guia 2 carlos romero
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Trabajo sobre la calidad de un enlace digital en el área de telecomunicaciones. Redes digitales. Enlace de redes digitales, etc.TRANSCRIPT
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Disponibilidad y Calidad
En una situaci´on ideal, un radioenlace digital operar´ıa sin introducir errores
en la informaci´on transmitida y estar´ıa disponible el 100 % del tiempo; en la pr
´actica esto es imposible debido a factores que van desde imperfecciones del canal de
trans- misi´on inal´ambrico hasta fallas en los equipos. Debido a ello, en una
situación de diseño real es necesario establecer un compromiso entre lo ideal y lo
realizable; tal compromiso está plasmado en los objetivos mínimos de calidad y
disponibilidad que debe satisfacer un radioenlace, los cuales son establecidos por la
Unión Internacional de Telecomunicaciones a través de Recomendaciones que sirven
de guía en el diseño y certificación de sistemas de telecomunicaciones. Por lo tanto,
un requisito indispensable en el diseño y puesta en marcha de un radioenlace es el
satisfacer las metas de disponibilidad y calidad establecidas por la UIT.
Las metas de calidad están definidas en términos del porcentaje de tiempo
durante el cual el enlace debe operar con una cierta tasa de error. La degradación de
la calidad depende de la probabilidad de que la potencia recibida en un vano caiga
por debajo del umbral requerido por el receptor, o de la probabilidad de que el
espectro de la
Señal recibida sufra distorsión severa. En esencia, el cumplimiento de los objetivos
de calidad depende de un apropiado dimensionamiento del sistema. Más
específicamente, el cálculo del margen de desvanecimiento en cada vano depende del
objetivo de calidad fijado para el enlace.
Por otra parte, las metas de disponibilidad establecen el porcentaje de tiempo
durante el cual el enlace debe estar operativo y ofreciendo un nivel mínimo de calidad.
La disponibilidad de un radioenlace no solo se ve afectada por efectos de
propagación: ella también es afectada por las fallas de los equipos, por lo que es
necesario tomar en cuenta la probabilidad de ocurrencia de las mismas.
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Dada la enorme variedad de sistemas de comunicaciones encontrados en la
práctica, las Recomendaciones UIT que se refieren a las metas de calidad y
disponibilidad están definidas para un sistema de transmisión internacional
hipotético de grandes dimensiones, el cual atraviesa muchos países empleando
distintos medios de transmisi´on tales como fibra ´optica, cable coaxial, sat´elite, etc.
Las normas que aplican a sistemas reales est´an basadas en las normas que aplican a
este sistema de transmisi´on hipot´etico; por consiguiente, es necesario que el
ingeniero posea una compresi´on clara de las Recomendaciones y de su aplicaci´on pr
´actica, a fines de fijar objetivos de calidad razonables en sistemas reales de pequen˜a
y mediana escala.
La r´apida evolucion de los sistemas de radio digital ha producido constantes
modi- ficaciones de los objetivos de calidad y disponibilidad fijados por la UIT. Por
ejemplo, los primeros radios PDH operaban bajo especificaciones que establecen l
´ımites para las tasas de error de bit, a diferencia de las recomendaciones vigentes,
las cuales es- tablecen l´ımites para la ocurrencia de errores de bloque. Por esta raz
´on, el ingeniero necesita una permanente actualizaci´on en las metodolog´ıas de c
´alculo para mantenerse
al d´ıa con la evoluci´on de la tecnolog´ıa de los radioenlaces digitales.
Conexi´on Ficticia Digital de Referencia
La calidad de un enlace digital de microondas depende en esencia de la tasa de
bits errados o BER. Si se tiene un sistema compuesto por N vanos, y el BER en cada
vano es pequen˜o (BER << 1), la tasa de bits errados del enlace BERe ser´a
N
BERe = X
BERi
(7.1.1)i=1
En la pr´actica esta expresi´on es de poca utilidad ya que s´olo se conocen las estad
´ısticas del BER, y no su valor instant´aneo. Por esta raz´on, los criterios empleados
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para definir la calidad de un enlace est´an basados en medidas estad´ısticas de la
tasa de errores; esto es, el valor del BER que es superado durante un cierto
porcentaje del tiempo.
Los l´ımites en cuanto a las tasas de error tolerables establecidas por la UIT
pueden encontrarse en las Recomendaciones UIT-T G.821 y UIT-T G.826. La
primera es aplicable a trayectos digitales con una velocidad menor a la velocidad
primaria de la jerarqu´ıa digital empleada (E1 o T1, segu´n el caso), en tanto
que la segunda aplica a enlaces con velocidades iguales o superiores a la primaria.
