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Redes Digitales: Presente y Futuro
José Incera^1 , Rodolfo Cartas, Osvaldo Cairó 2
Laboratorio de Redes Avanzadas, ITAM Reporte Técnico LRAV 10507 Mayo 2007
(^1) Departamento Académico de Sistemas Digitales (^2) Departamento Académico de Computación Instituto Tecnológico Autónomo de México (ITAM) Río Hondo 1 – 01000 México DF jincera@itam.mx, rodolfocartas@gmail.com, cairo@itam.mx
Resumen
Los grandes avances que se han dado en los últimos años en los campos de Tecnologías de Información y de Comunicaciones (TIC), conducen hacia un mundo cada vez más global e interconectado. La llamada Sociedad de la Información ha traído consigo un enorme incremento en el número de interacciones entre individuos, así como entre individuos y empresas. La infraestructura que hace posible estas interacciones, son las redes digitales. En este trabajo se presenta una panorámica general de las redes digitales, desde los conceptos básicos de sistemas de comunicaciones digitales, hasta los elementos que las están convirtiendo en una única plataforma de transporte en la convergen los más diversos servicios.
1. Antecedentes
Durante las últimas décadas los campos de la informática y la telecomunicación se han fusionado, generando profundos cambios en la tecnología, los productos y las compañías de esta nueva industria combinada (Stallings, 2007). La revolución generada por esta simbiosis ha afectado significativamente el tejido económico y social del mundo. Las redes digitales se están convirtiendo en el sistema nervioso de la Sociedad de la Información. Para Castells (2000), La Red significa nuevas formas de organización que reemplazan jerarquías verticales integradas como la manera dominante de organización social.
Tecnológicamente, esta revolución ha dejado ver (Stallings, 2007) que: (1) no existe una diferencia fundamental entre los dispositivos de cómputo y los dispositivos de transmisión de datos; (2) no existe una diferencia fundamental entre la transmisión de datos, voz y video; (3) las líneas que dividen un dispositivo de cómputo y una red se desvanecen, la red es la computadora.
Todo lo anterior ha llevado a la llamada convergencia digital la cual está ocurriendo en diferentes niveles (OECD, 2006):
- En el nivel de contenidos, por ejemplo, con la aparición de los servicios de Video en Demanda ( Video on Demand ) y la televisión sobre el protocolo de Internet (IPTV);
- a nivel de negocios, con esquemas de propiedad cruzadas y los servicios triple - play (datos, voz y video) ofrecidos por operadores de telecomunicaciones;
- a nivel de red con la aparición de redes unificadas para la transmisión de señales;
- a nivel de dispositivos con dispositivos de propósito múltiple.
Internet, uno de los productos más importantes de esta revolución, se convierte paulatinamente en una infraestructura crítica, a pesar de que no fue pensada para ello. Este papel no hará más que incrementarse en el futuro, lo que ha llevado a considerar el rediseño de su arquitectura básica para contar con una Internet que expanda las oportunidades de innovación tecnológica y de crecimiento económico.
Dado su rol preponderante en las sociedades contemporáneas, la exclusión de acceso a las redes digitales es una de las formas más dañinas de exclusión de la economía y la cultura (Castells, 2001). Reducir la brecha digital^1 , debe convertirse en prioridad para las
naciones. El cierre de la brecha digital es reto y oportunidad para el mundo en desarrollo.
El presente reporte ofrece una panorámica general de las redes digitales. Tras una breve introducción sobre los conceptos básicos de sistemas y redes digitales, se muestra cómo han evolucionado hacia la llamada convergencia digital. Posteriormente se presentan los avances y tendencias en infraestructura de redes, tanto en la red de acceso como en el núcleo de los operadores. Dada su posición innegable como LA red digital de la sociedad contemporánea, se dedicará una sección especial a Internet en la que se analizarán varios aspectos y se presentarán brevemente los proyectos de rediseño más relevantes en la actualidad. Finalmente se discutirán algunos puntos relevantes sobre las tendencias en servicios y contenidos digitales en red, y sobre las implicaciones de la convergencia digital.
