Fibra Optica
UNIVERSIDAD ANDINA NSTOR CCERES VELSQUEZ
ESCUELA DE POSTGRADO
MAESTRIA EN INGENIERIA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES
MENCION EN TELECOMUNICACIONES Y NETWORKING
INGENIERIA DE FIBRA OPTICA
DISEO DE UN ENLACE DE COMUNICACIONES DE 1Gbps DE LA RED DE
DISTRIBUCION DE LA RDNFO PARA EL TRAMO DE PUNO-ILAVE
Presentado por:
Bach. Ronald Hubert Larico Jallurani
Docente del curso:
Ing. Mauricio Postigo Mlaga
Semestre 2014-II
INDICERESUMEN___________________________________________________________________________61GENERALIDADES
1.1Objeto61.2Alcance61.3Caractersticas del Sistema
Elctrico62ENTORNO FISICO82.1Caractersticas Ambientales del
Area83CRITERIOS DE DISEO103.1General103.2Disponibilidad del Sistema
Optico103.3Configuracin Redundante113.4Duplicacin de Sistemas
Opticos123.5Tasa de Error123.6Influencias sobre Cables
Opticos124PARAMETROS DE DISEO154.1Informacin a Transmitir154.2Tipos
de Canales164.3Carga de Informacin de los Canales165FIBRAS
OPTICAS175.1Distancias Largas (red de transporte hasta 100
km)175.2Distancias Medias (redes LAN, hasta 10 km)175.3Distancias
Cortas (redes de edificios)175.4Recubrimiento Secundario185.5Ancho
de Banda195.6Ancho de Banda en Funcin de Longitud de
Enlace196CABLES OPTICOS226.1Tipos de Cables226.2Criterios de
Seleccin226.3Principales Caractersticas Constructivas257emisores
opticos277.1Emisores LED277.2Emisores Lser287.3Comparacin LED -
LASER298CONVERTIDORES OPTO-ELECTRONICOS308.1Generalidades308.2Tipos
de Convertidores308.3Combinacin Emisor-Receptor319CALCULO DEL
ENLACE339.1Procedimiento de Clculo339.2Repetidores3410Sistemas de
Transmisin optica3610.1Sistema Digital Plesicrono
(PDH)3610.2Sistema Digital Sncrono (SDH)3610.3Conveniencia Red
SDH3710.4Particularidades de la
Multiplexacin3811EQUIPAMIENTO3911.1Conformacin de las
Instalaciones3911.2Especificacin de Elementos y
Equipos3911.3Cualidades de los Elementos y
Equipos4112TELEPROTECCION4212.1Estabilidad del Sistema
Elctrico4212.2Caracterstica de la Teleproteccin
Digital4212.3Interfaces4312.4Evaluacin y Procesamiento de
Seales4312.5Tiempos de Transmisin4412.6Dependibilidad y
Seguridad4412.7Configuraciones4513SERVICIOS
AUXILIARES4613.1Corriente Continua4613.2En Corriente
Alterna4614PROYECTO4715ANEXO__________________________________________________________48
INGENIERIA DE FIBRA OPTICA
RESUMEN
El presente proyecto se basa en realizar un diseo de enlace de
comunicaciones de 1 Gbps de la red de distribucin de la red dorsal
nacional de fibra ptica para el tramo de Puno-Ilave.
En el presente proyecto se deben de considerar muchos factores,
incluyendo la velocidad de transmisin, la atenuacin del enlace, el
medio ambiente, los tipos de cables, los tipos de fibra,
equipamiento disponible, tipos de interfaz elctricos, conectores
pticos, empalmes, protocolos y otros.
ESPECIFICACIONES TECNICAS DE LOS DISPOSITIVOS USADOS EN EL
DISEO
FIBRAS MONOMODO
Las fibras monomodo tienen la capacidad de transmitir el mayor
ancho de banda posible y son ideales para enlaces de transmisin a
larga distancia.
Las fibras monomodo tienen una atenuacin ms baja que las fibras
multimodo.
Los cables de fibras monomodo son ms econmicos que los cables
multimodo.
Disponemos de fibras monomodo para longitudes de onda ptica de
1310 y 1550 nm.
Para las instalaciones de fibra ptica muchos fabricantes de
equipos pticos proporcionan informacin suficiente para que el
usuario que lo desee implemente un enlace de tipo PUNTO A PUNTO
usando su equipamiento.
Dos factores importantes a considerar en el diseo de enlaces por
fibra ptica son las prdidas totales del enlace y el mximo ancho de
banda del propio enlace. El mximo ancho de banda del enlace es
generalmente el mximo rgimen de datos o ancho de banda analgico que
un sistema de comunicaciones pticas puede soportar con un mnimo de
distorsin de la seal.
Esta limitado por las propiedades del los equipos pticos y por
los parmetros de la fibra ptica. El ancho de banda de las fibras
pticas decrece al aumentar la longitud de la fibra ptica, Por lo
tanto es importante conocer la longitud del cable que llevara la
instalacin y trabajar con el equipamiento ptico apropiado.
Las prdidas totales de un enlace son las prdidas totales de
potencia de luz en el enlace de fibra ptica debido a todos los
factores, incluyendo conectores, empalmes, atenuacin de fibra,
curvaturas en los cables y factores por el estilo. La prdida de
potencia ptica debida a los conectores instalados en los equipos
pticos debe ser ignorada puesto que ya han sido tenidas en cuenta e
incluidas en los clculos por el fabricante.
Las prdidas totales del enlace deben de estar de acuerdo con las
especificaciones del fabricante del equipo ptico con el fin de
asegurarse un funcionamiento adecuado del enlace.
Estas restricciones pueden venir dadas por el fabricante del
equipamiento en forma de tablas, como se muestra en el siguiente
ejemplo:
Las primeras 3 columnas de esta tabla listan especificaciones de
fibra ptica para varias fibras pticas disponibles comercialmente.
Uno de estos tipos de fibra debe de coincidir con la especificacin
de la fibra instalada.
El valor de la columna de ANCHO DE BANDA DE FIBRA, es el ancho
de banda normalizado de la fibra (1 Km) y es la menor anchura de
banda de dicha fibra ptica que el fabricante de quipos pticos
recomienda para la instalacin.
Las fibras pticas con anchos de banda mayores son tambin
aceptables para las instalaciones.
La mxima atenuacin y la mxima longitud no deben de ser excedidas
para el tipo de fibra seleccionado. La mxima atenuacin debe de ser
siempre mayor o igual que las prdidas totales del enlace.
1 GENERALIDADES
1.1 Objeto
diseo de un sistema de comunicaciones utilizando, como medio de
enlace, cables pticos, bajo alguna de sus formas alternativas:
dielctrico suspendido con fibras pticas.
1.2 Alcance
La Gua incluye los criterios y metodologa a utilizar en el diseo
del Sistema, abarcando desde el cable ptico y sus cajas de empalme,
en el exterior de los emplazamientos, hasta los terminales de lnea
pticos y multiplexores de servicios, que transmiten la informacin
desde el interior de los edificios.
Aunque, para las funciones de proteccin digital, no es
imprescindible el uso de equipos de teleproteccin, se incluyen
algunos criterios para tener en cuenta en caso de que sean
utilizados.
El sistema deber ser compatible con lo establecido en la
normativa ITU-T G 120 y G 126.
1.3 Caractersticas del Sistema Elctrico
Para el diseo deber disponerse informacin sobre:
a. Recorrido de la lnea
Trazado.
Secciones que la componen.
Distancias de cada tramo/ seccin.
Derivaciones o eventuales conexiones en T.
En la Tabla 1, hojas 1/2 y 2/2 se han indicado los principales
datos que es necesario disponer.
b. Tipos de estructuras
Disposicin de conductores de fase.
Distancia entre conductores.
Disposicin de cable(s) de guardia.
Altura desde el terreno de los conductores de fase y del
cable(s) de guardia.
Herrajes a utilizar para el cable de guardia.
Longitud de vanos (tpico y mximo) entre torres.
En la Figura 1 se han indicado las caractersticas principales,
inclusive para conductores y el haz.
c. Caractersticas de los conductores y cables de guardia
Materiales y tratamiento.
Seccin total.
Dimetro.
Cantidad y tipo de alambres que lo conforman.
d. Flecha de conductores
En el caso de que deban reemplazarse cables de guardia
existentes o instalarse nuevos cables pticos de guardia, ser
necesario disponer de la informacin sobre flechas mximas y tablas
de tendido.
e. Niveles de tensin
Tensin nominal del sistema (kV).
Tensin mxima (tpicamente nominal +5a10%).
Corriente nominal de la lnea (kA).
Corriente de cortocircuito de corta duracin (kA durante 1 seg.)
por el cable de guardia.
Estos parmetros son especialmente necesarios para el diseo de
cables pticos areos, bajo cualquiera de sus formas.
2 ENTORNO FISICO
2.1 Caractersticas Ambientales del Area
Las caractersticas del medio que es necesario especificar, para
el diseo apropiado de los equipos de comunicaciones objeto de esta
Gua son:
f. Temperatura
Deber conocerse la temperatura exterior a la que estarn sujetos
los equipos y elementos de instalacin intemperie, especialmente el
cable ptico. Las variaciones de temperatura producen fisuras en el
PVC e influyen en la velocidad de deterioro de las uniones.