En lo sucesivo, denominaremos enlaces de alta velocidad a aquellos que operan con
velocidades iguales o superiores a la de un canal T1 o E1. Los objetivos de calidad de
la Recomendaci´on G.821 est´an basados en mediciones de la tasa de bits errados
(BER), en tanto que los de la Recomendaci´on G.826 est´an basados en mediciones de
la tasa de bloque errados1. En ambos casos, es necesario efectuar mediciones para
verificar el cumplimiento de los objetivos de calidad; actualmente se dispone de
numerosos dispositivos disen˜ados
para realizar dichas mediciones. La medici´on del BER se lleva a cabo
transmitiendo secuencias de bits pseudoaleatorias (PRBS, Pseudo Random Bit
Sequences ). El uso de las PRBS tiene el inconveniente de que el sistema debe estar
fuera de servicio a efectos de transmitir la secuencia y efectuar la medici´on (lo que
por lo general s´olo puede hacerse cuando el sistema est´a siendo certificado). Por
otra parte, la medici´on de la tasa de bloques errados se realiza empleando c´odigos
de detecci´on de error, lo que permite la medici´on de los par´ametros de calidad
durante la operaci´on normal del sistema.
En principio, los est´andares que se examinar´an s´olo aplican a redes PDH o
SDH; sin embargo ´estos tambi´en pueden ser aplicados a redes ATM con una
apropiada definici´on de la calidad de operaci´on entre los extremos del trayecto, en
el que la capa f´ısica del modelo de referencia del protocolo ATM estar´a terminada
por conmutadores ATM. En la capa f´ısica, los trayectos de transmisi´on ATM
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corresponder´an a un tren de c´elulas que ser´an transformadas a un formato basado
en c´elulas o en estructuras de
1 Un bloque es un conjunto de bits consecutivos asociados con el trayecto, empleado con elproposito de detectar errores y evaluar la calidad del enlace.trama basadas en la norma SDH o PDH. El lector interesado en los detalles de
calidad de operaci´on en una red ATM puede consultar la Recomendaci´on UIT-T
I.356.
Los l´ımites especificados en las Recomendaciones G.821 y G.826 se refieren a una
conexion digital ficticia de referencia (XFR), mostrada en la Fig. 7.1 y descrita en la
Recomendaci´on UIT-T G.801.
La XFR representa una soluci´on de compromiso que hace posible manejar la
com- plejidad de los sistemas de comunicacion actual, en los que la informaci´on
viaja de origen a destino a trav´es de mu´ltiples medios de transmisi´on tales como
fibra ´optica, radioenlaces digitales, cables met´alicos y sat´elites. La idea es
proporcionar un est´andar de calidad y disponibilidad aplicable a un sistema ficticio
que, bajo las condiciones
27500 km
1250 km 25000 km 1250 km
Punto de referencia T
LE LEPunto de
referencia T
Grado local
Grado medio
Grado alto
Grado medio
Grado local
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LE : Local exchange (central local)
Figura 7.1: Conexi´on digital ficticia de referencia (XFR).
apropiadas, pueda ser extrapolado a sistemas reales de mediana y pequen˜a escala. De
esta manera, la XFR permite fijar los objetivos que han de cumplirse en un sistema
de comunicaciones real; asimismo ella permite obtener objetivos de funcionamiento
para los equipos, los cuales proporcionan orientacion al proyectista que disen˜a con
medios de transmisi´on y t´ecnicas de modulaci´on espec´ıficas.
La XFR especifica una conexi´on internacional con una longitud de 27500 km
entre los puntos de referencia T 2, la cual es dividida en secciones con 3 tipos de
niveles de calidad: grado local, grado medio y grado alto. El grado local corresponde
al circuito de acceso del usuario; comprende los sistemas que operan entre el equipo
del usuario y la central local, los cuales funcionan normalmente a bajas
velocidades. El grado medio corresponde a aquellos sistemas que operan a partir de
la central local en el segmento nacional de la conexi´on. Los grados local y medio
cubren los primeros 1250 km en cada extremo de la conexi´on. Por u´ltimo, el
grado alto corresponde al resto de la XFR, y comprende los sistemas de larga
distancia nacional e internacional que normalmente operan a altas velocidades.