2. Marco conceptual
Una red digital es un sistema de comunicaciones en el que la información que se transporta está codificada en formato digital. Con el fin de entender cómo funcionan las redes digitales, sus características, problemáticas y oportunidades, es conveniente describir brevemente qué es un sistema digital.
2.1 Sistemas Digitales
El surgimiento del transistor, la computadora electrónica y el microprocesador en los decenios posteriores a la Segunda Guerra Mundial transformaron la manera de procesar la
(^1) Definimos brecha digital como la diferencia en las oportunidades de acceso a las tecnologías de
información y telecomunicaciones entre distintos grupos de una sociedad (países, regiones, etnias, género, edad, etc.).
Figura 1. Muestreo y cuantización
La cuantización implica una distorsión de la señal original pues, en general, el valor discreto que representa la muestra no coincidirá exactamente con su magnitud en ese punto. Por otra parte, la señal digital es mucho más inmune a factores externos (como el ruido térmico, representado por la línea punteada en la figura 1) que puedan afectar la magnitud de la señal. El conjunto de valores utilizados para la representación digital, debe elegirse con cuidado. Entre mayor sea el conjunto, menor será la separación entre ellos, y por consiguiente, el error de cuantización. Sin embargo, el patrón binario para representar estos valores también aumenta^2. Además, la inmunidad al ruido disminuirá, pues aumenta la probabilidad de tomar un valor por otro.
Para reconstruir la señal analógica se recurre a un proceso matemático de interpolación. En 1924, Henry Nyquist mostró, a través del teorema que lleva su nombre, que para obtener una reconstrucción completa, bastaba con tomar muestras al doble de la frecuencia máxima de la señal original. Es necesario entonces, conocer el rango de frecuencias (llamado ancho de banda) de las señales para poder digitalizarlas.
Es ilustrativo ejemplificar estos conceptos en el marco de las redes telefónicas digitales. La voz humana está formada por señales que tienen componentes de frecuencia más allá de los 12,000 Hz. Sin embargo, los componentes principales de la voz, es decir, aquellos que permiten distinguir con claridad el mensaje emitido, se encuentran en el rango de 300 Hz a 3,400 Hz. En las redes telefónicas digitales se transforma la voz en una señal eléctrica que es sensada cada 125 μs^3 , obteniendo 8,000 muestras por segundo (poco más del doble requerido por el teorema de Nyquist). Cada valor se representa con un número binario de 8 bits, por lo que la señal digital tiene una tasa de 64 kb/s^4.
Si bien el proceso de digitalización introduce una cierta complejidad en el tratamiento de la señal original (pues es necesario tomar las muestras, cuantizarlas y codificarlas), la representación digital de la información tiene enormes ventajas para poder tratarla (por ejemplo, para comprimirla, transformarla, analizarla mediante programas de cómputo), almacenarla (por ejemplo, en un archivo) y transportarla en sistemas de comunicaciones digitales. Es por ello que en la actualidad, prácticamente todos los sistemas de comunicaciones están convergiendo hacia su digitalización.
2.3 Sistemas de comunicaciones
En su forma más gene ral, un sistema de comunicaciones está compuesto por los bloques que se ilustran en la figura 2. Una fuente de información genera mensajes para un cierto
destinatario 5. El transmisor convierte estos mensajes en una señal que viaja por un canal de comunicación hasta el receptor, el cual se encarga de reconstruir el mensaje y
(^2) Se necesitan b=log 2 V bits para representar V valores. (^3) μs representa un micro segundo, es decir, una millonésima de segundo. (^4) Los modernos sistemas de comunicaciones de voz utilizan distintas técnicas de compresión para reducir
sustancialmente esta tasa. (^5) En los sistemas de difusión (como la televisión), se tendrán varios destinatarios.
entregarlo al destinatario. En su paso por el canal, la señal es objeto de perturbaciones impredecibles producidas por la naturaleza del canal o por elementos externos al sistema, así que la señal recibida siempre será diferente de la emitida (ver figura 1). Si el sistema de comunicaciones es digital, el mensaje, su representación en una señal, o ambos, utilizan una secuencia de valores digitales.