Los datos a recabar sern:
Temperatura mxima exterior.
Temperatura mnima exterior.
Temperatura media diaria anual.
Son de utilidad los registros meteorolgicos de los ltimos 10
aos, cuando existe repetibilidad y constancia.
Las salas para equipos de comunicaciones deben contar con
acondicionamiento de aire para evitar la entrada de polvo y para
mantener los equipos en la zona plana de la curva de fallas (lambda
constante), asegurando un funcionamiento monocorde/ estable durante
todo el tiempo de uso.
( Ref: IEC 60068-2 )
g. Humedad
El tenor de humedad exterior es importante por su efecto en la
corrosin de elementos metlicos.
En el interior de salas con aire acondicionado el porcentaje de
humedad es reducido, evitndose la condensacin sobre placas
impresas, componentes, conectores, etc.
En el interior de salas sin aire acondicionado deben
especificarse mdulos y placas sean tropicalizadas, como manera de
evitar las consecuencias de la condensacin.
Los valores a indicar sern:
Humedad relativa mxima.
Humedad relativa mnima.
Humedad relativa a media mensual.
( Ref: IEC 60068-2 )
h. Precipitaciones
Precipitacin media anual.
Niebla, niebla salina.
i. Vientos
Deben conocerse las caractersticas de los vientos que puedan
deteriorar el cable ptico, sea por vibraciones o por galloping.
j. Sismicidad
Deben describirse las caractersticas ssmicas de la zona de
instalacin conforme lo especifica el CIRSOC. Al especificar equipos
de comunicaciones, deber definirse el Espectro de Respuesta
referido al Sismo (RRS), donde se indique la velocidad de
movimiento, la aceleracin y el desplazamiento en funcin de la
frecuencia ssmica, para establecer la excitacin a la cual deber
responder el diseo del equipo. Dicho espectro deber ser como el RRS
ilustrado en la Fig. 2, hoja 1/2. Los equipos propuestos debern
tener un Espectro de Respuesta (TRS) que lo exceda, tal como se
observa en la Fig. 2 hoja 2/2.
(Ref: IEEE 344, punto 4.5, para el requerimiento de equipos
elctricos clase I)
k. Hielo/nieve
Deber indicase la presencia de nieve y/o hielo para cada tramo
de lnea y estimarse el dimetro mximo y densidad del manguito de
hielo previsto.
l. Asoleamiento
Dada la incidencia que tiene la radiacin UV sobre la cubierta
del cable, es necesario conocer el ndice de asoleamiento, en W/m2
en la banda UV con la media calculada para el ao.
( Ref: IEC 60793 )
3 CRITERIOS DE DISEO
3.1 General
Deber disearse un sistema bidireccional (full duplex) por fibra
ptica (FO) que permita la transmisin de informacin necesaria para
el sistema elctrico, con un valor de disponibilidad (Ai), adecuada
a las necesidades de las principales funciones (por ej.
telecontrol).
Podr utilizarse:
Un esquema simple, constituido por terminales pticos de lnea en
configuracin (1+0).
Un esquema redundante, constituido por terminales pticos de lnea
en configuracin (1+1).
Un esquema duplicado, constituido por terminales pticos de lnea
en configuracin redundante (1+1), ms un doble cable ptico
independiente (doble ruta).
La disponibilidad del Sistema de Comunicaciones que se decida
utilizar ser calculada en funcin del MTBF individual de cada equipo
y del dispositivo y elemento constitutivo de la cadena de
confiabilidad.
Paralelamente, deber suministrarse el valor del MTTR previsto
para cada equipo y elemento, basado en:
Los procedimientos de localizacin de fallas que posea cada
equipo.
Los procesos de mantenimiento preventivo y correctivo
disponibles.
El lote de repuestos disponible en sitio.
La ubicacin geogrfica del personal de mantenimiento.
(Ref: MIL HDBK 217; Cigre SC35 WG04/92)
3.2 Disponibilidad del Sistema Optico
Un sistema digital de comunicaciones de alta disponibilidad
deber poseer una tasa de error que no supere valores de BER =10-6,
aunque en la prctica pueden lograrse valores de BER=10 -10.El
Sistema de Comunicaciones se degrada por las fallas en los equipos
y por los errores de la informacin transmitida.
Dada la inexistencia de fadding, los sistemas pticos son ms
estables que los radioenlaces.
Un sistema ptico presenta una mayor seguridad en la transmisin
de informacin, pero ante un dao o una falla, requiere un tiempo de
reparacin y normalizacin mucho mayor.
Para lograr un sistema altamente inmune a las fallas, puede
utilizarse una configuracin redundante y pueden incorporarse
diversas rutas y diversas fibras a ser utilizadas como reemplazo
inmediato.
(Ref: Cigre SC35 WG04/85; Cigre SC35 WG04/92)Los terminales de
lnea pticos, en general, poseen valores bajos de MTBF debido al
envejecimiento de los componentes pticos. Los multiplexores, en
cambio, poseen valores muy altos. De all que el conjunto MUX+TLFO
pueda ofrecer valores de Ai=99,99%.
3.3 Configuracin Redundante
El principio de la configuracin redundante consiste en permitir,
en caso de falla, la conmutacin desde un circuito principal a uno
de reserva, de iguales caractersticas que el principal, tal como se
muestra en la Figura 4.
En la conmutacin de redundancia es importante el tiempo total
entre la ocurrencia de la falla o dao hasta el reestablecimiento
del camino de reserva, incluyendo la re-sincronizacin.
Este tiempo depende del criterio de conmutacin, es decir de
los:
Umbrales de conmutacin BER=10-3.
Algoritmos de evaluacin.
Estructura y sincronizacin de la trama.
Tpicamente, las conmutaciones en 2 Mbps demandan tiempos del
orden de 20 mseg, durante el cual se interrumpe el envo de datos o
el flujo se mantiene, pero con errores.
Una alternativa interesante consiste en utilizar sistemas de
conmutacin libre de errores, mediante el retardo de la seal
transmitida y la memorizacin en el extremo de la recepcin. Sin
embargo, esto no es aplicable a operaciones que demanden tareas en
tiempo real.
Por otro lado, deber evitarse la eleccin de tiempos de
conmutacin excesivamente cortos que introducen inestabilidad en el
Sistema y pueden llegar a ocasionar interrupciones ante fallas
temporarias (no permanentes).
3.4 Duplicacin de Sistemas Opticos
Una mejora al mtodo de redundancia consiste en duplicar los
terminales de lnea pticos para evitar la conmutacin en los equipos.
Entonces se deja librada al sistema de control la eleccin de la
informacin de mejor calidad.
En este caso la vinculacin puede efectuarse con un nico cable
ptico pero con diferentes pares de fibras. En el caso de que alguna
fibra se dae, se procede a la conmutacin a otras fibras de reserva
disponibles en el cable.
En ciertos casos es aconsejable utilizar dos cables pticos
independientes, tendidos por diferentes rutas. El servicio puede
mantenerse aunque se daen todas las fibras en uno de los cables. En
la Figura 5 se muestra una disposicin orientativa.
3.5 Tasa de Error
Las influencias externas tales como descargas, rayos, etc., no
afectan a la transmisin ptica, pero pueden incidir sobre los
equipos e introducir errores aleatorios en la informacin que se
transmite. De all que los Sistemas de Comunicacin deben poseer alta
inmunidad a las interferencias electromagnticas (EMI), la que se
logra verificando la conformacin de las cajas y gabinetes, as como
su puesta a tierra. En la Tabla 2 se resumen los principales
requerimientos.
La calidad del Sistema de Transmisin Digital ser ponderada por
su tasa de errores BER:
Sistemas muy buenos: BER = 10-9 a -10.
Sistemas buenos: BER= 10-6.
Sistemas degradados: BER =10-3 a -5.
Sistemas daados: BER > 10-3.
( Ref: IEC 60870-3 y IEC 60801-4 )
3.6 Influencias sobre Cables Opticos
Para asegurar un funcionamiento confiable debern considerarse
ciertos efectos sobre los cables pticos:
m. Efecto de la fuerza de traccin
La atenuacin vara en funcin de la fuerza de traccin ejercida
sobre la fibra. Un cable ptico bajo traccin no incrementa su
atenuacin en tanto y cuanto la proteccin secundaria permanezca sin
tensin.
En general se considera que hasta con un 0,5 % de alargamiento
de la fibra no se aprecian variaciones en la atenuacin.
Por encima de ese valor se producen micro curvaturas de la
fibra, an dentro del tubo protector, lo que hace incrementar
rpidamente la atenuacin.
En la Figura 6A se describe, tpicamente, la forma de variacin de
la atenuacin.
Asimismo, influyen los esfuerzos radiales, el curvado y la
torsin, los cuales producen microfracturas y consecuentemente, el
incremento de la atenuacin. Por ello, deben tomarse precauciones al
elegir los recorridos y los mtodos de tendido.
Es recomendable trabajar con valores inferiores, en un 20%, a
los fijados por el fabricante, de manera de asegurar la vida til de
la fibra.
(Ref: IEEE STD 524)
n. Efecto de la temperatura
La temperatura influye en la atenuacin de la fibra segn puede
apreciarse en la Figura 6B. Esta atenuacin se suma a la provocada
por la traccin.
o. Efecto de campos electromagnticos
Cuando el cable es totalmente dielctrico, en sus partes
superficiales prximas a herrajes puestos a tierra, se producen
tensiones dielctricas debidas al campo elctrico de los conductores
de fase. Estas tensiones dielctricas generan corriente de
descarga.