La Fig. 7.2 muestra la arquitectura de la XFR: la longitud total de 27500 km
es dividida en 2 secciones nacionales de 1250 km de longitud y una internacional
con 25,000 km de longitud. Las centrales digitales dentro de las secciones nacionales
pueden ser centrales locales (CL), centros primarios (CP), centros secundarios (CS)
y centros terciarios (CTe). Puede verse como la secci´on de grado local se
extiende desde el punto de referencia T hasta la central local, mientras que la secci
´on nacional de grado medio comprende los tramos que contienen CP, CS y CTe.
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Los par´ametros de calidad que definen el grado de una secci´on est´an basados
en la ocurrencia de los siguientes eventos, los cuales se deben registrar s´olo en los
per´ıodos en los que el enlace est´a disponible :
Segundos con errores (Errored Seconds, ES ): Per´ıodo de un segundo
en el que ocurren uno o m´as bits err´oneos. En enlaces de alta velocidad ES se
define como un per´ıodo de un segundo en el que uno o m´as bloques presentan
errores.
Segundos severamente errados (Severely Errored Seconds, SES ): Per
´ıodo de un segundo en el que BER > 10−3. En enlaces de alta velocidad SES se
de- fine como un per´ıodo de un segundo que contiene al menos 30 % de bloques
con errores.
Bloques con errores (Errored Blocks, EB ): Bloques de datos que
con- tienen uno o m´as errores.
Error de bloque de fondo (Background Block Error, BBE ):
Bloque con error que no se produce como parte de un SES.
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Los par´ametros empleados para cuantificar la calidad del enlace se definen a
partir de los eventos anteriormente descritos:
Tasa de segundos errados (Errored Seconds Ratio, ESR): Relaci
´on entre ES y los segundos totales en los que el sistema est´a disponible
durante un intervalo de medici´on fijo.
Tasa de segundos severamente errados (Severely Errored Seconds
Ra- tio, SESR): Relaci´on entre SES y los segundos totales en los que el
sistema est´a disponible durante un intervalo de medici´on fijo.
Error de bloques de fondo (Background Block Error Ratio, BBER):
Relaci´on entre el nu´mero de bloques errados y el nu´mero total de bloques
trans- mitidos durante un intervalo de medici´on fijo. El c´omputo total de
bloques excluye todos los bloques transmitidos durante SES.
Aunque en una secci´on posterior se dar´a una definici´on formal de la
disponibi- lidad, adelantaremos que un radioenlace no est´a disponible cuando se
produce uno
cualquiera de los siguientes eventos por mas de 10 segundos consecutivos:
P´erdida de la sen˜al, con p´erdida de sincronismo o alineaci´on de trama
SES
1 Un bloque es un conjunto de bits consecutivos asociados con el trayecto, empleado con elproposito de detectar errores y evaluar la calidad del enlace.
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Objetivos de Calidad para Enlaces Reales
La UIT ha publicado Recomendaciones que proporcionan permiten obtener ob-
jetivos de calidad para enlaces reales. Tales objetivos est´an basados en la
Recomen- daciones UIT-T G.821 y G.826; sin embargo, ellos est´an planteados
para trayectos que no dejan de ser idealizaciones, por lo que la aplicaci´on de estos
objetivos a una situaci´on pr´actica debe ser hecha con un adecuado conocimiento
del est´andar y de la red que se est´a planificando. A continuacion se examinar´an
los objetivos de calidad para las secciones de grado alto, medio y local de enlaces de
alta y baja velocidad en enlaces reales.
Objetivos de Calidad basados en la Rec. UIT-T G.821.
A continuacion se describen objetivos de calidad para las secciones de alto, medio
y bajo grado de circuitos que operan a velocidades iguales o inferiores a la
primaria (N × 64 kbps).
Grado Alto
La Rec. UIT-R F.634 establece los siguientes objetivos de calidad, los cuales apli-
can a un trayecto con una longitud d comprendida entre los 280 y los 2500 km3.
3 Los objetivos para enlaces de grado alto con longitud menor a 280 km siguen bajo estudio.
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ESR no debe exceder 0.32 ×(d/2500) % de cualquier mes.
SESR no debe exceder 0.054 ×(d/2500) % de cualquier mes
N´otese que estos objetivos no son sino versiones escaladas de los objetivos corres-
pondientes al TDFR.