Figura 2. Sistema de comunicación El teorema de Nyquist, además de mostrar cómo reconstruir una señal original a partir
de la señal digital, fija el límite máximo de la cantidad de información que puede ser transmitida a través de un ca nal sin ruido. Si la digitalización se realiza al doble de la frecuencia máxima de la señal original (H) y si se utilizan V niveles discretos entonces:
Tasa máxima de datos = 2H log 2 (V) b/s
Claude Shannon extiende en 1948 el trabajo original de Nyquist para canales con presencia de ruido (Tanenbaum, 1996). Si la cantidad de ruido en el canal se obtiene a partir la relación entre la potencia de la señal a trasmitir (S) y la potencia del ruido presente (N), entonces la tasa ideal de un canal con ancho de banda H y coeficiente señal a ruido S/N es:
Tasa máxima de datos = H log 2 (1 + S/N) b/s
Este resultado es muy importante porque, además de ofrecer el límite teórico de la capacidad de un canal, indica que cualquier mensaje puede ser transmitido con confiabilidad, a pesar de tener un canal con ruido, diseñando una codificación que mejore el coeficiente señal a ruido (Rheingold, 2000).
3 Redes digitales
En general, las redes digitales son una evolución de las redes de comunicaciones tradicionales, las cuales fueron diseñadas y operadas para ofrecer un solo servicio. Así surgieron, por ejemplo, las redes telegráficas, de telefonía fija, de telefonía celular, de televisión abierta, de televisión por cable, redes de computadoras en ambientes corporativos pr ivados, redes de cajeros automáticos, y, en sus inicios, Internet ofreciendo
Fuente de Información
Transmisor Receptor^ Destino
Fuente de Ruido
Señal
Mensaje entregado
Canal
Mensaje original
Señal Recibida
- Capa de Presentación. Transforma datos para proveer una representación estándar e interoperable entre los equipos terminales.
- Capa de Aplicación. A través de esta capa los usuarios acceden a los servicios de la red. En ella se definen, por ejemplo, los protocolos SMTP, FTP y HTTP utilizados, respectivamente, para intercambiar mensajes de correo electrónico, transferir archivos y navegar a través de las páginas Web.
Figura 3. Arquitecturas de capas. OSI (izquierda) y TCP/IP (derecha)
3.2 Taxonomía
Existen diversas maneras en las que las redes digitales pueden ser clasificadas, por ejemplo, por los servicios que ofrecen (telefonía fija y móvil, televisión, intercambio de información); por su función en la arquitectura de red (redes de acceso, redes de transporte); por la población de usuarios que las utilizan (redes públicas, privadas, corporativas, para el hogar); por su cobertura geográfica. Esta última clasificación es muy común en la literatura, por lo que se presentará brevemente.
Redes de área corporal (BAN, Body Area Network )
Se trata de un concepto reciente en el que los dispositivos utilizan el cuerpo humano como medio de transmisión. Los dispositivos transmiten información entre sí con el simple hecho de tocarlos. Esta tecnología debe utilizar señales de baja potencia para reducir la interferencia entre dispositivos y, sobre todo para evitar efectos nocivos para la salud. Una ventaja del cuerpo como medio de transmisión es que la información no se irradia al ambiente. El Instituto de Investigaciones en Electrónica y Telecomunicación de Corea del Sur ha desarrollado un prototipo que permite intercambiar datos a 5kb/s (IIET, 2005). Esta clase de dispositivos podría usarse para ofrecer servicios de autenticación,
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
Enlace de datos
Física
Aplicaciones
(Correo electrònico, Web, chat, etc.)
