G. RIVAMAR

• Juan Pablo SOTO

DOCENTE:

Ing. Miguel ROTONDO

AGOSTO 2006

REDES BANDA ANCHA / MTI

2

INDICE CAPÍTULO I Introducción _______________________________________________ 3 CAPÍTULO II Aplicaciones, Topologías ____________________________________5 CAPITULO III Ventajas y Desventajas_____________________________________11 CAPITULO IV Limitaciones en la perfomance de un sistema FSO___________ 12 CAPITULO V Características de un sistema FSO___________________________19 CAPITULO VI Proyecto de enlaces FSO___________________________________ 22 CAPITULO VII Ejemplos de sistemas comerciales y aplicaciones____________ 27 CONCLUSIONES_________________________________________________________ 29 BIBLIOGRAFÍA___________________________________________________________ 32 ANEXOS________________________________________________________________ 34


3

CAPITULO I: INTRODUCCIÓN

La demanda de capacidad de ancho de banda continúa creciendo - especialmente en la última milla. Las tecnologías de cobre/coaxial XDSL y cable modem proveen velocidades de transmisión limitadas. La fibra es costosa y demanda mucho tiempo de instalación. Los sistemas inalámbricos por debajo de los 40 GHz son limitados en cuanto a capacidad, requieren coordinación y están sometidos a interferencias.

Una alternativa a las tecnologías anteriores lo constituye los sistemas de

comunicaciones ópticas en el espacio libre (sistemas FSO). Estos sistemas son conexiones wireless a través de la atmósfera.

FSO es una tecnología óptica que permite transmitir video, voz y datos a

través del aire utilizando lásers o leds. En lugar de pulsos de luz contenidos dentro de una fibra de vidrio, estos son transmitidos en un estrecho haz a través de la atmósfera. FSO se ha utilizado por más de 30 años, antes de que el cable de fibra óptica fuera pensado como un medio de transporte.

La comunicación óptica en el espacio libre es una tecnología madura,

que se ofrece bajo una forma comercial. Existen sistemas que superan tasas de 600 Mb/s y son ampliamente utilizados.

Los sistemas FSO sostienen el mismo principio de funcionamiento de los

sistemas de comunicaciones ópticas por medio de una fibra, excepto que el haz de luz es transmitido a través del espacio libre. Un esquema básico de un sistema FSO se muestra en la figura 1.

Figura 1. Componentes de un sistema FSO

Datos del cliente

Dispositivo de red del cliente

Dispositivo de red del cliente


4

1.1 ¿Qué es un sistema de transmisión óptico de espacio libre (FSO)?

Es una forma de conexión diseñada para la interconexión de dos puntos que se encuentran en una línea de visión directa (LOS: line of sight).

El sistema opera tomando una señal de datos estándar o una señal de

telecomunicaciones, convirtiéndola en un formato digital y transmitiéndola a través del espacio libre. La portadora utilizada para la transmisión de la señal es infrarroja y es generada por LED’s de alta potencia o por diodos láser.

Una forma simple de visualizar como trabaja el sistema es imaginar dos

puntos interconectados por cable de fibra óptica y luego remover la fibra. Los principios básicos para la transmisión de una señal por fibra son los mismos que para la transmisión a través del espacio libre.

La información se transmite por luz modulada. La portadora óptica es,

generalmente, generada por un diodo láser, aunque también podrían utilizarse diodos emisores de luz Led`s. En el caso de una comunicación dúplex, se emplean dos haces de luz paralelos: uno para la transmisión y otro para la recepción.

Tanto los sistemas de comunicaciones ópticas, ya sea mediante fibra o en el espacio libre, operan cerca de la región infrarroja del espectro, con longitudes de onda situadas entre los 750 nm hasta los 1550 nm.

Una distribución general de las frecuencias y longitudes de onda

comprometidas en el espectro electromagnético se observa en la figura siguiente.

Figura 2. Espectro electromagnético


5

1.2 Características generales de los sistemas FSO

• Comprendidos en longitudes de onda de 780 a 1550 nanómetros (193 -

300 THz). • Alcance: 300 mts a 2 Kms – depende de la visibilidad (se debe hacer

estudio de línea de vista)-susceptible a la niebla. • Luz invisible: altamente seguro bajo condiciones LOS. • Portátil; puede ser operado detrás de ventanas. • Seguro para la vista (IEC Class I-1550 nanómetros). • Virtualmente sin interferencias. • Capacidad ilimitada. • No requiere asignación de espectro. • Transmite cualquier tipo de protocolo (Multiprotocolo).

CAPITULO II: APLICACIONES

2.1 ¿Existe una aplicación típica?

No hay una “aplicación típica”. FSO está siendo utilizado por una amplia variedad de organizaciones. El único factor en común es que todas tienen múltiples sitios y desean interconectar servicios.

Ejemplos:

• Equipos de Fórmula 1: requieren una conexión entre la zona de boxes y la zona donde se ubica el personal técnico y de control.

• Rank Group Plc: requiere conectar redes entre sitios. • Vodacom, South Africa: conexión de celdas a redes fijas. • Compañía Boeing: para transmitir datos entre dos edificios de una línea

aérea. • Sky Television: conexión de redes entre sitios.


6

Sobre todo, los sistemas FSO ofrecen confiabilidad y un costo recuperable

rápidamente frente a instalaciones por cable, entre otros aspectos. También es una forma excelente de realizar instalaciones temporarias.