Grado Medio
La Rec. UIT-R F.696 establece los objetivos de calidad para un radioenlace que
forma parte de la secci´on de grado medio de una red de comunicaciones que
opera a una velocidad inferior a la primaria; estos objetivos se establecen en base
a una seccion digital ficticia de referencia (SDFR) definida en la Recomendaci´on
UIT-T G.801. La arquitectura de la SDFR es mostrada en la Fig. 7.4. Los accesos de
entrada y salida a la SDFR son las interfaces digitales normalizadas para las jerarqu
´ıas digitales empleadas en el sistema. La longitud Y de la SDFR se ha escogido
para representar secciones digitales presentes en redes operacionales reales, y es lo
suficientemente larga como para permitir una especificaci´on de calidad de
funcionamiento realista para sistemas radioel´ectricos digitales. Por el momento se
han identificado como apropiadas longitudes de 280 y 50 km para la SDFR.
Y km
X kbps X kbps
Equipo terminal
Equipo terminal
Figura 7.4: Secci´on digital ficticia de referencia (SDFR).
10 10
Los correspondientes objetivos de calidad para una SDFR de grado medio se pre-
sentan en el Cuadro 7.2.
Fraccion de tiempo para cualquier mesPar´ametro
Clase 1280 km
Clase 2280 km
Clase 350 km
Clase 450 km
ESR 0.036 % 0.16 % 0.16 % 0.4 %SESR 0.006 % 0.0075 % 0.002 % 0.005 %
Cuadro 7.2: Objetivos de calidad para un SDFR de grado medio.
Se hen definido cuatro clases de calidad para la SDFR; a cada una de las cuales se le
ha asignado un porcentaje fijo de deterioro de la calidad. Las clases 1 y 3 corresponden
a la clasificaci´on de ‘circuito de grado alto’, pudiendo tambi´en utilizarse un un
tramo de grado medio. Las clases 2 y 4 aplican u´nicamente para el tramo de grado
medio.
Si la longitud de la secci´on digital bajo estudio es menor que 50 km, los objetivos
de error ser´an los correspondientes a las clases 3 o 4, segu´n el grado de calidad
requerido. Si por el contrario la longitud de la secci´on bajo estudio es mayor que
280 km, los objetivos de error ser´an la suma de los objetivos de un nu´mero entero
de secciones de una misma clase cuya longitud combinada sea tan grande como la de
la secci´on bajo estudio.
Grado Local
La Rec. UIT-R F.697 establece los siguientes objetivos de calidad para un radioen-
lace perteneciente a la secci´on de grado local de una red de comunicaciones que
opera a una velocidad inferior a la primaria:
ESR no debe exceder 1.2 % de cualquier mes.
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SESR no debe exceder 0.015 % de cualquier mes
A diferencia de las especificaciones para las secciones de grado alto y medio, no se
propone ningu´n trayecto digital ficticio de referencia para las aplicaciones de grado
local. El circuito de grado local puede constar de uno o m´as sistemas de transmisi
´on y/o tramos radioel´ectricos; no se ha definido una longitud espec´ıfica, pero
longitudes del orden de los 10 km no son infrecuentes en la actualidad.
Objetivos de Calidad basados en la Rec. UIT-T G.826.
Los objetivos de calidad para circuitos que operan a velocidades superiores
a la primaria se muestran en el Cuadro 7.3; estos objetivos est´an basados en la
Recomendaci´on UIT-R F.1189. Este tipo de circuito est´a normalmente asociado
al tramo nacional de una conexi´on ficticia de referencia, el cual se divide en tres
secciones b´asicas: acceso, corta distancia, y larga distancia. La secci´on de acceso
incluye las conexiones entre el equipo del subscriptor y el correspondiente centro de
conmutacion de acceso local. La secci´on de corta distancia es la secci´on de red
entre centrales, incluyendo las conexiones entre una central local y un centro
primario, secundario o
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terciario. Por u´ltimo, la secci´on de larga distancia es aquella que incluye las
conexiones entre un CP, CS o CTe (dependiendo de la arquitectura de la red) y
una cabecera
internacional.
Velocidad (Mbps) 1.5-5 5-15 15-55 55-160 160-3500
ESR ( %) 4A % 5A % 7.5A % 16A % No definidoSESR ( %) 0.2A % 0.2A % 0.2A % 0.2A % 0.2A %BBER ( %) 0.02A % 0.02A % 0.02A % 0.02 % 0.01A %
Cuadro 7.3: Objetivos de calidad para radioenlaces de alta velocidad.
El factor A representa un peso que depende de la porci´on del circuito que
es considerada: acceso, corta distancia o larga distancia; sus valores est´an
especificados en el Cuadro 7.4. En dicho Cuadro d es la longitud de la secci´on de
larga distancia y
A1 es un factor cuyo valor est´a 0.015
Tipo de Secci´on
A
Acceso 0.075 - 0.085Corta Distancia 0.075 - 0.085Larga Distancia A1 + 0.01 × (d/500)
Cuadro 7.4: Valores del factor A.