TCP/UDP
IP
OSI TCP/IP
Interfaz de red (Capas inferiores)
pago electrónico o monitoreo clínico de pacientes. Su área de cobertura es de un par de metros.
Redes de área de área personal (PAN, Personal Area Network )
Son redes típicamente inalámbricas que interconectan dispositivos de cómputo en un área de cobertura pequeña, alrededor de 10 metros. Las primeras redes PAN utilizaban enlaces infrarrojo para la interconexión, ofrecían velocidades de 2.4kb/s hasta 16Mb/s en
un rango de hasta un metro pero los dispositivos debían contar con una trayectoria directa entre ellos, es decir, sin objetos que la obstruyeran. A esto se le conoce en telecomunicaciones como línea de vista (LOS, line of sight).
Los estándares actuales, entre los que destacan IEEE 802.15.1, mejor conocido como Bluetooth, IEEE 802.15.4, llamado ZigBee 6 y Wireless USB^7 , no requieren de LOS. Bluetooth 2.0 ofrece velocidades de 3Mb/s mientras que WUSB alcanza los 110Mb/s en distancias de 10 metros. ZigBee, más enfocada a la interconexión de dispositivos, es una red muy simple, de bajo costo, baja velocidad (hasta 250 kb/s) y relativamente segura. Todas ellas están diseñadas para operar en modo ad-hoc, en el que los dispositivos electrónicos se conectan entre sí sin la intervención del usuario. Es decir, los dispositivos identifican a la red, solicitan su ingreso, reciben una dirección y establecen la comunicación por sí mismos.
Redes de área local (LAN, Local Area Network )
Son las más conocidas en las organizaciones y, de manera creciente, en los hogares. Permiten conectar dispositivos con una cobertura de cientos de metros hasta un par de kilómetros. Históricamente, la tecnología dominante en estas redes ha sido Ethernet, creada por Robert Metcalfe en los laboratorios Xerox PARC a mediados de los años 70 (Metcalfe and Boggs, 1976), y estandarizada por la IEEE bajo el grupo de trabajo 802.3^8.
En sus primeras versiones, los dispositivos se conectan a un medio compartido (un
cable coaxial, o un concentrador) en el que se difunde la señal transmitida, que puede ser escuchada por todos. Cuando un dispositivo desea enviar información, verifica que el medio esté libre y la transmite en una trama que tiene, entre otros campos, identificadores del remitente y del receptor. Este último toma la trama del medio; los demás la ignoran. Existe la posibilidad de que dos dispositivos que deseen transmitir casi al mismo tiempo, escuchen el medio, lo encuentren libre e inicien su transmisión, distorsionando la señal del otro. Los emisores están obligados a detectar este fenómeno, llamado colisión, y en caso de que ocurra, abortan la transmisión y lo intentan nuevamente en un momento posterior.
Las nuevas implementaciones del protocolo no utilizan medios compartidos; los dispositivos están conectados directamente a conmutadores que pueden encaminar la información a su destinatario. Esta configuración, junto con grandes avances en diseño
(^6) IEEE 802.15 WPAN Task Group 1. http://www.ieee802.org/15/pub/TG1.html (^7) Certified Wireless USB. http://www.usb.org/developers/wusb/ (^8) http:// www.ieee802.org /3/
años, por lo que se dedicará una sección especial a estas. Para la interconexión de redes locales, la tecnología dominante es MetroEthernet (IEEE 802.3ah) la cual evolucionó de las redes LAN, con las que los usuarios tienen una larga familiaridad. MetroEthernet puede ser implementada sobre líneas de cobre aunque con mayor frecuencia su infraestructura se basa en fibras ópticas. Si el proveedor utiliza DWDM (sección 4), puede alcanzar velocidades de hasta 100Gb/s (EFMF, 2004).