Los sistemas FSO son independientes de protocolos y poseen diversas

aplicaciones:

• Interconexión de LANs. • Transmisión de video o de voz sobre IP. • Redes ATM. • Redes de acceso local. • Conexión temporal para distintos eventos, en situaciones de emergencia,

etc. Algunas de las aplicaciones se ilustran a continuación:

1. Extensión de Fibra para Acceso de Última Milla:

Al utilizar un único sitio central de banda ancha inalámbrica, el proveedor

puede prestar servicios de banda ancha potente a clientes fuera de la red en muchos edificios vecinos.


7

2. Retroceso de la Red Inalámbrica

Para áreas urbanas densamente pobladas con distancias de retroceso

más cortas, los sistemas de banda ancha inalámbrica brindan una solución de alta disponibilidad, rentable e inmediatamente desplegable para el retroceso inalámbrico.

3. Restauración del Servicio

Los sistemas de banda ancha inalámbrica proveen alta disponibilidad de conexión inmediata en caso de un corte del servicio.


8

4. Conexiones LAN-to-LAN en Campus

Los enlaces de banda ancha inalámbrica proveen alta disponibilidad de

ancho de banda, rápidamente desplegable, para los requisitos de conexión LAN to LAN, aún cuando las obstrucciones sean un inconveniente.

5. Redundancia

Los enlaces de banda ancha inalámbrica proveen una conexión

redundante con alta disponibilidad y diversidad real de vías.


9

2.2 Topologías desarrolladas

Los sistemas FSO pueden diseñarse para trabajar en cualquier topología, incluyendo malla, PMP (punto-multipunto), PTP (punto-punto) y anillo con extensiones. Estas topologías permiten a los proveedores de servicio de área metropolitana la libertad para construir rápidamente redes y/o extenderlas, proveyendo velocidades de fibra óptica a sus clientes.

• Arquitectura Malla: una malla está compuesta de una serie de nodos

interconectados con algún grado de redundancia. Cada nodo está conectado siempre a los otros nodos ya sea directamente o por una serie de saltos. El nivel de redundancia en la red determina el nivel de desconexiones en ella. Esto es, a mayor número de nodos, mejor sistema. Esta arquitectura ofrece alta confiabilidad, con adiciones de nodos simples de realizar.

Arquitectura Mesh

• Arquitectura de anillo con extensiones: normalmente se la utiliza en redes

de área metropolitana (MAN). Aquí, el backbone se construye con anillos de alta velocidad basados tanto en fibra como en FSO. En una arquitectura de anillo, los sub-anillos pueden conectarse unos con otros, usualmente a través de router de capa 3. Los clientes que son parte del anillo están protegidos de la falla de un simple punto en la red. Cuando un consumidor se agrega a la red, se establece un enlace desde un nodo en el anillo backbone y terminado en una extensión. Si el cliente desea abonar por redundancia, entonces la extensión puede conectarse retornando a otro nodo en la red y formando un nuevo anillo. De este modo, el proveedor de servicio esencialmente provee niveles de redundancia al usuario final basándose en su requerimiento de disponibilidad de servicio.


10

Arquitectura anillo

• Arquitectura punto a punto: en esta arquitectura, un simple nodo actúa

como origen y desde él emanan múltiples enlaces. El método más efectivo consiste en conectar cada enlace FSO a un dispositivo de capa 2 o 3 localizado en el edificio. Entonces, tenemos fibras acopladas entre el FSO y el switch o un router y los FSO se colocan en lugares arbitrariamente elegidos en el edificio tales como la azotea o en una oficina en el interior. Podríamos sectorizar el haz óptico para atender más de un cliente a la vez desde un nodo simple, tal como en los sistemas LMDS, pero la arquitectura está restringida por límites de potencia impuestos por las autoridades regulatorias.

Arquitectura PMP

• Arquitectura múltiple PTP: se utiliza en casos donde se desea crear un

enlace que excede el límite del rango del producto para un enlace óptico.

Arquitectura PTP


11

CAPITULO III: VENTAJAS Y DESVENTAJAS

1. Ventajas

Los sistemas FSO presentan ventajas si se los compara con otras tecnologías wireless: • Canales con velocidad full. Mayores tasas de transmisión. • No requiere licencia de operación ni derechos de paso. • Facilidad para instalar. • Altamente seguro ya que el haz estrecho del láser difícilmente puede ser interceptado. • Compatible con interfaces de cobre o de fibra. • No requiere de router ni de bridge. • Costo efectivo, rápida recuperación de la inversión. • No requiere incurrir en costos por alquiler. • Montaje tanto interno como externo. • Excelente disponibilidad. • Totalmente portátil. • Resistente a la temperatura y a cambios climáticos. • Latencia cercana a cero en todas las distancias. • Transparente a redes y protocolos.

Figura 3. FSO vs. Radio Si la comparación se realiza con la tecnología de la fibra óptica, los

sistemas de FSO presentan algunas ventajas como:

• Menor plazo de instalación. • Menor costo de instalación. • Movilidad de la instalación.


