Ciencias de la tecnolog�a

Art�culo de investigaci�n��

Dise�o de una red pasiva GPON para el mejoramiento de los servicios de telecomunicaciones en el cant�n Macar�

Design of a passive GPON network for the improvement of telecommunications services in the Macar� canton

Projeto de uma rede GPON passiva para a melhoria dos servi�os de telecomunica��es no cant�o de Macar�

�Piedad Mar�a Cabezas-Chica ^I

pcabezaschica@gmail.com

https://orcid.org/0000-0002-3602-1992

Javier Bernardo Cabrera-Mej�a� ^II

� jcabreram@ucacue.edu.ec

https://orcid.org/0000-0003-2027-0211

Correspondencia: pcabezaschica@gmail.com

*Recibido: 20 de mayo de 2020 *Aceptado: 29 de junio de 2020 * Publicado: 18 de julio de 2020

I. Ingeniera Comercial Menci�n en Administraci�n de Empresas, Estudiante de la Maestr�a en Tecnolog�as de la Informaci�n, Jefatura de Posgrados, Universidad Cat�lica de Cuenca, Cuenca, Ecuador.

II. Mag�ster en Redes de Comunicaciones, Ingeniero Electr�nico, Docente Investigador de la Jefatura de Posgrados, Universidad Cat�lica de Cuenca, Cuenca, Ecuador.

Resumen

El presente art�culo presenta el an�lisis t�cnico de una red de fibra �ptica hasta el hogar (FTTH por sus siglas en ingl�s), para el cant�n Macar�, Provincia de Loja en Ecuador con una densidad poblacional de 20.270 habitantes, de los cuales se ha seleccionado 1400 clientes con subdivisi�n final mediante splitters de . La investigaci�n utiliza el muestreo por conveniencia y de car�cter experimental, utilizando un escenario de simulaci�n y comparaci�n de tecnolog�as PON. De los resultados obtenidos mediante el simulador Optisystem se concluye que la tecnolog�a GPON en redes FTTH es la m�s adecuada para prestar servicios en el cant�n de an�lisis sin ning�n inconveniente, comenzando con su tasa de transferencia de 10Gbps en sentido descendente como ascendente, su alto factor de calidad, m�nimo BER y bajo jitter. Adem�s, el resultado de la simulaci�n revel� que se puede llegar hasta 60km entre el Optical Line Terminal (OLT) y la Optical Netwok Unit (ONU) u ONT, con estos valores se confirma que los resultados cumplen con la recomendaci�n de la UIT-T G.984.2.

Palabras claves: PON; GPON; diagrama de Ojo; FTTH; OLT; ONT.

Abstract

This article presents the technical analysis of a fiber optic network to the home (FTTH), for the Macar� canton, Loja Province in Ecuador with a population density of 20,270 inhabitants, of which 1,400 have been selected clients with final subdivision through splitters. The research uses convenience and experimental sampling, using a simulation and comparison scenario of PON technologies. From the results obtained using the Optisystem simulator, it is concluded that GPON technology in FTTH networks is the most appropriate to provide services in the analysis canton without any inconvenience, starting with its transfer rate of 10 Gbps in descending and ascending directions, its high quality factor, minimum BER and low jitter. Furthermore, the simulation result revealed that up to 60km can be reached between the Optical Line Terminal (OLT) and the Optical Netwok Unit (UN) or ONT, with these values confirming that the results comply with the recommendation of the ITU- T G.984.2.

Keywords: PON; GPON; Eye diagram; FTTH; OLT; ONT.

Resumo

Este artigo apresenta a an�lise t�cnica de uma rede de fibra �ptica dom�stica (FTTH), no cant�o de Macar�, prov�ncia de Loja, no Equador, com uma densidade populacional de 20.270 habitantes, dos quais 1.400 foram selecionados clientes com subdivis�o final atrav�s de divisores. A pesquisa utiliza conveni�ncia e amostragem experimental, utilizando um cen�rio de simula��o e compara��o de tecnologias PON. A partir dos resultados obtidos com o simulador Optisystem, conclui-se que a tecnologia GPON nas redes FTTH � a mais adequada para prestar servi�os no cant�o de an�lise sem nenhum inconveniente, come�ando com sua taxa de transfer�ncia de 10 Gbps nas dire��es descendente e ascendente, sua alta fator de qualidade, RCE m�nimo e jitter baixo. Al�m disso, o resultado da simula��o revelou que at� 60 km podem ser alcan�ados entre o Terminal de linha �ptica (OLT) e a Unidade de rede �ptica (ONU) ou ONT, com esses valores confirmando que os resultados est�o em conformidade com a recomenda��o da ITU- T G.984.2.