En la Figura 7A se describen los efectos del campo
electromagntico en una torre con cable ptico dielctrico
suspendido.
A medida que la distancia es menor a 0,5 m, el efecto del campo
elctrico sobre la cubierta es mucho ms importante. Ms adelante se
recomendarn procedimientos para minimizar estos efectos.
En la Figura 7B se indica el efecto de variacin del campo
elctrico en las proximidades de la torre.
p. Efecto del agua/humedad
El agua influye de dos formas en la fibra:
la presencia de humedad sobre la superficie de vidrio incrementa
las fisuras y grietas sobre la superficie;
la velocidad de aumento de las fisuras depende de la tensin
mecnica y de la cantidad de agua presente.
Se recomienda que la tensin sobre la fibra de diseo sea menor
que la de ensayo (prooftest).
4 PARAMETROS DE DISEO
4.1 Informacin a Transmitir
A fin de optimizar los canales y la red de comunicaciones,
debern relevarse con la mayor exactitud posible la cantidad y
caractersticas de la informacin a transmitir.
q. Cuantificacin de la informacin
Las seales e informacin a transmitir provienen de :
las troncales de voz para vinculacin entre centrales telefnicas
(digitales o analgicas);
la transmisin de rdenes de proteccin;
la transmisin de datos en baja, media y alta velocidad;
la transmisin de datos para la Operacin en Tiempo Real
(SOTR);
la transmisin de datos para la Desconexin Automtica de
Generadores (DAG);
la transmisin de rdenes para la DAG;
la transmisin de imgenes;
la vinculacin a redes Ethernet;
otras, segn requiera el Sistema.
Se estimar la cantidad de informacin a transmitir, a travs de
cada una de ellas, provenientes de los Sistemas y/o Centrales que
conforman la red de comunicaciones, y se adicionarn los
crecimientos futuros previstos.
r. Calificacin de la informacin
Paralelamente a la identificacin y estimacin de la cantidad de
seales e informacin a transmitir, debern darse las caractersticas
mnimas necesarias para su definicin:
Troncales de voz a dos o cuatro hilos, ms sealizacin EyM.
Ordenes de proteccin, para vinculacin analgica y su interfaz
respectiva.
Ordenes de proteccin, para vinculacin digital.
Indicar la cantidad de rdenes de disparo independientes y
simultneas que se desea transmitir.
Necesidad de equipos de teleproteccin digitales.
Transmisin de datos para telecontrol, indicando la velocidad de
cada seal a transmitir.
La frecuencia central, el ancho de banda y las tolerancias de
las seales, referenciadas a las normas ITU-T:
baja velocidad ( hasta 9600 bps),
velocidad media (< 64 Mbps),
alta velocidad (>64 Mbps).
Las funciones de operacin en tiempo real del sistema de
transmisin de datos para el SOTR, as como sus requerimientos y
caractersticas, figuran en la Resolucin SE 332 y 106. Al respecto,
deber establecerse la forma de envo de esta informacin, si se la
realiza por uno o ms canales y la velocidad consecuente.
4.2 Tipos de Canales
El Sistema de FO puede abastecer un gran nmero de canales a
travs del multiplexores ligados a cada estacin.
Estos canales debern ser totalmente dedicados a cada una de las
funciones antes descriptas y/u otras segn la necesidad.
4.3 Carga de Informacin de los Canales
Deber detectarse y listarse la informacin a transmitir por el
Sistema de FO para luego asignarla a los canales del MUX
respectivo.
5 FIBRAS OPTICAS
Las fibras pticas debern diferenciarse a lo largo del medio de
enlace segn sea la caracterstica del sistema de comunicaciones, tal
como se indica a continuacin:
5.1 Distancias Largas (red de transporte hasta 100 km)
Se utilizar alguna de las fibras monomodo siguientes:TipoDimetro
Campo ModalAplicacinLongitud de OndaITU-T
SM/step9-10 umuso estndar1300 nmG. 652
SM/DC
(depressed cladding)9-10 um mejor respuesta al doblado1300 nmG.
652
SM/NZD
(single mode, non-zero dispersion)7,5 umoptimizada para tercera
ventana1550 nmG. 655
La tendencia actual consiste en utilizar fibras SM con dispersin
controlada (SM/NZD) de manera de disponer dispersin cromtica muy
baja (prcticamente cero) y por ende, mayor ancho de banda, pero con
valores de atenuacin muy bajos (orden de 0,2 dB/Km).
5.2 Distancias Medias (redes LAN, hasta 10 km)
Se utilizar alguna de las fibras multimodo
siguientes:TipoDimetro Campo
ModalAplicacin
Indice gradual50-125umRedes LAN
Fibras para datos62,5-125umRedes LAN
ms econmicas
5.3 Distancias Cortas (redes de edificios)
Es posible utilizar fibras de uso industrial en plstico
transparente para uso en longitudes de algunos cientos de metros y
atenuaciones del orden de hasta 30 dB/Km.
La fibra deber absorber la mxima cantidad de luz posible, por lo
que el dimetro del ncleo y la apertura numrica debern ser grandes
(orden de 0,47) y ngulos de aceptacin de (28. Las dimensiones de la
fibra son del orden de 1000 (m.
Asimismo se fabrican fibras de vidrio de cuarzo con dimetro de
140 microm, combinadas con emisores pticos de gran superficie para
facilitar el acoplamiento, aunque aqu la apertura numrica es
menor.
Tipo de FibraAN0a ( )
FO Industrial (cuarzo)0,29+ 17,5
MM Step0,2+ 12
Plstico0,47+ 28
5.4 Recubrimiento Secundario
La utilizacin de un recubrimiento secundario suelto (loose) o
adherente (tight) conferir a la fibra las siguientes
caractersticas:
CaractersticasProteccin SueltaProteccin Adherente
Dimetro externogrande (2mm)pequeo (0,9 mm)
Resistencia al esfuerzo axialmuy buenamala
Resistencia al esfuerzo transversalmuy buenabuena
Comportamiento con la temperaturamuy buenabuena
Proteccin de los extremosregularmuy buena
Pesomayormenor
Las fibras con recubrimiento tight deben elegirse para tramos
cortos, sin tensin de traccin importante y para cableados internos
de los equipos y para pigtails.
Las fibras con recubrimiento loose, deben elegirse para la
mayora de las aplicaciones, de forma de brindar mayor proteccin a
las fibras, aun en caso de cables subterrneos dado que la proteccin
la puede conferir la armadura.
5.5 Ancho de Banda
Los pulsos transmitidos por la fibra sufren ensanchamientos
debido a varios factores:a) El propio tiempo de operacin de la
fuente ptica.
b) La dispersin modal de la fibra.
c) El esparcimiento (Rayleigh) del material de la fibra.
d) El propio tiempo de operacin del detector ptico.
e) Dispersin de polarizacin
Por lo tanto, el cuadrado del tiempo de operacin total del
sistema ptico (top) ser la suma cuadrtica de los tiempos
parciales:
Top2= Tf2+ t + tRE2 + tD2Deber cumplirse que:
donde:
Tintervalo de tiempo de 1 bit,
RZdatos con retorno a cero,
NRZdatos sin retorno a cero.
Esta situacin limita la velocidad de transmisin pues cuanto
mayor es el ensanchamiento que se introduzca, los pulsos debern
espaciars RM2e ms entre s para poder ser discriminados.
En la Figura 8, en un caso particular, se muestran
comparativamente las caractersticas para distintos tipos de
fibras.
5.6 Ancho de Banda en Funcin de Longitud de Enlace
Debido a la dispersin modal y al esparcimiento del material de
la fibra el ancho de banda provisto por el fabricante se degrada a
medida que la longitud del enlace es mayor.
5.6.1 Para una Fibra Multimodo
donde:
BWtAncho de banda total,
BWmodAncho de banda por efecto de distorsin modal,
BWcromAncho de banda por efecto de dispersin cromtica.
En general, el ancho de banda normalizado por el fabricante se
refiere a la longitud de 1 km.
(Ref: ITU-T G.651)
s. Ancho de banda por dispersin cromtica
donde:
L (km)longitud total,
(( (nm)ancho espectral de la fuente luminosa al 50% de
amplitud,
N (ps/nm.km)coeficiente de dispersin cromtica.
En muchos casos estos valores pueden dejarse de lado, dado los
valores de dispersin.
t. Ancho de banda por distorsin modal
donde:
Bo (MHz)ancho de banda normalizada (fabricante),
Lo (km)longitud base 1 km,
L (km)longitud total,
(factor de acoplamiento "fuente luminosa fibra" entre 0,5 y
1.
Los valores normalizados de ancho de banda por distorsin modal
son superiores a los 200 MHz.km y pueden llegar hasta 1000 y 2000
MHz.km segn se trate de la longitud de onda (850 y 1300 nm
respectivamente).
(Ref: ITU-T G.651)
5.6.2 De Fibras Monomodo
En este caso se utilizan mayoritariamente emisores lser, por lo
cual en general el producto Banda/Longitud puede alcanzar los 200
GHz.km, y la restriccin a la longitud total del enlace (sin
regeneracin) proviene de la atenuacin y la dispersin cromtica.