FSO (Laser) RadioMax capacity 1.5Gbps 80MbpsMax Range 4km 40kmInterfaces Any Ethernet only

(IP, PDH, SDH, video) (but also VOIP, IP video)Modularity Interface/ chassis Radio/ antennaArchitecture P2P only P2P or P2MPDowntime in Thick fog, sandstorm InterferenceCost Moderate LowerPower 20-35W 10-20W

12

Consecuencias de un haz estrecho • Pérdidas geométricas reducidas. • Requerimientos de potencia reducidos. • Inmune a los efectos de la multitrayectoria. • Mayor seguridad. • Evita la interferencia. • Posibilidad de co-locación densa. • Sensible a los movimientos de la antena. 2. Desventajas

La principal desventaja de los sistemas FSO es que son vulnerables a los efectos atmosféricos tales como la dispersión y la cintilación. Tales efectos pueden reducir la disponibilidad de los sistemas FSO e introducir exceso de errores.

Por otra parte, el reducido ancho del haz láser puede dificultar el

apuntamiento direccional inicial entre el transmisor y el receptor, así como el mantenimiento del mismo.

CAPITULO IV: LIMITACIONES EN LA PERFOMANCE DE UN SISTEMA FSO

Un medio FSO está sujeto a disturbios externos, a diferencia de la fibra óptica, que es un sistema cerrado. Cambios atmosféricos no predictibles pueden afectar seriamente la perfomance de un sistema FSO. FSO es una tecnología LSO (línea visual), análoga a los sistemas de radio de ondas milimétricas.

Los siguientes aspectos limitan la perfomance de un sistema FSO:

• Condiciones climáticas. • Obstrucciones físicas. • Cintilación (centelleo atmosférico). • Limpieza de las partes ópticas. • Oscilación de edificios. • Seguridad. 1. Condiciones climáticas: es el factor más importante que afecta la

perfomance de un sistema FSO. Condiciones severas de lluvia o nieve pueden resultar en cortes del enlace; sin embargo, la niebla puede también causar atenuación de la señal.


13

Condición climática Márgen del enlace

para 1550 nm (dB/km)

Rango máximo (km) Exceso de potencia, día claro

Absorción del aire limpio, niebla urbana y smog, cintilación

< 1.5 >6 -

Lluvia densa (25 mm/hr) 5 3.2 62x

Lluvia extrema (75 mm/hr); caída de nieve moderada; niebla moderada

13 1.7 257x

Nieve densa; niebla moderada (visibilidad: 0.5 km)

20 1.25 500x

Tormenta de nieve; niebla moderada 30 0.92 1000x

Niebla muy densa (visibilidad: 1-2 cuadras)

60-100 0.35-0.55 2820x-7080x

Figura 4. Rango máximo para varias condiciones climáticas (incluyendo 2 dB de margen

por error de direccionamiento). 155 Mbps.

• Absorción atmosférica: diversas sustancias (gases) que se encuentran en la atmósfera absorben ciertas bandas específicas de frecuencias del espectro electromagnético. De esta forma actúan como filtros y crean las llamadas “ventanas atmosféricas” a través de las cuáles la energía puede pasar. La absorción atmosférica no tiene grandes efectos sobre los sistemas FSO.


14

• Dispersión atmosférica: la “dispersión atmosférica” es el proceso por el cual pequeñas partículas suspendidas en la atmósfera hacen que una porción de la radiación incidente se propague en cualquier dirección. De este modo, la dispersión atmosférica representa una redistribución espacial de energía.

La dispersión atmosférica es una función de la longitud de onda de la

radiación y del tamaño (diámetro) de las partículas presentes en la atmósfera.

Podemos definir dos tipos principales de dispersión atmosférica: dispersión

de Rayleigh y dispersión de Mie.

A-Dispersión de Rayleigh: ocurre cuando las partículas que provocan la dispersión tienen un diámetro más pequeño que la longitud de onda de la radiación. La intensidad de la dispersión varía con λ-4, donde λ es la longitud de onda. Este tipo de dispersión es responsable del color azul del cielo.


15

B-Dispersión de Mie: ocurre cuando las partículas que provocan la

dispersión tienen el diámetro igual o mayor que la longitud de onda de la radiación. Este tipo de dispersión no es muy dependiente de la longitud de onda de la radiación. La dispersión de Mie es responsable por el color blanco de las nubes.

También se conoce como “interferencia por niebla” y es el mayor desafío

en comunicaciones FSO dado que la neblina es el evento atmosférico que más afecta a estos sistemas. La niebla es vapor compuesto por gotas de agua con un diámetro de pocos cientos de micrones, tan densas y pequeñas que funcionan como prismas distorsionando y atenuando la señal óptica. Por lo tanto, pueden modificar las características de la luz o detener completamente su pasaje debido a una combinación de absorción, dispersión y reflexión.

En áreas de niebla densa frecuente a menudo es necesario utilizar lásers

de 1550 nm debido a la mayor potencia transmitida a esta longitud de onda. La solución para lograr disponibilidad del enlace bajo condiciones de

niebla es que el salto sea pequeño (200-500m) y agregar redundancias.

No fog – Visibility well over 2km

Light fog – Visibility over 1 km

Thick fog – Visibility 400m

In clear conditions, the system automatically reduces output power to a lower level, down to 1/16 of maximum. Overload of the receiver is avoided even in bright sunny conditions

In moderate conditions, the controller turns the power up to ensure optimum power received at both ends of the link. Sophisticated on-board software avoids overload or drop-out

In bad conditions, the controller can increase the power to maximum output for a given product type. Note: This means you can install a 4km FSO system say at 600m, to increase availability beyond that which a nominal 1km system could provide


16

2. Obstrucciones físicas: los pájaros y el crecimiento del follaje pueden

obstruir el haz ocasionando interrupciones temporarias (intermitentes y semipermanentes) y la transmisión puede recuperarse rápidamente. En situaciones de interrupción, el ancho de banda se reduce para mantener la conectividad con una baja tasa de datos.