Palavras-chave: PON; GPON; Diagrama de olho; FTTH; OLT; ONT.

Introducci�n

La Uni�n Internacional de Telecomunicaciones (UIT), revel� que el 51,2%, de la poblaci�n mundial tiene acceso a Internet, es decir, que el equivalente es de 3.900 millones de personas alrededor del mundo navegan en la web. Esto representa un paso importante hacia una sociedad mundial de la informaci�n; por esta raz�n, m�s de la mitad de la poblaci�n ya est� en l�nea, sin embargo, quedan pendientes problemas relacionados con la calidad y equidad en el acceso a Internet.

En Am�rica Latina, ITUP Publicaciones presenta el informe sobre medici�n de la sociedad de la Informaci�n, en el que indica, el incremento de los abonados al servicio de Internet, en efecto, las personas pasan m�s tiempo en l�nea y cada vez m�s tiempo en actividades con gran flujo de datos, considerando el 60% de los hogares cuentan con computadores con tecnolog�a futura.

En Ecuador, seg�n el reporte del Instituto Nacional de Estad�sticas y Censos (INEC), acerca de la Tecnolog�as de la Informaci�n y Comunicaci�n (TIC�s) 2018, determin� que el acceso en el �rea urbana es del 46,6%, frente al 16,1% del �rea rural. Por ello, el prop�sito de la investigaci�n es mejorar la cobertura inal�mbrica existente, con el objetivo de fortalecer las comunicaciones a los sectores: General Eloy Alfaro (San Sebasti�n), (Manuel Enrique Rengel), del cant�n Macar�, mediante la implementaci�n de una red GPON. La cual ha sido reconocida por mucho tiempo como una tecnolog�a robusta para hogares, puesto que permite alcanzar un mayor ancho de banda comparada con el par de cobre (Berekaa, 2014).

Los aspectos detallados hacen relaci�n a la ausencia de fibra �ptica, de modo que no permite brindar el servicio esperado por el cliente, los proveedores locales CNT y Claro, ofrecen planes de Internet-datos, mediante conexi�n punto a punto, lo que causa inestabilidad en el uso, en efecto, existe d�ficit en la calidad, velocidad de conexi�n y la dificultad de asequibilidad de los servicios, situaci�n que no permite se cumpla lo solicitado por el usuario final. Seg�n el estudio realizado durante el �ltimo semestre del a�o 2019, donde el n�mero de llamadas diarias por inestabilidad en la red se ha ido incrementando en comparaci�n al a�o 2020 (Megagitel, 2020), se obtiene un indicador del 60% en solicitudes realizadas por el usuario reportando lentitud del Internet, 39% por Internet ca�do, lentitud en reparaci�n del problema 1%, dando como resultado retardos en velocidades de transmisi�n de datos.

El problema principal de estudio, se centra en la ciudad de Macar�, existe una creciente preocupaci�n en los enlaces inal�mbricos existentes, constantemente se saturan ya sea por el clima (lluvias, atenuaci�n por obst�culo), ruido en la frecuencia del espectro de la se�al, lo que provocan ca�das o p�rdidas. Partiendo de esta premisa, Megagitel, empresa proveedora de servicios de telecomunicaciones, posee poca innovaci�n tecnol�gica, provocando el incremento de quejas y reclamos por parte de los usuarios finales del cant�n; por lo que es necesario contar con una infraestructura f�sica tecnol�gica moderna, basada en fibra �ptica, como FTTH (Fiber To The Home).

Una vez analizado el problema, este art�culo tiene por objeto principal, el dise�o de una red pasiva GPON, que aumente la velocidad en la transmisi�n de datos, proporcionar los servicios con menos interferencias, mediante el an�lisis de los equipos e infraestructura �ptima, para el mejoramiento de calidad en servicio (QoS) que brinda la empresa Megagitel, en el cant�n Macar�, Provincia de Loja.

