MATERIALS AND METHODS

logra mediante la interfaz A-bis, la cual es un enlace de microondas dedicado entre la CS y BS, como se ve en la siguiente figura.

Figura 4.14 Enlace tradicional entre BS y CS

Lo que se propone en este estudio es en una primera parte sustituir esa interfaz por un enlace de fibra óptica entre las diversas BSs que controla una CS.

A- bis A- bis CS BS BS Procesamiento para RF Procesamiento para RF

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Figura 4.15 Simple conexión vía fibra entre BS y CS

Hasta este punto es indiferente para la BS el tener una u otra conexión física, pues las funciones que desempeña siguen siendo las mismas incluyendo la modulación, demodulación, asignación de canales, etc. Dejando claro que este cambio provoca la necesidad de distintos dispositivos para lograr el enlace óptico.

De esta forma sería inútil realizar el trabajo y gasto para cambiar la interfaz. Pero si tomamos en cuenta los beneficios enormes que ofrece la comunicación óptica respecto al ancho de banda disponible y distancia en el enlace con pérdidas mínimas, por citar algunos, sería correcto pensar que se puede realizar un cambio a la configuración con el propósito de mejorar de algún modo el sistema.

Como hemos visto, el avance de la tecnología óptica permite la posibilidad del envío de las señales por el medio incluso cuando su frecuencia sea alta y además ofreciendo un mayor ancho de banda.

CS

Procesamiento para RF Procesamiento

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Con los dispositivos adecuados, existe la posibilidad de enviar señales de RF necesarias para el trabajo del sistema GSM, desde un punto central distribuyéndolas por la fibra óptica, resultando así que las BSs sean más simples, sin la necesidad de equipo para procesar la señal y de menor costo, ya que las únicas funciones a realizar serán la conversión óptico eléctrica y viceversa, y la transmisión-recepción de las señales hacia y desde las MSs.

Figura 4.16 Enlace de fibra entre BS y CS con RoF

Las configuraciones antes mencionadas pueden ser aplicables para dar soporte a la distribución del sistema celular GSM utilizando una gama de dispositivos ópticos de distintas características según las necesidades.

Factores que intervienen al momento de escoger los dispositivos a utilizar son la cantidad de tráfico que será manejado, la distancia a la que se encuentra la BS de la CS y la fiabilidad requerida para el enlace.

CS Procesamiento completo de la señal BS BS BS

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Ahora analizaremos los elementos que compondrían a la BS y la CS en cada configuración distinta.

4.4.1 Configuración con IM/DD

Figura 4.17 Aplicación en configuración IM/DD con modulación directa a) CS y b) BS

Para el uso de la configuración con IM-DD se observan en la Figura 4.17 los elementos que ocupa cada bloque. En la CS el tratamiento de la señal y el procesamiento se efectúan por un procesador de señales o etapa procesadora. Para los elementos correspondientes al enlace, en el caso de ser de bajada, se

Láser DFB BS Fotodiodo PIN Señal a 1.9 GHz Señal a 1.9 GHz

LNA: Amplificador de bajo ruido Fibra monomodo LNA Láser DFB Modulador de microondas Generador de microondas Procesador de señales CS Fotodiodo PIN Demodulador Señal a 1.9 GHz Señal a 1.9 GHz Datos de subida Datos de bajada Fibra monomodo 9/125 nm b) a)

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propone el uso del láser DFB por las características que permiten modulación directa a altas velocidades. La corriente de éste será alimentada por la señal de datos modulada a la frecuencia de transmisión en RF. Entonces la señal es transmitida por fibra monomodo, que permitirá mayor alcance. La fibra podrá ser sustituida por tipo multimodo de índice gradual en caso de no ser distancias muy largas o no ocupar ningún tipo de multicanalización. En el enlace de subida la recepción será con un fotodiodo PIN, por las características de sensibilidad, y ya que en la BS se usa una fuente óptica, la señal llegará con la suficiente potencia. La traducción de señal óptica a eléctrica continuará en la RF de trabajo asignada, entonces será necesario demodularla y obtener la señal de datos.