3. Cintilación: representa fluctuaciones rápidas y de pequeña escala en el índice de refracción de la atmósfera, que ocurre debido a la turbulencia atmosférica. Esta turbulencia es causada por el viento y por gradientes de temperatura que crean paquetes de aire que rápidamente modifican su densidad y, de esta manera, muy velozmente cambian los índices de refracción óptica. Como consecuencia, ocurren pequeñas variaciones en los tiempos de llegada de los diversos componentes del frente de onda del haz del láser, produciéndose interferencia constructiva y destructiva.

Los sistemas FSO pueden negociar bajo cintilación enviando la misma información desde varios transmisores lásers separados. Estos se montan en el mismo domicilio, o “cabezal”, pero separados uno del otro por distancias de 2 m aproximadamente. Muy probablemente al menos uno de los haces impactará en el nodo “blanco” con una intensidad adecuada para que sea recibido convenientemente. Esta aproximación se denomina “diversity espacial”. Como efecto final se obtiene una fluctuación temporal de la intensidad del láser en el receptor. Estas fluctuaciones de intensidad son semejantes al “parpadeo” de una estrella distante.

4. Limpieza de las partes ópticas: a menudo los sistemas FSO están sujetos a suciedad principalmente debido al rocío y/o polvo. Prestar atención para mantener siempre la óptica limpia.

5. Oscilación de edificios: los sistemas FSO desplegados sobre edificios muy altos están sujetos a oscilación debido al viento o a la actividad sísmica. Esto afecta la dirección del haz. El problema puede ser tratado en dos formas: “divergencia del haz” y “seguimiento activo”. En el primer caso, se permite una divergencia en el haz transmitido dentro de un amplio cono óptico. Una solución al problema más sofisticada y cara es un sistema de traking activo basado en espejos móviles que controlan la dirección en la cual los llegan los haces. Un mecanismo de realimentación continuamente ajusta los espejos de modo que los haces den sobre el blanco.


17

6. Seguridad: frecuentemente, la seguridad de un sistema FSO es un tema a considerar debido a que utilizan lásers para la transmisión. Los dos aspectos mas importantes se relacionan con la exposición a haces láser (especialmente el ojo) y los altos voltajes empleados por los sistemas láser y sus fuentes de poder. Generalmente, el equipo FSO trabaja en una de estas dos longitudes de onda: 850 nm o 1550 nm. Los lásers de 1550 nm usualmente se utilizan para transmisión si bien son mucho más caros que uno que trabaja a 850 nm. Esto es debido a que la radiación infrarroja a 1550 nm no llegan a alcanzar la retina en el ojo siendo en su mayor parte absorbido en la córnea. Las regulaciones permiten operar esta longitud de onda con altas potencias antes que un haz en 850 nm, por alrededor de dos órdenes de magnitud.

El incremento de potencia puede aumentar la longitud del enlace por un factor de al menos cinco veces manteniendo un nivel de señal adecuado para la operación del enlace. Alternativamente, puede aumentarse considerablemente la tasa de datos sobre la misma longitud del enlace. Por ende, un sistema láser de 1550 nm es una buena solución para lograr altas tasas y largas distancias en presencia de la peor condición de propagación (niebla).

Circular beam combats X & Y movement

Older product – Narrow Elliptical beam. Misaligns in wind, vibration & building movement

10m

1,000m

Wide beam – no need for complex auto-tracking


18

Figura. Response/absorption of the human eye at various wavelengths


___ Photopic eye response ------ Total absorption across near-IR wavelengths

19

CAPITULO V: CARACTERISTICAS DE UN SISTEMA FSO

Las características de los sistemas FSO serán evaluadas a través del “balance de potencia”:

BALANCE DE POTENCIA = POTENCIA MEDIA EN EL TX – POTENCIA MEDIA EN

EL RX (para un BER dado) – PÉRDIDAS EN EL ENLACE Para garantizar el BER (tasa de error de Bit) específico, el balance de

potencia NO puede ser negativo. Las pérdidas por el aumento del diámetro del haz serán tan grandes

cuanto menor sea el área del receptor. El fenómeno de la cintilación se caracteriza por fluctuaciones espaciales y

temporales en la intensidad de la señal recibida. La pérdida por cintilación puede ser reducida con la utilización de múltiples haces transmisores y el aumento del área del receptor.

• Ley de Beer: la atenuación atmosférica se describe por esta ley:

Siendo: ζ(R): transmitancia a la distancia “R”. P(R): potencia del láser a la distancia “R” P(0): potencia del láser en la fuente emisora. σ: coeficiente total de atenuación (m-1).

• σ(coeficiente total de atenuación): constituido por cuatro términos

ζ(R)= P(R)/ P(O) = e-σR

σ= σm + σa + βm + βa


20

Siendo:

σm: coeficiente de absorción molecular.

σa : coeficiente de absorción de aerosol.

βm: coeficiente de dispersión de Rayleigh.