Seg�n los autores, (Guillermo Zeballos Amable, Jaime Felipe Vela, 2019), se�alan que la red GPON, por su evoluci�n a la mejora en los protocolos de comunicaci�n y est�ndares en trasmisiones TDMA (Time Division Multiple Acces), ATM (Asynchronus Transfer Mode) o Ethernet. Existen diferentes definiciones sobre redes GPON, desde hace mucho tiempo se menciona que es el medio empleado habitualmente para transmisi�n de datos, debido a sus m�nimas p�rdidas de se�al, permanencia en el uso de ancho de banda, permitiendo abarcar largas distancias con la tecnolog�a aplicada. Mientras tanto, el OLT es un equipo conectado a un divisor de distribuci�n exterior que, al mismo tiempo, est� conectado a un divisor de acceso separando a todas las instalaciones. (Kadmin, 2013), menciona que la red de acceso FTTH (Fiber To The Home), en la actualidad ha establecido competitividad econ�mica al proporcionar gastos operativos significativamente reducidos. No obstante, su conexi�n se basa en la multiplexaci�n por divisi�n de longitud de onda (WDM, por sus siglas en ingl�s), brindando flexibilidad y adaptabilidad en mejora de la red. El autor puntualiza que el tipo de red de FTTH es superior a las redes que utilizan cobre en su arquitectura, por lo que las empresas que brindan servicios de telecomunicaciones deben considerar el an�lisis de viabilidad econ�mico social, para tal efecto, garantiza la calidad y el nivel de satisfacci�n de los usuarios.

Desarrollo

Esta investigaci�n parte del estudio geogr�fico, misma que considera una topolog�a tipo anillo para el feeder y estrella para los ramales de distribuci�n que se extienden fuera del feeder con el fin de cubrir zonas lejanas del anillo. En la tabla 1 se muestra la dimensi�n m�xima de fibra �ptica a utilizar.

Tabla 1. Dimensi�n de fibra �ptica

Fibra �ptica	Longitud (m)
F.O 48H	4096
F.O 12H	3779
F.O 12H	2747
F.O 6H	7722

Fuente: Piedad Cabezas Chica

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�En la tabla 2, muestra la primera parte de los materiales usados en las cajas NAP.

Tabla 2. Listado de materiales usados en las cajas NAP

Componentes	Cantidad
Caja de empalme tipo DOMO	8
NAP	74
ODF 48 PUERTOS	2
Splitter 1:4	24
Splitter 1:16	74
SFP	32
Chasis	1
Preformados	200
Pinzas Tensor	740
Herrajes	275

Fuente: Piedad Cabezas Chica

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Todos los elementos de la red GPON est�n sincronizados para evitar colisiones y usan el protocolo TDMA (Time Divisi�n M�ltiple Access), el cual solo transmite cuando el usuario lo indica, haciendo que la durabilidad del l�ser sea mayor. La sincronizaci�n se complementa con el m�todo de ecualizaci�n para que el acceso al medio de la ONT/ONU, acorde con la distancia f�sica que le separa. En la figura 1 se encuentra la distribuci�n de los hilos de fibra �ptica con sus respectivas rutas troncales; adicional, se especifican 2 ODF.

Figura 1. Ruta Troncal

Fuente: Piedad Cabezas Chica

Para conectar los elementos de red GPON, se realiza subdivisiones en cascada, iniciando con una manga troncal de fibra �ptica ADSS 48H (4600m), el primer nivel se forma un splitter 1x4, el segundo nivel se ubica las NAP de acceso lo forma un splitter 1x16 conectorizado dando una subdivisi�n final de 1x64 tal como muestra la figura 2.

Figura 2. Distribuci�n de Manga troncal

Fuente: Piedad Cabezas Chica

Se sectoriza la ciudad por zona de cobertura entre los nodos considerados para cubrir la misma, en el dise�o las NAP, est�n con letra inicial A y B, mientras que, las mangas troncales se identifican con la letra T; por lo tanto. Los nodos propuestos est�n distribuidos geogr�ficamente a 2.20 Km, y cubrir� el �rea de despliegue.