En el caso de la BS, que como sabemos su constitución debe ser muy sencilla para este tipo de configuración, contará con un fotodiodo PIN y un amplificador de potencia para el enlace de subida. Así se logra la conversión óptico-eléctrica y se le da la energía necesaria a la señal para poder ser radiada por la antena. Para el enlace de bajada se cuenta con un bloque de RF, este consta de filtro pasabanda que limitará la recepción a la banda asignada y un amplificador de bajo ruido (LNA) el cual limpiará la señal reduciendo el ruido del circuito y amplificando la señal. Éste debe estar ajustado de tal forma que no rebase los parámetros de entrada soportados por el diodo láser DFB conectado a él. Este último será modulado en intensidad luminosa por la corriente recibida y la enviará a la CS. Si dentro de la planeación con este tipo de configuración resulta muy costoso el uso del láser DFB, puede usarse otro tipo de menor costo y, claro, de menores capacidades. Si el láser colocado no puede trabajar a la capacidad de modulación será necesario el uso de un modulador externo. Para esta clase de diseño proponemos el uso del láser de Fabry-perot junto con un modulador Mach- Zehnder. Este último incrementará en gran medida las capacidades de modulación llegando a ser incluso mayores que las logradas en el caso anterior. Sin embargo,

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al usar un modulador externo existen pérdidas por acoplamiento. En la Figura 4.18 encontramos el diagrama de CS y BS.

Figura 4.18 Aplicación en configuración IM/DD con modulación externa a) CS y b) BS

Como se observa, los únicos elementos que cambian respecto a la configuración anterior son las fuentes transmisoras y la necesidad del modulador óptico. El modulador usado es el Mach-Zehnder, que llega a estar sobrado en capacidad ya que los 60 o más GHz que alcanza superan a los 1.9 GHz que utilizamos. Pensando en necesidades futuras y migraciones de tecnología su uso es bien justificado. BS Señal a 1.9 GHz Señal a 1.9 GHz b) Fibra monomodo LNA Fotodiodo PIN Láser Fabry- Perot Modulador Mach- Zehnder Láser Fabry- Perot Modulador de microondas Generador de microondas Procesador de señales CS Demodulador Señal a 1.9 GHz Señal a 1.9 GHz Datos de subida Datos de bajada a) Fibra monomodo 9/125 nm Modulador Mach- Zehnder Fotodiodo PIN

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4.4.2 Configuración con incremento y decremento de frecuencia

Ahora veremos los elementos prácticos para usar un enlace en el que no se transmite precisamente a RF, pues la frecuencia de trabajo es reducida para el transporte.

Figura 4.19 Aplicación en configuración con incremento y decremento de frecuencia a) CS y b) BS BS Señal a IF Señal a IF b) Fibra monomodo LNA Fotodiodo PIN VCSEL Modulador De electro- absorción Modulador RF Generador RF Señal a RF Demodulador RF VCSEL Modulador IF Generador IF Procesador de señales CS Demodulador IF Señal a IF Señal a IF Datos de subida Datos de bajada a) Fibra monomodo 9/125 nm Modulador de electro- absorción Fotodiodo PIN

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En la CS se utilizará de forma primaria un modulador de ondas a una frecuencia intermedia para conversión de la señal de datos proveniente del procesador, por lo que para la transmisión óptica no será necesario el uso de una fuente muy poderosa. En este ejemplo se propone usar un láser VCSEL, ya que no es tan costoso como sus similares y cuenta con una transmisión bastante coherente. Además, con el uso de un modulador de electroabsorción externo podrá trabajar sin problemas a las velocidades requeridas, contando con que la frecuencia a la que se modulará no será muy grande. Para el enlace de bajada se repite el elemento común y más usado de detección (fotodiodo PIN) y un demodulador de IF para recuperar los datos en banda base.

Por la parte de la BS, el enlace de bajada comienza con el receptor, (de nuevo el confiable fotodiodo PIN), la señal recuperada por éste se encontrará a la frecuencia de envío (IF) por lo que se necesitan los elementos para convertirla o subirla a la señal de transmisión de 1.9 GHz. Estos son un generador y modulador a tal frecuencia. Este generador servirá igual para el enlace de subida pues se logrará la operación contraria: bajar la frecuencia a la IF en uso. Se realiza con esta señal la conversión óptica usando, igual que en la CS un láser VCSEL y un modulador externo (EAM).

Aunque en estas propuestas los mismos tipos de fuentes y moduladores son usados en ambos lados de la conexión, esto no es un requerimiento pues siempre que se cumplan con las características necesarias es posible usar cualquier tipo de elemento. Evitando en la medida el uso de conexiones innecesarias que incrementen las pérdidas.

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4.4.3 Configuración usando técnica heterodino remota.

Como podemos observar en la Figura 4.20, ésta es la configuración más robusta en cuanto a equipo se refiere, pues se necesitan equipos similares tanto en la CS como en la BS, para el enlace óptico. En el caso del enlace de bajada la señal de datos entra en un modulador de electroabsorción, así modulándose con la señal de un diodo láser VCSEL, el cual presenta las características apropiadas de transmisión para esta configuración, que aunque no siendo el mejor láser cumple con lo requerimientos de potencia y ancho de haz y aún así no siendo tan costoso como los DFB.