βa: coeficiente de dispersión de Mie. En las longitudes de onda de interés (entre 780 nm y 1550 nm), la

atenuación por absorción molecular, o por absorción de aerosol es despreciable. El coeficiente de atenuación es dominado por la dispersión de Mie que, a su vez, es función de la visibilidad. Por lo tanto, en las longitudes de onda de interés:

Visibilidad: técnicamente se la define como la distancia en la cual la

intensidad de luz decrece 2% de su valor inicial. Cualitativamente, la visibilidad es la máxima distancia en la cual aún es posible distinguir un objeto oscuro contra el horizonte.

La variación del coeficiente de atenuación con la visibilidad es descrita

como: Con: V: visibilidad (km)

λ: longitud de onda (nm) q=1.6 (si V>50km); q=1.3 (6 km<V<50km); q= 0.58V1/3 (V<6 km)

σ= βa

σ= βa = 3.91/V . (λ/550)-q


21

Entonces:

• Margen de atenuación atmosférica (dB) y la visibilidad en función de la longitud del enlace (km).

• Disponibilidad (en % de tiempo) de un sistema FSO en función de la longitud del enlace (km) para ciudades de interés.

• La potencia de salida del transmisor y la sensibilidad del receptor (para un BER dado) proporcionan un margen de atenuación atmosférica tolerante.

• La Ley de Beer se utiliza para determinar la longitud máxima del enlace. • Por lo tanto, los datos de visibilidad se utilizan para establecer la

disponibilidad del sistema FSO.


22

CAPITULO VI: PROYECTO DE ENLACES FSO

La Figura 1 ilustra los mayores subsistemas que conforman un sistema de comunicaciones ópticas de espacio libre. La apertura óptica de un sistema FSO puede tener una variedad infinita de formas y alguna variedad de funcionamiento. Puede ser refractiva, reflectiva, difractiva o combinaciones de estas. En la figura, el transmisor, el receptor y el telescopio de seguimiento están ilustrados como aperturas ópticas separadas; si bien existen varias configuraciones posibles, por ejemplo una única óptica cumple todas las funciones reduciendo costos, peso y tamaño. Del lado transmisor, aspectos importantes del sistema óptico son el tamaño y la calidad. El tamaño determina el máximo flujo del láser seguro para el ojo permitido fuera de la apertura y también puede prevenir bloqueos debido a aves. La calidad determina la divergencia mínima obtenible con el sistema. Sobre el lado receptor, los aspectos más importantes son el número “f” y el tamaño de la apertura. El tamaño de la apertura determina la cantidad de luz recibida por el receptor y el número “f” determina el campo de visión del detector.

El campo visual del sistema óptico de seguimiento debe ser lo

suficientemente amplio para adquirir y mantener la integridad del enlace para el detector espacial y el sistema de control de seguimiento.


23

6.1 Parámetros fundamentales para el enlace

Existen cinco parámetros fundamentales en cualquier sistema FSO que determinan cuanta energía luminosa impacta desde un terminal a otro y, en consecuencia, la perfomance general del enlace.

1-Potencia transmitida

Obviamente, la mayor potencia es lo mejor. Si el haz de luz sale del

terminal con mayor potencia puede compensar la pérdida atmosférica en el camino al terminal opuesto. Mayor potencia, entonces, permite penetrar completamente la atmósfera para obtener mayores rangos de enlace.

Inversamente, para un enlace dado, mayores potencias incrementan la

disponibilidad del enlace (la cantidad de tiempo que el enlace funciona correctamente) debido a que pueden operar bajo condiciones difíciles de tiempo (p.e. la más densa niebla).

2-Divergencia del haz transmitido El haz de luz que sale del transmisor no es un haz láser perfectamente

colimado; hay un cono angular o “ángulo de divergencia”, tal como se muestra en la figura 2.

A causa de esto, el haz de luz impacta más ampliamente sobre el

receptor. Consecuentemente, no toda la luz del haz impacta sobre la apertura del receptor. Minimizando la divergencia del haz, más luz se concentra sobre la apertura del terminal receptor opuesto.

En particular, al reducir la divergencia, la mayor dificultad es mantener la

alineación del haz con la línea de vista (LSO) entre dos terminales. Los disturbios externos, tales como el movimiento del edificio, las vibraciones del montaje y las ráfagas de viento, causan el movimiento del terminal respecto de la LOS y se pierde el haz transmitido.


24

Estos movimientos pueden causar errores en la transmisión y si son lo

suficientemente amplios podrían desplazar el haz completamente fuera del terminal opuesto, resultando en la pérdida del enlace. Si la divergencia del haz es muy amplia, podríamos soportar una cierta cantidad de movimiento sin sacrificar perfomance, figura 3.

5-Pérdidas ópticas Así como el haz viaja por la atmósfera, también sale desde el sistema

óptico de cada terminal antes de, finalmente, llegar al receptor. En algunos casos, podría estar involucrada una ventana externa. Cada componente óptico puede absorber, reflejar o dispersar alguna porción de luz, reduciendo la potencia total recibida. Es sumamente importante diseñar un sistema ópticamente eficiente.

6.2 Márgen del enlace

Históricamente, el parámetro más significativo para describir la

perfomance de un enlace FSO ha sido el “margen del enlace”. Básicamente, este es la cantidad de luz recibida por un terminal y que es necesaria para mantener activo el enlace, ambas bajo condiciones de cielo limpio (de allí el término “Márgen”), para una BER (tasa de error de bit) especificada y conocida comúnmente como “margen con cielo claro”. Usualmente se expresa en dB (decibeles), donde:


3-Area de apertura del receptor Aperturas grandes en el receptor permiten capturar mayor cantidad de luz. 4-Sensibilidad del receptor Se define como el mínimo nivel de potencia que puede detectarse manteniendo una tasa de error de bit (BER) especificada.