En lugar del ancho de banda, puede indicarse el ensanchamiento
del pulso tomado a mitad de su amplitud:
Con lo cual el ancho de banda de la fibra ser equivalente a:
6 CABLES OPTICOS
6.1 Tipos de Cables
Los distintos tipos de cables disponibles, son los siguientes.
Su eleccin depender de las caractersticas del terreno y de la
lnea:
u. Cable ptico subterrneo.
v. Cable ptico dielctrico (ADSS).
w. Cable de guardia con Fibras Opticas (OPWG).
Existen otras alternativas de instalacin de los cables y/o
fibras tales como:
incorporado al bundle de conductores de fase,
enrollado en el hilo de guardia,
pero ellas no son recomendables y/o no estn suficientemente
experimentadas hasta el presente.
6.2 Criterios de Seleccin
x. El tipo subterrneo
En el mbito de las Empresas de energa, se utiliza en distancias
cortas, en reas geogrficas planas y donde el suelo sea fcilmente
excavable. En estos casos, los cables se instalan directamente
enterrados o en el interior de ductos.
En la eleccin del trazado deber tenerse presente la fragilidad
de la fibra ptica. Debern evitarse los quiebres bruscos, las
curvaturas excesivas y los desniveles que puedan sobretensionar el
material. La sismicidad tambin es un aspecto importante a tener en
cuenta.
La proteccin mecnica podr obtenerse:
utilizando un cable con malla de acero como armadura en el mismo
cable,
cubrindolo con medias caas cuando est directamente
enterrado,
instalndolo en ductos.
En los casos de instalaciones de comunicaciones que asisten a
otra obra subterrnea (por ejemplo una pipeline), los cables pticos
pueden ubicarse dentro de la misma zanja, en cuyo ca
so los costos de excavacin sern marginales y compartiendo el
medio de comunicacin para las funciones de la lnea elctrica y el
proceso.
y. El cable ptico dielctrico (ADSS)
Se aplica en distancias medias y largas y en zonas de terrenos
quebrados, donde la excavacin sea dificultosa.
Este tipo de cable es ms econmico que el OPWG y posee la ventaja
de permitir su mantenimiento sin desenergizar el sistema de
transporte elctrico.
Especialmente recomendable cuando se trata de instalaciones
elctricas existentes, donde ya se encuentre tendido el hilo de
guardia.
Este tipo de cable es suficientemente estable respecto a vientos
y efectos de deshielo, con lo cual no es necesario considerar el
efecto galloping en ellos.
Puede tenderse suspendido de las propias estructuras de la lnea
segn dos variantes:
Cable areo dielctrico autosuspendido (ADSS).
Cable areo dielctrico suspendido de un tensor de acero.
En general, se prefiere la utilizacin del ADSS, pero a medida
que se incrementa el largo del vano, comienza a resultar ms
econmico suspenderlo de un tensor, bajo dos posibilidades:
Suspendido de tensor de acero independiente y sujetado mediante
grapas a l.
Suspendido de un tensor de acero incluido en cable tipo
ocho.
La altura de tendido del cable ptico surge de una solucin de
compromiso entre la mxima altura que permite efectuar el
mantenimiento con lnea energizada y el efecto del campo
electromagntico de la lnea sobre la cubierta del cable ptico.
La cubierta del cable debe ser de polietileno dado que posee
mayor resistencia a las corrientes de fuga que se producen como
consecuencia de la capacidad entre la superficie del cable y las
partes puestas a tierra.
Se recomienda que estos cables posean debajo de la cubierta
exterior, una capa de hilos Kevlar impregnados en sustancia
conductora, que permita la circulacin de corriente inducida por el
campo elctrico, con lo cual se reduce en forma importante los
efectos sobre la cubierta exterior.
Las medidas para mejorar las condiciones se complementan con la
instalacin de electrodos de control (anillos o espirales) en la
proximidad de los herrajes de sujecin a las estructuras
metlicas.
En zonas con condiciones de vandalismo se debe agregar al cable
una camisa dielctrica resistente a disparos, golpes, etc.
z. El cable de guardia con fibras pticas (OPGW)
Es la mejor solucin tcnica para la transmisin digital dadas la
buena proteccin del cable y la alta disponibilidad del sistema que
puede obtenerse.
Se recomienda su utilizacin cuando se trate de una lnea elctrica
nueva, dado que la diferencia de valor con un hilo de guardia
convencional radica solamente en el costo diferencial de la
provisin del material.
Se aconseja como reemplazo del hilo de guardia existente, cuando
deban preverse cortes de lnea de cierto lapso de tiempo, o se
prevean grados de dificultad en las obras que hagan til la
independencia de las comunicaciones, teleproteccin y otros.
Es de uso cada vez ms frecuente compartir el uso del OPGW con
prestadores de servicio de transmisin de datos y/o telefnicos, a
partir de la desregulacin de los servicios.
Las necesidades de comunicacin de las empresas del rea elctrica
son normalmente satisfechas con un solo cable de fibra ptica,
pudiendo usarse como segundo hilo de guardia el de acero
convencional. Sin embargo, dada la conveniencia antes mencionada de
compartir servicios interurbanos de transmisin de voz y/o datos y/o
videos, con otros carriers, se recomienda la conveniencia de
considerar la instalacin de sendos OPGW.
Tanto en el caso de reemplazar el hilo de guardia existente por
un OPGW, as como en el caso de instalar uno nuevo, debe analizarse
el efecto sobre las estructuras soporte de la lnea, dadas las
diferencias de peso, tiro y efectos agregados que trae aparejadas
(situacin sta que no es crtica en un hilo de guardia
tradicional).
Se recomienda tener en cuenta:
Nuevas tensiones de tiro axial.
Nuevos esfuerzos sobre torres.
Vibraciones por efecto del viento.
Mayor carga por hielo.
Vibraciones por deshielo.
El tendido y flechado de un cable de OPWG debe requerir cuidado
para reducir al mximo los efectos negativos de:
La torsin en el cable y en las fibras.
El doblado del cable.
La compresin y la traccin.
La prdida de estanqueidad durante el proceso de instalacin.
Deben fijarse mayores exigencias para la amortiguacin de
vibraciones mediante stockbridges, pues el cable de fibra ptica es
mucho ms sensible a las consecuencias de las vibraciones por las
microcurvaturas que sufren las fibras durante las oscilaciones.
Deber efectuarse un modelado y estudio de las vibraciones para
limitar los valores mximos y fijar las condiciones de amortiguacin.
Debern fijarse las condiciones para la medicin de las vibraciones
luego de la puesta en servicio, (tpicamente cada dos aos) para
comprobacin de los clculos realizados y luego durante el servicio
para mantener protegida las condiciones de trabajo de las
fibras.
(Ref: IEC 60794; CIGRE SC35 WG04/92)
6.3 Principales Caractersticas Constructivas
En el diseo del cable de fibra ptica debern tenerse en cuenta
las condiciones de instalacin, para la cual se destacan a
continuacin algunos requerimientos constructivos.
La cantidad de fibra de los cables ser definida en funcin de los
criterios de utilizacin (camino principal o secundario) y de
redundancia o reserva aplicados.
En caso de compartir el uso del cable ptico con otros
prestadores de servicios, deben diferenciarse claramente las fibras
y tubos propios de la compaa elctrica.
El cable ptico subterrneo debe poseer caractersticas mecnicas
adecuadas para soportar golpes y compresiones durante la instalacin
y habilidad para repeler la accin de los roedores.
Se recomienda la utilizacin de cables pticos tipo KPSP para
permitir un enterado rpido, sin necesidad de cmaras intermedias y
bajo mantenimiento posterior. Dependiendo de su recorrido paralelo
o no a la lnea, puede utilizarse armadura de acero o armadura
dielctrica como forma de lograr la proteccin.
El compuesto taponante para impedir la propagacin de humedad
dentro del cable puede ser el tpico de resina o elegir la
alternativa de cables secos con cinta higroscpica interior. La
ventaja de elegir esta segunda, es la mayor rapidez con que se
realizan los empalmes.
En caso de instalacin dentro de ductos o con proteccin mecnica
agregada, puede elegirse cables del tipo PKP con elemento central
de tipo FRP, que actualmente posee igual fuerza de tiro que los
elementos centrales de acero.
El cable ptico dielctrico es sensible a la radiacin UV que
permanente incide sobre la cubierta exterior. De all la importancia
de conocer las condiciones de asoleamiento de la zona de
instalacin.
El elemento central debe ser de vidrio y/o aramida (GFRP) con
tubos de proteccin loose dispuestos a su alrededor con un mnimo
nmero de fibras dentro de cada tubo segn el criterio:
entre cuatro y seis fibras mximo, para minimizar riesgos ante
dao del tubo y rpida ejecucin de empalmes.
Por sobre los tubos con su taponante de resina, se deber prever
la cubierta de ncleo, la cubierta interior de polietileno laminada
con aluminio, la armadura dielctrica para refuerzo (hilados
aramdicos o Kevlar) para soportar los esfuerzos de traccin y la
cubierta exterior de polietileno.