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7.3.3. Factores que influyen en la Calidad
Las siguientes son causas de degradaci´on de la calidad de la sen˜al en un
radioenlace: Errores producidos por anomal´ıas de propagaci´on
Interferencias
Imperfecciones en los equipos
Viento
De todas estas causas, la m´as importante son las anomal´ıas de propagaci´on
(es- pec´ıficamente, desvanecimiento plano y selectivo). Las consecuencias del
desvaneci- miento son
Reducci´on de la potencia recibida
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Incremento de la interferencia intersimbolica (importante en enlaces de mediana
capacidad (17/34 Mbps) y alta capacidad (70/140/200 Mbps))
La interrupci´on de un radioenlace digital ocurre frecuentemente a causa de este u
´ltimo factor.
Como se recordar´a, el efecto de la interferencia es el de producir un aumento en
el piso de ruido del receptor. En condiciones adversas este incremento puede producir
un aumento significativo de la tasa de error, llegando inclusive a ocasionar la
interrupci´on
del servicio. Por otra parte, la potencia de ruido t´ermico puede incrementarse enun equipo defectuoso o cuando ´este se acerca al final de su vida
u´til. Por
u´ltimo,
un mecanismo de degradaci´on de la calidad que por lo general es ignorado es
la influencia del viento sobre las antenas y las torres que las soportan: si la torre
no posee la suficiente rigidez las antenas oscilar´an, y como el ancho del haz de
una antena de microondas es normalmente de una pocas fracciones de grado se
presentaran fluctuaciones importantes en el nivel de la sen˜al recibida.
Consideraciones Pr´acticas
En la pr´actica es necesario que el disen˜o de un radioenlace est´e apegado a
los objetivos de error especificados en las Recomendaciones UIT-T G.821 y G.826;
sin embargo estas Recomendaciones no especifican c´omo estos objetivos deben ser
dis- tribuidos o escalados en una red real. Por lo tanto, es necesario que el ingeniero est
´e en capacidad de realizar suposiciones razonables al momento de disen˜ar un enlace,
ya que las condiciones correspondientes al TDFR rara vez ser´an encontradas en la
pr´actica. En general, es necesario considerar el tipo de servicio que va a ser
soportado por la red y el nivel de calidad ofrecido por otras alternativas a fines de
tomar decisiones
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relativas a la asignaci´on de objetivos de calidad.
Al backbone de una red le ser´ıa normalmente asignada la porci´on de grado alto
del sistema; sin embargo, no hay reglas claras que permitan separar de forma inequ
´ıvoca las porciones de grado medio y grado alto en un sistema de telecomunicaciones:
esto queda al criterio del disen˜ador. En cuanto a la secci´on de grado local, y
como se mencion´o en una Secci´on anterior, ´esta comprende la conexi´on desde la
central local hasta el equipo terminal del subscriptor; en consecuencia podr´ıa
argumentarse que
los servicios de u´ltima milla pueden considerarse de grado local. Por ejemplo, los
sistemas celulares son generalmente disen˜ados con grado local; sin embargo, si la
red de transmisi´on va a transportar tr´afico de otros servicios adicionales al de
voz es recomendable disen˜ar en base a un est´andar de calidad m´as elevado.
Disponibilidad
La disponibilidad de un enlace es el porcentaje de tiempo durante el cual
´este est´a operativo y ofreciendo un nivel m´ınimo de calidad. El enlace no estar´a
disponible cuando el servicio sea interrumpido o cuando la degradaci´on de la calidad
sea tal que el enlace sea inutilizable. La definici´on formal de indisponibilidad es
la siguiente: un periodo de indisponibilidad comienza cuando se registran 10 SES
consecutivos en al menos un sentido de transmisi´on, o cuando la sen˜al digital
es interrumpida por 10 segundos consecutivos con la consiguiente p´erdida de la
sincronizaci´on y del alineamiento de trama. Tal evento se considera parte del
periodo de indisponibilidad, el cual cesar´a una vez que se registren 10 segundos
con ausencia de SES en ambas direcciones, con la consiguiente recuperaci´on de la
sen˜al digital.
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La Recomendaci´on UIT-R F.557 establece que la disponibilidad del TDFR
debe ser del 99.7 % del tiempo, consider´andose para ello un periodo lo
suficientemente
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