Figura 4.20 configuración de heterodino remoto aplicado a la a) CS y b)BS

b) a)

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Una segunda fuente es utilizada (para poder realizar el heterodineado en el receptor), cuya señal se combinará con la de la primera fuente en un acoplador, y siendo transmitida en una fibra monomodo la cual asegura poca dispersión en el enlace. Ésta también puede ser sustituida por una fibra multimodo de índice gradual cuando la distancia no es considerable. Para el enlace de subida se cuenta con un fotodiodo APD el cual lleva a cabo la detección, esta por sus propiedades amplificadoras incrementará la potencia de la señal recibida. Aunque consume mayor energía es útil cuando existen enlaces muy largos donde la señal llegue con potencia óptica reducida.

En la parte de la BS para el enlace de bajada se cuenta con el mismo equipo que en la CS, como lo hemos estado realizando usando equipos iguales en ambos lados del enlace. Sin embargo ya que aquí es necesario un amplificador de potencia eléctrica para el envió de la señal por la antena se puede evitar el fotodiodo APD y usar el tradicional PIN. En el enlace de subida se cuanta con el equipo idéntico que en CS.

4.4.4 Configuración usando transreceptor óptico

Esta configuración es la más simple -en cuanto a equipo se refiere- en la estación base, ya que no necesita fuentes debido a que se utiliza este dispositivo transreceptor. En la CS se tienen dos fuentes láser DFB por que se necesita que la señal sea lo más coherente posible y que trabaje a velocidades más altas.

Estas fuentes emitirán dos señales diferentes pero muy cercanas en longitud de onda, para poder realizar el enlace. Una de ellas será modulada por un modulador de electroabsorción el cual recibirá una señal de un generador de RF que llevará los datos, de esta forma se transmiten las dos señales sobre la fibra óptica mediante un combinador, llegando así a la BS en el transreceptor que, como se ha

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mencionado anteriormente, convierte la primera señal al dominio eléctrico para poder transmitirla a la MS, mientras que la segunda señal es utilizada para regresar los datos de subida a la CS, al realizarse este proceso la segunda señal puede sufrir atenuaciones debido a muchos factores como es la distancia, el ruido etc., por lo que podemos utilizar un amplificador EDFA para contrarrestar estos efectos en el enlace y para que no haya pérdidas.

Figura 4.21 configuración de las estaciones CS y BS con transreceptor óptico

La señal al regresar a la CS (modulada con los datos) es detectada por un APD, el cual amplifica la señal si es que no se colocó el EDFA en el enlace, después es demodulada en RF hasta llegar al procesamiento de datos en banda base.

4.4.5 Uso de WDM con RoF

Como es posible observar en la Figura 4.16, el enlace vía fibra desde una CS puede llegar a diversas BSs sin la necesidad de agregar fibra dedicada a cada BS. Para lograr esto y aprovechar la capacidad con la que se cuenta en el medio de transmisión es necesario usar sistemas de multicanalización. Para este efecto la tecnología más usada y desarrollada es la de WDM.

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Las ventajas que provee al combinarse con RoF es simplificar la topología de la red asignando distintas longitudes de onda para BS individuales. Esto logra la posibilidad de actualizaciones de servicios y de la red más fácilmente y provee una administración más simple. El uso de WDM agrega un multicanalizador o multicanalizadores en la CS, además de los elementos que ya mencionamos, y en las BSs serán necesario filtros que retiren la longitud asignada a esa estación o el elemento multicanalizador de inserción y extracción (OADM).

Figura 4.22 Arquitectura de RoF usando WDM

En la Figura se observa de forma sencilla la idea de usar WDM para compartir el canal y conectar todas la BSs correspondientes a la CS. Por un lado la CS envía la señal multicanalizada que será repartida las veces correspondientes, donde el OADM en cada BS hará la función de aceptar la señal correspondiente con la longitud de onda requerida y rechazar el resto. Por otro lado, la CS recibirá las

… 1 2 3 . . . N λ EDFA BS 1 EAT BS 2 EAT BS N OADM … 1 2 3 . . . N λ : Portadora óptica : Bajada RF : Subida RF OADM OADM EAT CS

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señales enviadas por las BSs quienes se encargarán de adecuar la señal para enviarla a la longitud que tienen asignadas.

Incluso de esta forma aunque llegue a sonar ya no tan simple la configuración, se reducen los equipos y costos de una red GSM, pues se aprovecha enormemente el medio físico disponible y se comparten aquellos elementos que parecieran muy costosos.

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Conclusiones

Del presente estudio podemos recuperar que la existencia de los sistemas de comunicación se provoca por la necesidad o deseo de intercambiar información entre personas o grupos. El que exista tan amplia diversidad de sistemas no es más que la lógica adaptación a las necesidades existentes y al surgimiento de nuevas, así como del nacimiento de tecnologías y métodos nuevos y mejores que sustituyen a los existentes.