El cable ptico en hilo de guardia deber preverse para cumplir
simultneamente con las funciones de proteccin elctrica de la lnea
(corriente de cortocircuito y descargas atmosfricas), as como de
incluir las fibras pticas para la transmisin de informacin.De all
que se recomiende utilizar aquellos diseados con dos reas bien
diferenciadas. Estos cables son normalmente de aluminio-acero y
poseen dos reas diferenciadas:
aa. El rea ptica, constituida por fibras protegidas alojadas
dentro de un tubo de aluminio, acero, etc; hermtico que,
conjuntamente con la cubierta, reduce el efecto de
sobrecalentamiento e impiden el ingreso de la humedad. Las fibras
se alojan dentro de tubos loose con relleno, en nmero de FO por
tubo segn criterio y principios de diseo del fabricante.
ab. El rea metlica, se recomienda est conformada con por lo
menos dos capas de alambres metlicos independientes alrededor del
tubo del rea ptica que permitan soportar los esfuerzos mecnicos del
cable tendido y reducir el sobrecalentamiento originado por las
corrientes de cortocircuitos propias de las lneas de
transmisin.
Tpicamente la capa interna de hilos de acero con alta carga de
rotura y la capa externa de aluminio o aleacin de aluminio con
buenas condiciones para rpida evacuacin de las corrientes de
cortocircuito y descargas.
Dependiendo de la corriente de cortocircuito (por ende de la
magnitud del sistema elctrico) puede utilizarse una sola capa de
alambres.
7 emisores opticos
Los emisores pticos debern poseer algunas cualidades mnimas:
Poseer una larga vida til.
Utilizar la emisin ptica en el rea espectral que mejor se adecue
a la fibra especfica para lograr baja absorcin y dispersin.
Disponer de alta potencia de radiacin para cuando las distancias
de enlace son grandes.
Poseer un alto rendimiento de acoplamiento emisor
ptico-fibra.
En funcin del enlace especfico que se desee disear podr elegirse
entre:
Emisores pticos en base a LED.
Emisores pticos en base a Lser.
7.1 Emisores LED
Las principales ventajas de este emisor son el bajo costo del
elemento en s y el no requerimiento de circuitos estabilizantes. Es
un elemento robusto y de fcil mantenimiento.
Sus desventajas son el bajo rendimiento (potencia ptica
generada/potencia elctrica ingresada) y la distribucin espectral
muy amplia (orden de 50 a 100 nm), que produce la emisin de
diferentes longitudes de onda, aumenta la dispersin cromtica y
considera la emisin multimodal, disminuye el ancho de banda del
medio de transmisin.
Debido a que la emisin espacial de luz omnidireccional introduce
prdidas importantes y baja el rendimiento, no suele utilizarse con
fibras monomodo ni donde se requiera un ancho de banda extenso.
Conviene elegir emisores LED cuando los enlaces son de baja
velocidad de transmisin y las distancias a comunicar son
cortas.
El LED utiliza la superficie del semiconductor para lograr
emisiones en primera y segunda ventana. Por ello, utilizando fibras
MM graded index de 50/125 um pueden lograrse potencias del orden de
microWatt, y ancho espectral de 20-50 nm. Esta solucin econmica
permite, combinando con receptores PIN, cubrir enlaces cortos con
velocidades de hasta 8 Mbps. Para cubrir enlaces ms largos pueden
utilizarse receptores ms sensibles, tipo PIN-FET.
Existe la posibilidad de disponer de LED emisores de borde para
trabajar en segunda ventana con anchos espectrales menores (del
orden de 70 nm) y mayor potencia de inyeccin (100 uW en fibras MM
graded index), con lo cual pueden incrementarse las distancias a
enlazar y la velocidad. Sin embargo, en estas condiciones resulta
ms conveniente la utilizacin de emisores lser.
7.2 Emisores Lser
Es un emisor esencialmente de borde que permite disponer de una
alta potencia luminosa ( 1-5 mW ), con una distribucin espectral
muy angosta (del orden de 1 nm), con lo cual la dispersin cromtica
en la fibra es baja.
La posibilidad de disponer de un haz ms angosto para inyectar
luz a la fibra lo hace ptimo para su uso con fibras monomodo,
aunque tambin es posible utilizarlo con fibras MM.
Sus caractersticas no lineales obligan a utilizarlo con
circuitos de estabilizacin que compensan las variaciones de
temperatura y el envejecimiento.
Para la transmisin en alta velocidad (del orden de 140Mbps) es
necesario utilizar el sistema de realimentacin incorporado. Este
permite que el Lser funcione siempre en la zona de operacin
estimulada y que se disponga de una salida sin retardos y con una
nica longitud de onda, lo que implica una baja tasa de error.
En la Tabla 3 se indican los datos caractersticos para
velocidades de 140 Mbps y mayores.
La vida til del Lser se encuentra en el orden de 105 horas, con
la ventaja de que su envejecimiento se produce gradualmente y
permite el reemplazo del mdulo con suficiente anticipacin. Una vida
til elevada requiere que la fuente se utilice con una adecuada
relacin corriente/temperatura.
En la Figura 9A se muestran caractersticas de diferentes
emisores y en la Figura 10A se muestra la longitud de onda de
emisin de Lser.
Los siguientes son diseos tpicos del sistema:
Tipo de emisorFibra utilizadaNivel de emisinLongitud de onda
(um)(dBm)(nm)
LEDMM 50/125-20850/1300
LASERMM 50/1250850/1300
LASERSM 9/125-31300/1500
Es importante destacar que los terminales de lnea pticos (TLFO)
se suministran dispuestos para operar en una determinada longitud
de onda pero con la posibilidad de utilizar diferentes potencias de
emisin para diferentes tipos de fibras.
7.3 Comparacin LED - LASER
Orientativamente podemos realizar la siguiente comparacin entre
emisores LED y Lser, tomando como base una utilizacin en 2da
ventana:
En resumen, las principales ventajas e inconvenientes de ambos
emisores son:
Emisor LEDEmisor Lser
VENTAJASlarga vida
bajo consumo
disposicin simple
precio bajopotencia emitida alta
emisin direccional
tiempo de respuesta bajo (menor que 1 nseg.)
INCONVENIENTESpotencia emitida baja
tiempo de respuesta lento (orden de 100 nseg.)
no apto para fibras SMsensible a temperatura
precio alto
vida til menor
8 CONVERTIDORES OPTO-ELECTRONICOS
8.1 Generalidades
Las principales consideraciones que deben tenerse en cuenta para
los convertidores son:
ac. La obtencin de una potencia lumnica pequea que sea
detectable con una tasa de error (BER ) determinada se logra con
convertidores que posean bajo ruido y una sensibilidad determinada
en el rea espectral deseada. Ver Figuras 9B y 11.
Tal sensibilidad est constituida por la potencia ptica mnima que
es capaz de recibir, garantizando una tasa de error BER determinada
(tpicamente de valor 10-9 y 10-10).
De all que la distancia entre el emisor y el receptor pticos est
determinada por el ancho de banda a transmitir y por el valor medio
de la potencia de recepcin ptica que es necesario disponer para
obtener una tasa de BER=10-9 a temperatura normalizada (20o C
tpico). Ver las Figuras 10B y 12A.
En la Figura 12B se muestran la comparativa de enlaces y la
atenuacin mxima permitida para diferentes velocidades de reaccin
muy grande.
ad. Para la velocidad de transmisin que se pretende utilizar, el
dispositivo convertidor deber poseer una velocidad de reaccin muy
grande.
8.2 Tipos de Convertidores
Los principales tipos de receptores son:
Fotodiodos PIN.
Fotodiodos PIN con preamplificadores FET.
Fotodiodos de avalancha APD.
Los fotodiodos PIN de silicio se utilizan como receptores pticos
en las longitudes de onda entre 0,8 y 1 um.
Para aumentar la sensibilidad del PIN se utilizan fotodiodos PIN
con preamplificador FET que poseen un ancho de banda amplio,
pudiendo ser utilizados para diferentes longitudes de onda y
diferentes tipos de fibras. Su constitucin le permite obtener
seales pticas de hasta el nanowatt y asegurar la precisin en la
deteccin.
Los fototipos de InGaAs son ms convenientes para combinar con
emisores Lser y trabajan en segunda y tercera ventana, lo que puede
observarse en la Tabla 4 y la Figura 9B).
Otra posibilidad es la de utilizar fotodiodos APD. Estos son
mucho ms sensibles y de mayor velocidad de respuesta pero requieren
de una tensin de polarizacin estabilizada trmicamente. Por esta
razn son utilizados para sistemas de gran ancho de banda (operacin
en 140 Mbps).
Su constitucin les permite detectar seales por debajo del
nanowatt (dcimas) y con anchos de banda hasta Ghz.
Estos fotodiodos APD pueden elegirse entre diferentes modelos y
tipos, como:
APD de silicio (longitudes de onda de hasta 1100 nm).
APD de InGaAs/InP (longitudes de onda para 1300 nm).
APD de germanio (para 1300 nm).
APD de InGaAs/InP con GaAs-FET (para 1300 nm).
En la Tabla A pueden apreciarse las diferencias entre ellos.
Como regla general puede decirse que los receptores APD deben
ser utilizados para enlaces largos y los PIN-FET para enlaces
medios.