Figura 3. Mapa de cobertura de red GPON en Macar�

Fuente: Piedad Cabezas Chica

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El dise�o muestra las p�rdidas intr�nsecas de la fibra y las fusiones se calculan alrededor de 3dB, el total de las p�rdidas consideradas en el dise�o con los dos niveles de splitter, p�rdidas en la fibra y fusiones suman 23dB. Los SFP clase C+ del OLT pueden aportar una potencia entre 7 a 10dBm de potencia te�rica seg�n el fabricante. Sin embargo, el presupuesto �ptico que determina el valor de potencia que se debe obtener en la NAP de acceso es la diferencia de las p�rdidas con la potencia del SFP

Finalmente, se verific� el estado de acceso de los usuarios desde la culminaci�n de fibra a trav�s del registro del OTDR, que mostr� un enlace continuo sin roturas o conectorizaciones de baja calidad y con un valor de p�rdida dentro de lo aceptable para una distancia de 0,4m. La potencia �ptica que llega al primer usuario es de 18,8dBm. Dada la sensitividad de los foto detectores de las ONT es posible bajar la potencia ~10dBm adicionales, para expandir y distribuir los accesos de la red hasta el l�mite que recomiendan los est�ndares que es de 20 a 60km para una red GPON respectivamente (ITU-T, 2010).

Este modelo de OLT Huawei MA5608T, tiene posibilidades de expansi�n, cuenta con 7 tarjetas, las tarjetas traen 16 puertos de conexi�n de fibra, cada puerto para 64 clientes, esta arquitectura tiene como ventaja crear tramos largos para cubrir lugares lejanos, su est�ndar se efect�a en el siguiente orden: Estudio del �rea donde van las mangas, splitter y ONT, continua la creaci�n del dise�o de la red GPON, se gestiona los permisos municipales, se legaliza el uso de postes a usar en el casco urbano, tal como se muestra en la figura 4, ubicaci�n de los nodos 22 de septiembre, Velasco Ibarra, San Sebasti�n, Julio Rom�n, Centro comercial, 5 de junio y Santa Marianita.

Figura 4. Mapa Geo-referenciado de ubicaci�n de los Nodos, NAP red GPON

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Fuente: Piedad Cabezas Chica

Metodolog�a

El desarrollo de la investigaci�n, se efect�a bajo el enfoque cuantitativo lo que nos permiti� obtener conocimientos, evaluarlos, tomar decisiones y proponiendo posibles soluciones al problema, as� mismo, el enfoque cualitativo se caracteriza porque est� orientado a observar, describir, interpretar y comprender el objeto de estudio, es decir se investig� dentro del contexto en un entorno experimental.

Se utiliz� investigaci�n de campo y bibliogr�fica, trat�ndose de un estudio de los hechos que se dieron en el lugar permitiendo verificar el estado actual del problema, utilizando t�cnicas como la entrevista que facilit� al investigador estar en contacto directo con Megagitel con la finalidad de recolectar y registrar la informaci�n. Se dise�� bajo el siguiente lineamiento:

�� Esquema 1. Lineamiento de metodolog�a

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�Fuente: Piedad Cabezas Chica

Resultados

Simulaci�n

El software utilizado para la simulaci�n del enlace �ptico, es la herramienta Optisystem 17.0.0.1730 64bits versi�n de prueba, este software permite a los usuarios planificar, probar y simular los enlaces �pticos en la capa de transmisi�n de redes �pticas. Una de las principales caracter�sticas de la versi�n usada es que los componentes de procesamiento digital de se�ales se han actualizado para soportar una gama m�s amplia de formatos de modulaci�n, incluyendo BPSK, QPSK, 8PSK, 16PSK, 8QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM, 256QAM. El trabajo propuesto desarrolla un sistema de fibra �ptica basado en codificaci�n NRZ que es capaz de realizar comunicaci�n de punto �nico a m�ltiple. Las siguientes figuras (5-14) representa el modelo de simulaci�n correspondiente a GPON.

Figura 5. Red pasiva GPON para el cant�n Macar�

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 6. OLT de la oficina central

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 7. Feeder Fiber

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 8. Nodos Remotos (RN)

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 9. Optical Network Unit (ONU)

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 10. Datos del Transmisor

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 11. Datos del Downstream Pump

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 12. Datos del Upstream Pump

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 13. Datos del Butterworth Optical Filter

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 14. Splitter GPON en nodos remotos

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 15. Diagrama de ojo Downstream 60km. ��Figura 16. Diagrama de ojo Downstream 20km.

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Elaborado por: Piedad Cabezas Chica�� Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Tabla 3 Datos Downstream 60km�� Tabla 4 Datos Downstream 20km.