25

Por ejemplo, supongamos que el receptor necesita recibir un mínimo de 5 nanoWatts de potencia óptica para mantener activo el enlace. Si las condiciones de recepción son tales que el receptor actualmente reciba 500 nanoWatts, entonces el margen del enlace es de 20 dB (100 veces la potencia requerida para mantener el enlace activo). En promedio, más del 99.99 % de la potencia en el haz transmitido puede ser atenuada en la atmósfera antes que el enlace se caiga.

Por otra parte, el “Margen operacional” del enlace es la relación medida

en “dB” entre la mínima potencia óptica requerida para mantener una perfomance especificada y la cantidad actual de potencia óptica requerida para operar satisfactoriamente el enlace bajo condiciones de operación no ideales tales como niebla y lluvia.

Tampoco debemos confundir valores expresados en “dB” con valores

expresados en “dBm.” dBm se define como sigue:

A diferencia del “dB”, que es una medida relativa entre dos valores,

“dBm” es una medida de potencia absoluta en relación a 1 milliWatt. Por ejemplo, un valor de 3 dBm mide un nivel de potencia doble respecto a 1 mW, igual a 2 mW. De manera similar, valores negativos en “dBm” se refieren a niveles de potencia menores que 1 miliWatt. Por ejemplo, “–3 dBm” indica un nivel de potencia mitad respecto de 1 mW, o 0.5 mW.

Tanto la “sensibilidad del receptor” como la “potencia de salida del

transmisor” a menudo se expresan en “dBm” (-dBm para la primera, +dBm para el ultimo).


26

6.3 Disponibilidad del enlace Por razones de falla en el equipamiento, atenuaciòn relacionada con el

clima (lluvia, nieve, niebla, nubes bajas), desvanecimiento por centelleo atmosférico, o por obstrucciones transitorias pueden producirse pérdidas temporales de señal entre el transmisor y el receptor. Típicamente resulta que la óptica del receptor no recibe suficientes fotones desde el láser transmisor. El número y la duración acumulada de estos cortes en el enlace durante un año finalmente determinan la “disponibilidad del enlace” (medida en segundos). Este concepto es complementario al de calidad de servicio “QoS”.

Actualmente, se considera adecuada una disponibilidad del 99.999 %,

(cinco “nueves”) esto implica una no disponibilidad máxima del enlace de solamente 5.2 minutos por año. Para mantener una disponibilidad del enlace del 99.999%, el rango del enlace debería limitarse típicamente a menos de un kilómetro, y esta distancia dependerá fuertemente de la probabilidad de alta intensidad en la caída de lluvia y niebla densa en al área geográfica donde se utilice el sistema FSO. Para una familia de productos y un margen de enlace dados, y para una ciudad y elevación determinada; la disponibilidad puede ser determinada de dos formas diferentes: 1) Para una distancia de enlace fija, calcular la disponibilidad; o 2) Para una disponibilidad de enlace deseada, podríamos calcular la máxima distancia de enlace que la familia de productos soportará.


27

CAPITULO VII: EJEMPLOS DE SISTEMAS COMERCIALES Y APLICACIONES

Serie DT -100 de Canon


28


29

CONCLUSIONES • Los sistemas FSO pueden ser muy útiles para enlaces a corta distancia y

de alta velocidad, especialmente en sitios donde la niebla no es frecuente.

• La fiabilidad se puede aumentar si se combinan con enlaces de radio.


30

• Los precios de los equipos continúan disminuyendo, gracias a la gran

disponibilidad de dispositivos para fibras ópticas, incluyendo los multiplexores por división de longitud de onda que permiten aumentar dramáticamente la capacidad de transmisión.

• Los sistemas FSO de comunicaciones ópticas en el espacio libre tienen la

ventaja de corto plazo y bajo costo de instalación con un desempeño parecido a los sistemas de comunicaciones en fibra óptica. Sin embargo, son vulnerables a los efectos atmosféricos, que limitan su alcance y su disponibilidad. Tienen mayor aplicación en los enlaces cortos (< 500 m) en donde pueden ofrecer una disponibilidad de hasta 5 nueves (99.999% del tiempo).

• FSO es una tecnología complementaria a DSL, Microondas Punto-Punto,

Banda de Radio ISM, Microondas LMDS y Fibra Óptica para conectividad de banda ancha multipunto. Las limitaciones en la distancia de enlace son balanceadas por las altas tasas de datos, la operación sin licencia, bajo costo de entrada y la futura escalabilidad a arquitectura multipunto virtual.

• Wireless óptico es una tecnología complementaria a DSL, Microondas

Punto-Punto, Banda de Radio ISM, Microondas LMDS y Fibra Óptica; para conectividad multipunto banda ancha.


31


32

BIBLIOGRAFÍA • ARES, ROBERTO. Telecomunicaciones Digitales: por cable, por fibras

ópticas, por radioenlace de microondas. H.A.S.A. 1985. • BLOOM, SCOOT. PHD. The Physics of Free-space optics. White Paper.

www.freespaceoptics.com • CABLEFREE SOLUTIONS LIMITED. Metropolitan Area Networks using Optical

Wireless. Application Note. www.cablefree.co.uk • CABLEFREE SOLUTIONS LIMITED. Broadband Point-to-Multipoint -

Technology Comparisons. Application Note. www.cablefree.co.uk • CANON. Canobeam FSO. Presentación. • CITEL. Tecnologías Emergentes de Banda Ancha Inalámbrica: Millimeter

Wave y Free Space Optics. 2003. • FSONA COMMUNICATIONS CORP. Defining a Common Standard for

Evaluating and Comparing Free-Space Optical Products. White Paper. www.sona.com.