De la diferenciación realizada entre los sistemas guiados y no guiados podemos concluir que cada uno tiene sus ventajas propias. Respecto a estos últimos encontramos que son ideales para comunicaciones punto-multipunto pues el medio se comparte siendo este el aire y además garantizan la movilidad. El punto débil de los sistemas inalámbricos será el que el medio llega a ser saturado por todos aquellos que transmiten, lo que ocasiona tener una capacidad finita, la cual puede estar llegando a su tope a pesar de las técnicas desarrolladas para compartirlo.

Como observamos, los medios guiados como son el par trenzado, cable coaxial y fibra óptica son los más utilizados dentro de las redes de voz, datos y video, debido a las características que presentan, además de su bajo costo comparado con algunos medios inalámbricos, que nos ayudan a elegir cuál es el más adecuado para el tipo de enlace que se desee realizar.

Existen redes que emplean distintos tipos de cables en su estructura para obtener un mejor desempeño y rendimiento en la transmisión.

De los medios guiados el que más destaca por su capacidad de transmisión, parámetros y manejabilidad es la fibra óptica. Presenta un gran ancho de banda y muy baja atenuación en distancias considerables, regularmente es implementada en conexiones troncales y transmisiones de larga distancia.

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Destaca el hecho de poder transmitir a grandes distancias sin la necesidad de regeneración, la inmunidad electromagnética que presenta, el poder usar una misma fibra para transmitir distintas señales, utilizando cada una de éstas la disponibilidad del canal sin tener que asignar porciones de tiempo o frecuencia y la posibilidad de tener sistemas de comunicación todo óptico. Para sistemas de este tipo además de la fibra óptica son necesarios otros dispositivos como las fuentes luminosas, fotodetectores, amplificadores, acopladores e incluso multicanalizadores ópticos. El avance, mejoras e innovación en estos dispositivos es lo que ha permitido la introducción de los sistemas ópticos al manejo de señales de frecuencia alta, pues se ha reducido aquella limitante conocida como cuello de botella electrónico.

Así se abrió la posibilidad de aplicación de sistemas de fibra óptica en entornos donde no se utilizaba como lo es este caso el sistema de radio de GSM. Donde el funcionamiento actual - basado en una conexión entre centrales y estaciones base por una interfaz de aire a microondas y efectuando el proceso de demodulación, asignación de canales y adecuación a la frecuencia requerida - es eficiente hasta cierto punto y cubre con las necesidades de los usuarios, sin embargo puede ser mejorado. En cambio con la utilización de sistemas ópticos se propone el cambio de la arquitectura existente, logrando así una reducción en el equipo en las estaciones base y en los costos de instalación, manejo y mantenimiento de este sistema. Además con la previsión de dar abasto a la creciente demanda de ancho de banda para futuras generaciones de telefonía móvil.

Dentro del tema fundamental del estudio, el de explicar el uso de sistemas ópticos para la transmisión de señales de RF dentro del subsistema de radio de GSM corroboramos de forma teórica, es decir con fundamentos bibliográficos que usar RoF llega a ser redituable y mejora el diseño existente del sistema. Las maneras en que se hace la mejora son, en primer lugar, que la fibra óptica proporciona mejor confiabilidad al sistema pues se tiene conocimiento del

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medio de transmisión y en caso de fallo es fácil encontrar el punto a ser reparado; en segundo, y quizá el más importante, esta la reducción en el equipo necesario en la estación base y por lo tanto el consumo de energía y costos. El hecho de hacer hincapié en este punto es que cuando se incremente el número de móviles y tráfico de los mismos será necesario reducir el tamaño de las celdas, lo que significa elevar el número de BSs requeridas. Si éstas tienen el costo actual, será una inversión muy grande la que habrá de hacerse. En cambio con la arquitectura propuesta será posible realizar el crecimiento de BSs sin realizar inversiones tan considerables.

Debido a la constante expansión geográfica de los sistemas celulares como GSM, ha surgido la necesidad de buscar nuevas rutas para poder realizar enlaces de radio entre BSs, esto se vuelve complicado ya que estos enlaces deben contar con línea de vista y debido a las irregularidades en el terreno, estos enlaces se pueden volver muy complejos, es decir, se necesitan varios repetidores para un enlace punto a punto, lo cual nos lleva a una mayor inversión. En cambio implementando la tecnología RoF, esta desventaja que presenta el sistema convencional, prácticamente desaparece.

Pudimos reconocer que al llevar a cabo la arquitectura RoF se cuenta con un control centralizado el cual tiene sus ventajas, como el tener conocimiento de