El siguiente cuadro comparativo permite orientar la eleccin:
RECEPTORNIVEL DE SENSIBILIDADVELOCIDAD DE TRANSMISINLONGITUD DE
ONDA
PIN-34 dBm2 a 34 Mbps1a y 2a ventana
PIN-FET-53 dBm
-47 dBm2 Mbps
34 Mbps2a y 3a ventana
APD-56dBm
-50 dBm2 Mbps
34 Mbps2a y 3a ventana
Para mayor velocidad de transmisin, la sensibilidad ser menor,
pudiendo apreciarse una variacin orientativa en la Tabla 3.
Un recurso para extender la longitud de enlace consiste en
aumentar la sensibilidad del receptor en aras de aceptar una tasa
de error menor. En la Figura 13 se indica un estilo de
variacin.
8.3 Combinacin Emisor-Receptor
En forma orientativa es posible indicar ciertas combinaciones de
elementos emisores y convertidores pticos, segn la longitud de onda
a utilizar:
Lambda 850 nm
Fibra multimodo (graded index).
Emisores LED (GaAs) o Lser.
Receptores PIN de silicio.
Lambda 1300 nm
Fibra multimodo o monomodo.
Emisores Lser (GaInAsP).
Receptores PIN de InGaAs.
Lambda 1550 nm
Fibra monomodo (tipo NZD).
Emisor Lser.
Receptores APD (GaInAsP).
9 CALCULO DEL ENLACE
9.1 Procedimiento de Clculo
Primeramente debern establecerse las hiptesis de diseo,
constituidas mnimamente por:
Velocidad de la transmisin de datos.
Tipo de fibra ptica a utilizar.
Longitud de onda a utilizar.
Longitud total del enlace ptico.
Tipo de cable ptico.
Tasa de error requerida.
El clculo podr desarrollarse en pasos sucesivos, como sigue:
a) Extraer de los datos caractersticos del cable ptico lo
relativo al ensayo de las fibras y al tipo de instalacin,
obteniendo:
Atenuacin de la fibra (af).
Atenuacin de empalmes (ae ) y su cantidad.
Atenuacin en conectores (ac ).
b) Establecer los mrgenes de seguridad:
Margen de equipos (Me): por envejecimiento, temperatura,
etc.
Margen del cable ptico (Mc): por futuras reparaciones, etc.
c) Realizar el clculo de la atenuacin total del enlace
ptico:
d) Definir el emisor ptico para la longitud de onda a utilizar y
para t=20oC :
Tipo de emisor (LED; Lser).
Nivel de emisin ptica en el pigtail (dBm).
Ancho espectral de la fuente (nm).
e) Definir el receptor ptico a utilizar:
Tipo de receptor (PIN; etc.).
Nivel de recepcin mxima aceptada (Nmax).
Sensibilidad del receptor (nivel mnimo aceptable para BER y
a
T=20 oC) (S).
f) Determinar la diferencia () entre la potencia de emisin (Ne)
y la sensibilidad del receptor (Sr), agregando el margen de
equipo:
(equipo) = Ne - Sr - Me
g) Verificar que el salto mximo entre equipos sea mayor o igual
a la atenuacin que introduce el enlace ptico (precaucin especial
para enlaces largos):
(equipo) = At (enlace)
Aqu es conveniente analizar las condiciones:
a la poca de instalacin
(sin Me) > At (con Mc),
durante el perodo de vida til
(con Me) > At (con Mc).
h) Verificar que el nivel de recepcin que se logra despus de la
atenuacin del enlace no sea mayor que el nivel de recepcin mximo
aceptado en el receptor (precaucin especial para enlaces
cortos):
Nrecepcin < Nmx.
i) Verificar el ancho de banda en funcin de la longitud del
enlace Lt.
(Ref: UIT-T G. 956 Cuadro 1 para fibras MM y Cuadro 2 para
fibras SM en velocidades de 2Mbps y mayores)
9.2 Repetidores
Cuando las distancias de enlace sean excesivamente largas puede
ser necesario instalar repetidores dentro del tramo de cable
ptico.
Estos repetidores deben ser elegidos segn los siguientes
criterios:
a) ubicarlos preferentemente en emplazamientos con
infraestructura existente (edificio, alimentacin);
b) no incluir multiplexores, salvo que se prevea insertar y
extraer informacin de ese emplazamiento en un futuro;
c) instalar los repetidores en lugares poco accesibles para
personas no autorizadas (para OPGW y ADSS en las posiciones ms
altas de torres).
Dado que los repetidores introducen mucha vulnerabilidad en el
sistema de comunicaciones y alargamiento de los valores MTTR, su
instalacin slo debe considerarse como una medida extrema. Para
evitarlos deben estudiarse otras medidas:
Utilizacin de fibras monomodo optimizadas para tercera
ventana.
Utilizacin de longitudes de onda de 1550 nm.
Utilizacin de emisores pticos de mayor nivel.
Utilizacin de amplificadores pticos
Utilizacin de receptores pticos de mxima sensibilidad.
Utilizacin de la mnima velocidad posible para transmitir la
informacin.
Reduccin de la tasa de error del enlace a lo estrictamente
necesario.
Otra alternativa para extender la longitud de enlace sin
repetidores consiste en utilizar amplificadores de fibras dopadas
con Ebrio y emitir en tercera ventana. La principal precaucin con
este tipo de amplificadores es la de filtrar convenientemente las
longitudes de onda de la bomba de lser a la salida de seales
tiles.
Si finalmente debe instalarse el repetidor, ste se compondr de
un terminal de lnea ptico conectado back-to-back y deber disponer
de una supervisin de sus condiciones de funcionamiento a ser
transmitidas a la estacin del extremo de enlace:
Niveles de emisin.
Estado de bateras.
Temperatura y humedad.
Otros.
10 Sistemas de Transmisin optica
Dado que los sistemas de transmisin ptica poseen iguales
interfaces que los sistemas de transmisin elctricos (caso de
sistemas existentes de microondas, por ejemplo), es posible
integrarlos a ellos.
Los tipos de transmisin digital estandarizados por ITU-T
son:
Redes PDH.
Redes SDH.
10.1 Sistema Digital Plesicrono (PDH)
Ampliamente utilizado, constituye la mayora de los sistemas
digitales existentes en FO y MO, permitiendo abastecer n canales a
64 kbps segn la jerarqua correspondiente:
E0(1 x 64 kbps)
E130 x E02 Mbps
E2120 x E08 Mbps
E3480 x E034 Mbps
E41920 x E0140 Mbps
Para las redes elctricas solamente es suficiente utilizar hasta
jerarquas E1 y E2.
Adicionalmente puede utilizarse la submultiplexacin de los
canales de 64 Mbps, con lo cual puede abastecerse mayor
informacin.
Para el caso de ser necesarias jerarquas mayores, se recomienda
pasar a sistemas SDH.
10.2 Sistema Digital Sncrono (SDH)
En caso de preverse disear un Sistema de Comunicaciones Digital
Integrado (SCDI), por el cual canalizar la totalidad de informacin
de la Compaa Elctrica, como es:
Trfico de voz y datos, digital, del Area Administrativa y
Comercial.
Trfico de datos de telecontrol y afines.
Trfico de voz del Area Mantenimiento de Red (va trunking o
sistema radiomvil propio).
Es conveniente implementar una red SDH e integrar a ella todos
los sistemas PDH que existan en la Compaa.
De esta forma se permitir abastecer n canales segn cierta
jerarqua como sigue:
STM-1 2430 canalesvelocidad 155 Mbps
STM-4 9720 canalesvelocidad 622 Mbps
STM-1638880 canalesvelocidad 2488 Mbps
En la Figura 14 se muestra un sistema SDH de jerarqua STM-1, a
155 Mbps, configurado en anillo y con tributarios elctricos y
pticos, para caso de integrar todo el equipamiento existente a la
Red de Comunicaciones.
(Ref: ITU-T G 707, G 708 y G 709 )
10.3 Conveniencia Red SDH
Es recomendable implementar una red SDH por varios motivos:
a) Flexibilidad
Permite incorporar redes PDH a ella, sean norma USA o
EUROPA.
b) Crecimiento
Permite incorporar nuevos tributarios en el futuro y crecer
hacia velocidades mayores (caso de compartir funciones con los
carriers).
c) Bajo costo
Permite disponer de sistemas ms simples, con valor de
mantenimiento menor que el de otras redes, requerir menor consumo
de energa, etc.
d) Facilidades
Permite acceder a los tributarios de baja velocidad sin
necesidad de pasar por la totalidad de multiplexaciones y
desmultiplexaciones que requieren los PDH.
Adems permite disponer de servicios de banda ancha para
video-vigilancia y otros.
e) Gerenciamiento de la red
Permite el control total de la red mediante software, como la
deteccin de fallas en cualquier punto, modificar la configuracin de
los nodos remotos, realizar enrutamiento, etc.
La posibilidad de incorporar enlaces PDH a una red SDH de nivel
STM-1 (por ejemplo) es como sigue:
1 x 140 Mbps(EUR)
3 x 45 Mbps(USA)
3 x 34 Mbps(EUR)
16 x 8 Mbps(EUR)
21 x 6 Mbps(USA)
63 x 2 Mbps(EUR)
84 x 1,5 Mbps(USA)
10.4 Particularidades de la Multiplexacin
Los multiplexadores podrn elegirse fundamentalmente de dos
tipos:
TDM (asignados o dinmicos).
WDM.