Downstream
Max. Q Factor	95,0542
Min. BER	0
Eye Height	9.76843e-005
Threshold	1.83469e-005
Decision Inst.	0,5

Downstream
Max. Q Factor	238.783
Min. BER	0
Eye Height	0.000419106
Threshold	3.38049e-005
Decision Inst.	0,5

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Elaborado por: Piedad Cabezas Chica�� Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Como se muestran en las figuras 15 y 16, tablas 3 y 4, para una transmisi�n sin errores en ausencia de ruido, el ojo debe mantener cierta apertura vertical (Max.Q Factor), caso contrario existir�n se�ales de interferencia entre s�mbolos que provocar�n errores. Por tanto, cuanto mayor apertura vertical, mayor inmunidad frente al ruido. El instante �ptimo de muestreo ser� el punto de m�xima apertura vertical del ojo, pero esto nunca puede ser logrado de forma precisa por un sistema pr�ctico de recuperaci�n de sincronismo.

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Figura 17. Diagrama de ojo Upstream 60km.�� Figura 18. Diagrama de ojo Upstream 20km.

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�� Tabla 5 Datos Upstream 60km �� Tabla 6 Datos Upstream 20km

zDownstream
Max. Q Factor	16.4385
Min. BER	5.03237e-061
Eye Height	1.423232e-005
Threshold	7.84638e-006
Decision Inst.	0.65625

Downstream
Max. Q Factor	5.87475
Min. BER	2.10511e-009
Eye Height	3.25291e-006
Threshold	3.6703e-006
Decision Inst.	0.59375

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�� Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

La variaci�n del Max Q factor de 20km a 60km se reduce 64.26%, lo que garantizar�a la inmunidad del ruido a los abonados que se encuentren a 60km. En la simulaci�n realizada no se utiliz� compensadores de dispersi�n, tampoco m�todos de procesamiento digital de se�ales que son las t�cnicas usadas para enlaces de 10Gb/s en adelante que implican grandes distancias.

Haciendo un an�lisis virtual entre la figura 15 a la 18, vemos que, para la distancia de transmisi�n de 60 km, la distorsi�n entre el OLT y ONU y la relaci�n se�al-ruido (SNR) (la altura entre los puntos) es aceptable y las se�ales tienen suficiente potencia para ser detectadas por el receptor.

Figura 19. Variaci�n del MIN BER del Upstream y Downstream 60km.

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Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Los par�metros de la figura 19 muestran un mejor rendimiento de la t�cnica de modulaci�n NRZ debido al SNR m�s alto y la altura de los diagramas de ojo, y un BER m�s baja. Pero en los sistemas de larga distancia, que se ven afectados por la distorsi�n y el ruido, se recomienda utilizar la t�cnica de modulaci�n RZ, como se muestra a continuaci�n:

Figura 20. Umbral (Threshold) del Upstream y Downstream.

Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Figura 21. Variaci�n del Height entre el Upstream y Downstream.

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Elaborado por: Piedad Cabezas Chica

Conclusiones

Este documento presenta un dise�o detallado de una red de acceso FTTH basada en GPON, donde se atiende a 1400 usuarios, esta ingenier�a enfatiza aspectos pr�cticos y experiencia de campo siguiendo un enfoque de abajo hacia arriba, en el que el tama�o de la red y sus componentes se define despu�s de analizar los requisitos, el n�mero de ubicaciones, la separaci�n geogr�fica y la infraestructura disponible.

La red GPON planteada opera con una divisi�n de hasta 1:128, consideramos la divisi�n m�s utilizada, debido a que los splitteo se dan de 1:32 o 1:64, con 20km, porque una distancia mayor no permite que se cumpla los est�ndares establecidos para instalaci�n de redes �pticas pasivas. Sin embargo, GPON admite una relaci�n de divisi�n m�s alta, y sintonizaci�n de longitud de onda durante la trasmisi�n.

La arquitectura de esta red de fibra ya instalada migra de punto de acceso inal�mbrico hacia GPON, mediante el cambio de los equipos terminales OLT y ONT de los usuarios finales. Esta investigaci�n trabaja bajo el est�ndar GPON de 20km por hilo cubriendo el �rea de Macar�. En los resultados se presentan las condiciones para la extensi�n de cada tramo que depende de la cercan�a de los usuarios a la OC y la sensibilidad de los receptores de las ONT.

El simulador Optisystem mediante su interfaz amigable y flexible permite obtener los resultados como: se�ales de conectividad de equipos, tr�fico por cada elemento, ejecuci�n y an�lisis de las gr�ficas o escenarios de los nodos esto permite la revisi�n antes de la implementaci�n y configuraci�n

Referencias

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�2020 por los autores.� Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).