• FSONA COMMUNICATIONS CORP. Optical Wireless: low-cost, broadband,

optical access. White Paper. • FSONA COMMUNICATIONS CORPORATION. Wavelength Selection for

Optical Wireless Communications Systems. 2001. • FSONA COMMUNICATIONS CORP. Free Space Optics with RF Diversity.

Application Note. • G. HANSEL, E. KUBE. Simulation in the Design Process of Free Space Optical

Transmission Systems. Teleconnect GmbH Dresden. Paper. 2001. • KOREVAAR, ERIC; KIM, ISAAC I.; MCARTHUR, BRUCE. Atmospheric

Propagation Characteristics of Highest Importance to Commercial Free Space Optics. MRV Communications. Paper.

• LIGHTPOINTE™. DUALPATH™ architecture for outdoor wireless products:

fast Ethernet throughput and 99.999% uptime. White Paper. www.lightpointe.com

• LIGHTPOINTE™. Optical Wireless Solutions Based on Free-Space Optics

(FSO) Technology. White Paper.


33

• LIGHTPOINTE™. Optical Wireless Security. White Paper. • LIGHTPOINTE™. Disasters Recovery Solutions. Application Brief. • LIGHTPOINTE™. Engineering Service Solutions. Application Brief. • LIGHTPOINTE™. Enterprise Solutions. Application Brief. • LIGHTPOINTE™. Healthcare Solutions. Application Brief. • LIGHTPOINTE™. Network Security Solutions. Application Brief. • LIGHTPOINTE™. Telco Bypass Solutions. Application Brief. • LIGHTPOINTE™. Video Services Solutions. Application Brief. • LIGHTPOINTE™. VoIP Solutions. Application Brief. • MRV COMMUNICATIONS. TereScopeTM 155 Protocol Independent Series.

Data Sheet. • MRV COMMUNICATIONS. Terescope 1 (TS1. Photonic Air Link (PAL)

Technology. Technical Paper. 2002. • O'BRIEN, DOMINIC. Free Space optical links for broadband wireless

communication. University of Oxford. • OPTICAL ACCESSMESH™. Comparison between a Meshed Wireless Optical

Access Network and a Reference LMDS Alternative. Paper. • SANS INSTITUTE. Free-Space Optics: A Viable, Secure Last-Mile Solution?

Paper. 2002. • SOUZA, J.R. Comunicaciones ópticas en el espacio libre. CETUC-PUC/Río. • VAIDYANATHAN RAMASARMA. Free Space Optics: A Viable Last-Mile

Solution. Bechtel Telecommunications Technical Journal. December 2002. • WELLS, JONATHAN. PHD. Technology comparison: WiFiberTM vs. Free

Space Optics. GigaBeam Wireless Fiber. White Paper. 2005.


34

ANEXOS A1-

March 7, 2005 Primer: Free Space Optics

By David F. Carr A wireless network that uses light beams instead of radio waves. What is it? Free space optics technology is wireless networking that uses light beams instead of radio waves; it's laser-based optical networking without the fiber optic cable. In corporate networks, the most common application is wireless campus networking—typically, a rooftop-to-rooftop connection between buildings. Or the laser beam might be shot out one building's window into the window of a building across the street. What are the advantages? Wavelengths for these transmissions do not require a Federal Communications Commission license. While this is true of some wireless networking schemes based on radio-frequency transmissions, free space optics is immune to the radio interference that can sometimes sabotage those systems. Jeff Orr, a senior product marketing manager at Proxim, says radio-frequency products have erased the bandwidth advantage that free space optics once enjoyed. He concedes that his high-end products cost about twice as much as a free space optics unit with the same capacity (about $75,000 for a gigabit radio link versus $40,000 for an FSO alternative). What are the disadvantages? Transmissions fade rapidly in certain kinds of weather—fog, in particular. Isaac Kim, director of optical transport at MRV Communications, says fog droplets scatter the wavelengths of light used in free space optics. The power of the beam can't be increased because of concerns that the lasers might be dangerous to the eyes of anyone who happens to walk through a souped-up beam. Technical innovation has focused more on lowering costs than increasing the range of the optics equipment. To maximize availability, you can use a combination of free space optics and radiofrequency gear. What's the real range? A conservative estimate is up to 500 meters for a free space optics-only solution, or 1 to 2 kilometers (about a mile) for free space optics with a radio-frequency backup. You can stretch this in dry areas.