Los de tipo TDM con interfaces asignadas permiten la
multiplexacin de seales elctricas de los n canales de entrada a l y
a posteriori, a travs del terminal de lnea ptico, transmitir una
sola longitud de onda (() por el cable ptico.
Los de tipo TDM dinmicos permiten que las seales se conecten en
cualquier posicin y adems equiparlos con mayor cantidad de
interfaces que lo permitido en un MUX convencional de operacin
simultnea.
En este caso los canales se conectarn segn la necesidad de uso.
Las interfaces estn vinculadas permanentemente, pero la transmisin
de informacin se realizar solamente cuando exista presencia en la
interfaz.
Los del tipo WDM permiten la transmisin de cada seal a travs de
una longitud de onda especfica que se transmiten combinadas a travs
de un acoplador ptico hacia el cable ptico. Se extraern
equivalentemente a travs de un splitter en el extremo opuesto.
Debe prestarse atencin al efectuar el clculo de atenuacin del
enlace ptico para la longitud de onda de peor condicin.
Los acopladores para WDM permiten utilizar fibras SM o MM y se
los prefiere en distancias cortas y enlaces sin repetidores.
11 EQUIPAMIENTO
11.1 Conformacin de las Instalaciones
Dependiendo del tipo de instalacin a realizar con el cable
ptico, ser la conformacin de la instalacin requerida.
En las Figuras 17, 18 y 19 se muestran los componentes de
instalaciones referidas a cable ptico subterrneo, dielctrico areo y
en cable de guardia respectivamente, de forma de tener en cuenta
todos los componentes necesarios.
11.2 Especificacin de Elementos y Equipos
Los distintos elementos y equipos que conforman el Sistema de
FO, mostrados en la Figura 15, debern diferenciarse y especificarse
con un mnimo de caractersticas y parmetros:
Cable optico
Tipo de cable.
Tipo de fibra.
Cantidad de fibras.
Atenuacin de las fibras.
Velocidad de transmisin.
Longitud de onda.
Mrgenes a considerar.
Complementariamente a l deben tenerse en cuenta los elementos
siguientes:
Amortiguadores para cables OPGW.
Cajas de empalme en pie de torre para transicin cable OPGW a
cable ptico de ltimo tramo hasta Sala de Equipos.
Herrajes de sujecin de cables OPGW y ADSS (extremos; by pass en
torres; cambio de direccin; etc.)
Cajas de empalme estancas para ubicacin en torre.
Distribuidor de fibras pticas
Tipo para alojar en gabinete 19" o en caja separada.
Cantidad total de fibras.
Fibras en uso y de reserva.
Conectores activos y de reserva.
Complementariamente a ellos, deben tenerse en cuenta los
elementos siguientes:
Terminal de conexin (pigtails) entre terminal de lnea ptico y
distribuidor (en caso de distancias amplias y cable ptico de
vinculacin).
Cables de conexin (patchcord) entre terminal de lnea ptico y
distribuidor (en caso de ubicacin prxima inmediata).
Conectores:
tipo FC / PC (roscables),
tipo EC (norma europea),
tipo SC (conexiones mltiples),
tipo FT (conexin a fibras de gran dimetro).
tipo angulares SC-APC
Terminal de lnea ptico
Tipo de emisor ptico.
Longitud de onda.
Convertidor opto-electrnico.
Velocidad de transmisin.
Alternativas de fibras a utilizar.
Sensibilidad prevista.
Mrgenes a considerar.
Complementariamente debe tenerse en cuenta que puede
requerirse:
Panel de vinculacin (patch panel) donde adaptar conectores
SC/PC, conectores FC/PC, conectores FC/ST, etc.
Multiplexor / demultiplexor
Principio de multiplexacin.
Cantidad de canales.
Velocidad de transmisin de datos en cada canal.
Tipo de transmisin de datos (sincrnicos; asincrnicos).
Interfaces necesarias:
Voz.
Datos.
Proteccin.
Video.
Etc.
Las prestaciones de cada uno de estos elementos y equipos debern
ser las recomendadas por las normas IEC y de la UIT-T
respectivas:
IECUIT-T
60693G. 651
60793G. 652
60794G. 653
60874G. 654
60869G. 823
G. 921
EIA STDG. 821
RS-232-CG. 703
RS-485V. 28
RS-422V. 24
11.3 Cualidades de los Elementos y Equipos
ae. Disponibilidad
Debern poseer altos valores de MTBF y, de ser necesario, partes
comunes duplicadas.
af. Flexibilidad
El Sistema deber ser capaz de adaptarse fcilmente a los cambios,
adecuaciones y crecimiento futuros.
ag. Seguridad
El Sistema deber mantener el enlace, an a costa de su
degradacin.
ah. Experiencia de uso
Los equipos y elementos deben estar suficientemente
experimentados en uso comercial y, al mismo tiempo, no ser de una
tecnologa de antigua generacin.
12 TELEPROTECCION
12.1 Estabilidad del Sistema Elctrico
Ciertos sistemas de protecciones de lnea adquieren la informacin
de tensin y corriente de la lnea y por ende disponen del valor
complejo de la impedancia en su modo de operacin normal.
Ante una falla en la lnea la corriente crecer y la tensin se
reducir. El valor de la impedancia vista por la proteccin se
reducir, desplazndose hacia un punto dentro de la zona de arranque
de la proteccin.
Dependiendo de las zonas de medicin que posea el Sistema de
Protecciones y de la posicin de la falla, el tiempo de operacin, si
solamente dependiera de la Proteccin, podra ser compatible o no con
el tiempo de estabilidad del Sistema Elctrico de Potencia.Los
sistemas de proteccin digital se prevn para operar sobre sistemas
de comunicaciones digitales, por lo cual se transmitir
permanentemente un telegrama binario de n bits entre extremos del
enlace.
Este protocolo deber asegurar que el canal de vinculacin entre
ambos extremos se encuentre presente continuamente y con una tasa
de error tpica de BER=10-5 /BER=10-6 .Como ejemplo, el sistema de
proteccin diferencial puede conectarse directamente entre
terminales, a travs de un canal PCM normalizado UIT-T en 64 kbps o
normalizado EIA en 56 kbps (segn se trate de norma europea o
americana).
Otras protecciones requieren de la utilizacin de equipos de
teleproteccin que enven la orden al extremo opuesto de apertura de
interruptores, acelerando as la desconexin de la lnea en
problemas.
(Ref: IEC 60834-2)12.2 Caracterstica de la Teleproteccin
Digital
El envo de rdenes en la teleproteccin digital debe realizarse
mediante una transmisin full duplex a travs de un canal PCM del
multiplexador digital, con interfaz G.703 o, en ciertos casos, a
travs de una fibra ptica dedicada. Este canal del Mux deber ser
dedicado para cada equipo de teleproteccin.
Una alternativa para evitar la multiplexacin consiste en
utilizar fibras pticas dedicadas exclusivamente a la teleproteccin
e independientes del resto de informacin (multiplexada).
Durante el estado de reposo, el equipo de teleproteccin digital
enviar una trama determinada que ser cambiada cuando exista un
disparo/orden de protecciones. La estructura de esta trama deber
estar conformada por una cantidad de bytes que mnimamente
dispongan:
Sincronismo.
Identificacin del emisor especfico de la orden.
Informacin de la teleproteccin en s misma.
Cdigo de deteccin de errores.
Indicacin de finalizacin del mensaje.
12.3 Interfaces
Deben especificarse las interfaces a disponer por el equipo de
teleproteccin:
Interfaz lado protecciones, (conteniendo los circuitos de
entrada y salida de rdenes).
Interfaz de lnea G.703, (para vinculacin al Mux/demux del
sistema de comunicaciones por FO).
Interfaz de fibra ptica, (en el caso de utilizar fibras
dedicadas).
La teleproteccin digital puede ser utilizada tanto en enlaces
digitales pticos como de microondas, pero no por equipos de onda
portadora con multiplexores de entrada. En este ltimo caso siempre
deben utilizarse equipos de teleproteccin analgicos (que no
ingresan al Mux).
12.4 Evaluacin y Procesamiento de Seales
Debe requerirse que todo el procesamiento de las seales sea
realizado en forma digital a travs de un procesador, mediante la
tcnica DSP (procesamiento digital de seales).
El DSP verificar primeramente si la trama es vlida, y luego
descifrar el contenido de la informacin:
Estado de reposo.
Orden de disparo.
Nmero de salida especifica.
Etc.
Un punto importante es la re-sincronizacin del equipo despus de
una interrupcin del vnculo de enlace, por lo que deben
especificarse valores compatibles con los cortos tiempos de
transmisin (por ej. sincronizacin en orden de 100useg).
La programacin y configuracin del terminal de teleproteccin debe
poder efectuarse mediante un software adecuado desde una PC
conectada al DSP.
Otra de la funciones que le competen al DSP es la de incluir la
facilidad de un lazo de prueba automtico que en forma peridica
verifique el enlace de teleproteccin.
Este lazo de prueba no debe poder impartir disparos bajo ninguna
condicin y debe
poder efectuar la verificacin sin sacar de servicio el enlace de
teleproteccin.
12.5 Tiempos de Transmisin
El tiempo de transmisin nominal denominado To corresponde a las
condiciones ideales, mientras que el tiempo denominado Tac
corresponde al mximo tiempo permitido de transmisin de la orden
bajo condiciones perturbadas. Los valores a especificar deben
surgir de la condiciones de estabilidad del sistema elctrico y de
las caractersticas del funcionamiento de las protecciones.
