Optical Wireless

“OPTICAL WIRELESS”

ALUMNOS :
• Hugo CANTO
• Alfredo G. RIVAMAR
• Juan Pablo SOTO

DOCENTE:
Ing. Miguel ROTONDO
AGOSTO 2006

REDES BANDA ANCHA / MTI


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

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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.

Datos del cliente

Dispositivo de
red del cliente
Dispositivo de
red del cliente

Figura 1. Componentes de un sistema FSO

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

FSO (Lase r) Radio
M ax capacity 1.5Gbps 80M bps
M ax Range 4km 40km
Interfaces A ny Ethernet onl y
(IP, PDH , SDH , video) (but also VOIP, IP video)
M odulari ty Interface/ chassis Radio/ antenna
A rchitecture P2P only P2P or P2M P
Dow nti me in Thick fog, sandstor m Interference
Cost M oderate Low er
Pow er 20-35W 10-20W

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.

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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.

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Márgen del enlace
Exceso de potencia,
Condición climática para 1550 nm Rango máximo (km)
día claro
(dB/km)
Absorción del aire
limpio, niebla urbana < 1.5 >6 -
y smog, cintilación
Lluvia densa (25
5 3.2 62x
mm/hr)
Lluvia extrema (75
mm/hr); caída de
13 1.7 257x
nieve moderada;
niebla moderada
Nieve densa; niebla
moderada 20 1.25 500x
(visibilidad: 0.5 km)
Tormenta de nieve;
30 0.92 1000x
niebla moderada
Niebla muy densa
(visibilidad: 1-2 60-100 0.35-0.55 2820x-7080x
cuadras)

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.

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• 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.

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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 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

Light fog – Visibility over 1 km 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
Thick fog – Visibility 400m 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

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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.

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Circular beam combats X & Y movement

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

Wide beam – no need for complex auto-tracking

10m

1,000m

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).

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

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

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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:

ζ(R)= P(R)/ P(O) = e-σR
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

σ= σm + σa + βm + βa

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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:

σ= βa

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:

σ= βa = 3.91/V . (λ/550)-q

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)

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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.

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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.

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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.

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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.

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.

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:

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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).

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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.

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CAPITULO VII: EJEMPLOS DE SISTEMAS COMERCIALES Y APLICACIONES

Serie DT -100 de Canon

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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.

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• 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.

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BIBLIOGRAFÍA

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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.

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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. quot;We were so much within that range that it's ridiculous,quot;
he says. quot;We're literally across a New York City street.quot; 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:
quot;Now, I don't even think about it.quot;

Any other downsides? In addition to fog, you could run into problems with
atmospheric effects such as scintillation (the quot;waves of heatquot; 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: baseline@ziffdavis.com

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.

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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, quot;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.quot;

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. quot;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,quot; Guo recalls.

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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. quot;Because it
was a Saturday, I couldn't go through standard procedures-cut a purchase
order, obtain the necessary approvals, etc. I told Ken, quot;Just trust my word, and
he did,quot; says Guo.

quot;There were several logistics problems,quot; explains Ito. quot;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.quot;

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.

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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.

quot;We had no direct experience with free-space optics, reports Guo. quot;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.quot;

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.

quot;Free-space optics is often perceived as being very new,quot; says Ito. quot;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.quot;

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

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