35

Who are the vendors? The most recognizable name is Canon, better known for cameras and copiers. LightPointe is a specialist in this niche, where many startups have long since come and gone. MRV Communications offers free space optics gear as an adjunct to its fiber optic and Ethernet solutions. Who will vouch for it? Fred Murphy, associate director of information technology for Jazz at Lincoln Center, says free space optics equipment proved ideal for connecting the center's new auditorium with its administrative offices. "We were so much within that range that it's ridiculous," he says. "We're literally across a New York City street." By shooting a laser out the window of one building into the window of rather than paying the phone company for the bandwidth. Establishing a fiber optic link between the two buildings would have been prohibitively expensive because of the complication of digging up a New York street. Paul Wolf, an engineering technology manager at CDI Business Solutions, was initially a reluctant customer of LightPointe's FSO technology when his company started using it to connect two buildings in Houston. He worried about how many complaints would be waiting for him the first time fog knocked out the link. But the setup failed-over smoothly to a redundant RF link when the light beam was interrupted, and in two years the connection has had zero downtime, he says: "Now, I don't even think about it." Any other downsides? In addition to fog, you could run into problems with atmospheric effects such as scintillation (the "waves of heat" pattern you sometimes see over dark surfaces). Also, urban rooftop-to-rooftop setups sometimes run into problems because tall buildings sway slightly in the wind, throwing off the aim of the tightly focused lasers.

Tell us what you think: [email protected] A-2 Free-space optics restores communications after Sept. 11

By Carolyn Mathas

Within a few blocks of Sept. 11's ground zero, on and near Centre Street, sit eight buildings of the Manhattan Courthouse system, a division of the New York state Unified Court System. The Sept. 11 attacks severely damaged segments of the court's communications system. To reconnect the Manhattan buildings to each other and to facilities located throughout the state, telecommunications specialists at the court system turned to an emerging optical communications technology: free-space optics.


36

Within the Centre Street vicinity are eight of nine lower Manhattan court buildings. The ninth facility, the New York state Court of Claims was unfortunately housed in 5 World Trade Center. Although the court's three judges and staff were successfully evacuated on Sept. 11, three court officers involved with the emergency operations were lost in the building's collapse.

According to Sheng Guo, chief technical officer for the Manhattan Court system, "Data communications were virtually destroyed as a result of the attacks. We had fiber coming down from Albany, and although the optical-fiber connection was still live, local connections were down. All T1 links from the main fiber feed were vanished. Our carrier's lines were down. In effect, all data and voice communications for the court system in Manhattan were shut down."

Before 9/11

Even before the tragic events of Sept. 11, Guo began researching an alternative to its existing network and its inherent response time and bottleneck problems. Although a viable alternative would be to create a private fiber-optic network, two buildings in the Manhattan system were still without fiber-optic cable. These buildings, located next to the African-American burial grounds, a historical landmark, were subject to a prohibition against the laying of fiber until an archeologist and anthropologist could ensure no human remains were disturbed. Thus, within the CourtNet system, a combination of fiber and wireless technology served about 2,500 people in courtrooms, chambers, and offices prior to the attacks.

In his research, Guo saw an ad featuring free-space-optics technology from Canon Broadcast & Commun ications (Lake Success, NY) and was intrigued by the quoted performance specifications. "However, by the time I called Canon on Sept. 15, I had an emergency and needed to provide not just enhanced but basic services and do so immediately," Guo recalls.


37

When he called the company on Sept. 15, a Saturday, Guo was referred to an after-hours emergency number. Ken Ito, senior product manager for Canon Broadcast & Communications, returned Guo's call, and a marathon weekend of locating equipment, training, and installation began. "Because it was a Saturday, I couldn't go through standard procedures-cut a purchase order, obtain the necessary approvals, etc. I told Ken, "Just trust my word, and he did," says Guo.

"There were several logistics problems," explains Ito. "I checked on the availability of equipment at the warehouse, and fortunately it was in stock. We agreed that Sunday morning I would open the warehouse and have our staff available to train the court's installation crew. Sheng and I contacted our respective staffs and on Sunday provided approximately an hour of training to three court engineers. Everyone involved made tremendous efforts to reach New Jersey on Sunday morning, since the city was still locked down."

According to Ito, each Canonbeam system could transmit up to 622 Mbits/sec in a straight-line distance of up to 2 km. The equipment featured fast setup and auto-tracking alignment technology and supported SNMP.

The high bandwidth provided by Canonbeam allowed the courts to effectively implement voice over IP (VoIP) throughout the CourtNet system at a time when traditional phone lines and cellular service were unavailable or undependable.


38

Using two groups of three or four installers on each building, installation began almost immediately. Questions throughout the installation process were handled over intermittently working cell phones. By the evening of Sept. 17, critical functions were re stored to the court system.

"We had no direct experience with free-space optics, reports Guo. "We were taking a risk, but an emergency forced us to do so. Under normal conditions, we may have come to the conclusion we couldn't afford this technology at that particular time. How ever, when court communications couldn't function, all of a sudden free-space optics was a bargain. There was nothing to lose since nothing was working."

By early October, the court's data network at its 123 Williams Street location was still not working. Guo says they went onto the building's rooftop, established line of sight, and purchased and installed another free-space system. Shortly thereafter, they also moved forward with a third system at 71 Thomas Street.

Currently, all systems are up and running and provide Fast Ethernet connections between the buildings. Providing additional capacity, up to OC-12, will simply involve trading out interface cards.

"Free-space optics is often perceived as being very new," says Ito. "It's thought to be more complicated than it actually is. The technology is very simple, and the way equipment is produced today, auto-tracking features are built-in and alignment is performed by the equipment."

Ito says system vendors such as Canon Broadcast & Communications have discussed the immediate disaster recovery benefits of free-space optical technology for quite some time. Although Ito says he was not expecting a call from the court system, the results highlight the technology's potential.

Lightwave. February, 2002


optical wireless

Travel