Con la teleproteccin digital los tiempos de transmisin deben ser
del orden de 3 a 5 mseg, programables en funcin del tiempo de
evaluacin y la decisin a tomar. El mtodo de evaluacin que pueda
utilizar el equipo es a criterio de los fabricantes.
Debe verificarse que los tiempos demasiados cortos no impidan la
accin de los recierres.
Debe sealarse si cada equipo de teleproteccin poseer una nica
orden o varias de ellas y, en el segundo caso, si cada orden debe
poder ser evaluada en forma independiente y simultnea y en funcin
de su importancia.
12.6 Dependibilidad y Seguridad
Los dos parmetros indicativos de la calidad del Sistema de
Teleproteccin son:
ai. Seguridad (Puc).
aj. Dependibilidad (confiabilidad) (Pmc).
A diferencia del equipo de teleproteccin analgico, donde el
ruido presente en el canal perturba al Sistema, el canal digital
por FO posee una alta inmunidad a tales perturbaciones. En el canal
digital sern los bits errneos los que producirn comandos no
deseados o los que retardaran la recepcin de una orden, al extremo
de no recibirla.
En la norma IEC 843-1 se usan rfagas de ruido para la evaluacin
de la dependibilidad y seguridad del equipo analgico. Lo
equivalente en la FO son rfagas de errores. Pero como esta situacin
an no se encuentra definida en la norma IEC, se recomienda
solicitar a los fabricantes el modelo matemtico que demuestre el
comportamiento de los equipos frente a estos efectos.
La Dependibilidad es la probabilidad de prdida de comandos
emitidos. Los bits errneos pueden perturbar el sistema de
teleproteccin, demorando la llegada de una orden al extremo
receptor, pues los mensajes recibidos con errores son rechazados.
Adems, puede existir la prdida de sincronismo y tambin es motivo de
prdida de ordenes.
En la Figura 22 del Draft IEC/95 se muestran valores de Pmc en
funcin de la tasa de error BER y de los tiempos de transmisin Tac.
Si es posible aceptar tiempos de transmisin mayores, a igual tasa
de error, evidentemente se lograrn bajos valores de Pmc.
La Seguridad es la probabilidad de recepcin de disparos
no-deseados. En general esta depende del protocolo utilizado y del
modo de operacin del equipo de teleproteccin.
En la Figura 10 de IEC 834-2/93 se muestran valores de Puc para
diferentes tasas de error BER, para el caso de un protocolo con
trama de 80 bits y 16 bits de control.
En la Figura 21 del Draft IEC/95 se listan valores orientativos
de Pmc y Puc para diferentes esquemas de protecciones.
Se recomienda que los valores de Pmc y Puc sean indicados para
cada tipo de orden
separadamente (y no en forma general).
(Ref: IEC 60834-2; Draft IEC/96)
12.7 Configuraciones
Segn la Seguridad deseada, el sistema elctrico, los sistemas de
protecciones, los sistemas de teleproteccin y los sistemas de onda
portadora debern vincularse de forma tal de lograr un esquema de
doble envo por vas separadas.
Ser funcin del sistema de protecciones decidir el esquema de
conexin de los contactos de rdenes en el extremo receptor:
Conexin paralelo (mxima confiabilidad).
Conexin serie (mxima seguridad).
Conexin serie-paralelo (condicin intermedia).
13 SERVICIOS AUXILIARES
13.1 Corriente Continua
El Sistema de Comunicaciones por fibra ptica y el de
teleproteccin debern alimentarse de un Sistema de Servicios
Auxiliares de Corriente Continua independiente del resto de la
estacin transformadora, de manera de evitar posibles efectos de
interferencias, ruidos, etc.
Tpicamente se trata de un esquema ms simple o ms complejo de 48
VCC, con autonoma de no ms de 5 horas y recarga plena en 10
horas.
El esquema simple deber conformarse por:
Rectificador/cargador simple.
Banco de batera nico.
Tablero de distribucin de CC.
El esquema de mayor complejidad deber estar formado por:
Rectificador/cargador dual.
Dos medias bateras.
Tablero de distribucin de CC.
Los alimentadores del TGSCC debern ser independientes para el
terminal de lnea ptico y cada una de sus fuentes de alimentacin (en
el caso de la configuracin 1+1), para el
multiplexador/demultiplexador. En el caso de utilizarse equipos de
teleproteccin puede compartirse el alimentador del MUX.
El diseo debe contemplar su consumo mximo (configuracin total),
y poseer llaves termomagnticas con la debida selectividad con
relacin a los fusibles o llaves de los equipos en s mismos.
13.2 En Corriente Alterna
En el caso de que los equipos de comunicaciones posean mdulos de
alimentacin en 220 VCA, deber utilizarse una Fuente Ininterrumpible
(UPS) en funcionamiento ON-LINE, con su banco de bateras dispuesto
para la autonoma respectiva.
14 PROYECTO
Diseo de un enlace de comunicaciones de 1 Gbps de la red de
distribucin de la red dorsal nacional de fibra ptica para el tramo
puno-ilave.
Para aproximarse a la velocidad mxima de transmisin de una fibra
monomodo debemos de obtener del fabricante datos precisos del
equipamiento y de la fibra. Se requiere la siguiente
informacin:
Tener en cuenta las siguientes especificaciones:
El equipo ptico seleccionado tiene las siguientes
especificaciones:
Velocidad de transmisin en baudios155.52 Mbps
Mtodo de modulacin pticatipo NRZ
Anchura espectral del generador de luz20 nm
Tiempo de subida del generador de luz2,0 ns
Tiempo de subida del fotodetector1,0 ns
Longitud de onda de trabajo1.310 nm
La fibra ptica seleccionada tiene las siguientes
especificaciones:Dispersin cromtica material-6 ns/nm x km a 1.310
nm
Dispersin cromtica gua-onda5 ns/nm x km a 1.310 nm
Longitud de instalacin total de la fibra54 km
1. Primeramente, determinamos el ancho de banda del
sistema:RBSist.Electr.( MHz )
NRZ ( Mbps ) 2
155,52 / 2
77,76 MHz
2. Se aplicar la ecuacin de la evaluacin del tiempo de subida
para calcular los parmetros desco-nocidos:2222
TCromtica( ns) TSistema( ns) TGenerador ( ns) TDetector (
ns)
3. Se convierte el ancho de banda elctrico del sistema elctrico
en tiempo de subida:
0,35
TSistema(ns)
BElctrico(GHz )
TSistema(ns)
0,35
0,07776
4,5ns4. Entonces se resuelve la ecuacin del tiempo de subida del
equipo:2222
TEquipo( ns) TSitema( ns) TGenerador (ns ) TDetector ( ns)
22
Equipo( ns)
22
12
3,9ns5. Se calcula el tiempo de subida para la dispersin
cromtica:DCromtica (ns / nmxKm) DMaterial (ns / nmxKm) DGuiaOnda
(ns / nmxKm)
DCromtica(ns / nmxKm) 0,006 0,005TCromtica(ns ) DCromtica(ns /
nm) xKm xWEspectral (nm) xdinstal ( Km)
TCromtica(ns ) 0,001x20x50 1nsEl ancho de banda elctrico total
de la fibra ptica se calcula como sigue:
BFibraTotal (GHz) =0.35/ TFibra( ns)
BFibraTotal (GHz) =0.35/1.0=0.35 Ghz
El tiempo de subida total de la fibra TCromtica(ns ) =1ns es
inferior al tiempo de subida total del equipo TEquipo =3,9ns del
punto 4, por lo que la eleccin de la Fibra ptica es adecuada para
la velocidad de transmisin de datos requerida por el equipo.6.
Calculo de balance de potencias:La prdida total admitida ser PT =
PS PR = -2 - (-32) = 30 dB.Prdida por conectores: 2.4 dB
Prdida en empalmes: 0.5 dB Prdida en patch cords: 2 x 1.5 dB = 3
dB
Atenuacin de la fibra: (0.6 dB/Km) x (54 Km ) = 32.4 dB
PT = (prdidas conectores) + (prdidas por empalmes) + L +
margen
Luego:
30 dB = 2.4 dB + 0.5 dB + (3dB + 32.4 dB) + margen Margen = -
8.3 dB (El margen no puede ser negativo)Luego: introducimos
amplificadores para llegar al margen solicitado. El clculo se
realiza por cada seccin de regeneracin.PT = (prdidas conectores) +
(prdidas por empalmes) + L + margen GAPrdida por conectores: 2.4
dBPrdida en empalmes: 0.5 dB Prdida en patch cords: 2 x1.5 dB = 3
dBAtenuacin de la fibra: (0.6 dB/Km) x (54 Km ) = 32.4 dB
Reemplazando: 30 dB = 2.4 dB + 0.5 dB + (3dB + 32.4 dB) + 6dB -
GAGA = 14.3 dBLuego: El enlace es viable con un amplificador de 20
dB en cada seccin de regeneracin.PROPUESTA FINAL
Solucin final con un regenerador y 2 amplificadores.
T4,5
_1100937139.unknown
_1100937141.unknown
_1100937142.unknown
_1100937140.unknown
_1100937137.unknown
_1100937138.unknown
_1100937136.unknown
_1100937135.unknown