Redes de área amplia (WAN, Wide Area Network )
En esta categoría, en la que también se incluyen las redes de área regional (RAN, Regional area network) , se cubren grandes extensiones, incluso varios países. La mayoría de estas redes está integrada a la infraestructura de transporte (alambrada) de los grandes operadores. Típicamente están formadas por nodos de conmutación de gran velocidad interconectados entre sí con enlaces de fibra óptica utilizando tecnologías como ATM, SONET/SDH y WDM.
La recientemente aprobada norma IEEE 802.22 (Cordeiro et. al., 2005), tiene como objeto proveer acceso inalámbrico fijo a regiones de hasta 100 km de radio en áreas con baja densidad poblacional. Utiliza frecuencias sin licencia en la banda originalmente establecida para la radiodifusión de televisión. El estándar hace uso de radios cognitivos (sección 4.2). Posee la gran ventaja de no interferir con dispositivos usando frecuencias con licencia. Esta tecnología resulta de particular interés en países en desarrollo y en áreas rurales.
Redes de área global (GAN, Global Area Network )
Las redes de área global cubren un área geográfica ilimitada interconectando una gran cantidad de redes. Este es el caso de las redes telefónicas fijas a escala mundial, e integradas casi totalmente con sus contrapartes celulares. Otro ejemplo evidente es Internet, la gran “red de redes”, que ha rebasado las fronteras de la tierra con iniciativas para lanzar sondas espaciales que utilizan enrutadores con el protocolo IP para enviar información a la tierra (Buster, 2005).
4. Avances y tendencias en infraestructura de redes
Siendo el sector donde se experimenta la mayor tasa de innovación y crecimiento en la actualidad, la capacidad de transmisión de las redes digitales se encuentra en constante crecimiento. De acuerdo a Phil Edholm, jefe de tecnologías de Nortel Networks, las tasas de transmisión de equipo digital crecen a un ritmo logarítmico (Cherry, 2004). Edholm agrupa las tendencias de crecimiento en tres categorías: fijas, nómadas e inalámbricas. Las
tecnologías fijas no permiten la movilidad y se proveen por medios alambrados, por ejemplo, ADSL. Las tecnologías inalámbricas son aquellas que permiten desplazamientos
limitados. Las redes locales inalámbricas caen en esta categoría. En la categoría de tecnologías nómadas, se incluyen aquellas que permiten un movimiento libre, como ocurre con la telefonía celular.
Como puede observarse en la fig ura 4, las tres categorías presentan crecimientos sostenidos en sus tasas de transferencia, aunque las tecnologías fijas lo hacen a un ritmo menor que las otras dos. Extrapolando este comportamiento, alrededor del año 2030 las tecnologías nómadas e inalámbricas ofrecerán la misma capacidad de transmisión que sus contrapartes alambradas, por lo que es válido imaginar que probablemente algún día no habrá necesidad de las tecnologías fijas, al menos en las redes de acceso. Mientras eso suceda, en la actualidad las redes alambradas siguen siendo dominantes. En esta sección se presentan brevemente los principales avances observados en las tecnologías más utilizadas tanto al interior de las redes (llamadas redes de transporte), como para acceder a ellas (llamadas redes de acceso).
Figura 4. Crecimiento de tasas de transferencia (Cherry, 2004)
4.1 Antecedentes
Las redes de telefonía fija se desarrollaron y alcanzaron su auge en el siglo XX. Llegan a millones de hogares y empresas mediante pares de alambre de cobre trenzado que conectan los dispositivos de los usuarios (originalmente el aparato telefónico) con una central del operador. A esta red se le conoce como red de abonado, de acceso, o de última milla. Las redes telefónicas fueron desarrolladas específicamente para ofrecer los servicios de comunicación de voz, y las centrales telefónicas disponían de filtros que cortaban las señales de voz en la red de abonado a frecuencias entre 300 y 3,400 Hz (ver sección 2.2). Dada su ubicuidad, estas redes resultaban muy atractivas para enlazar computadoras digitales entre sí a través de módems (Moduladores-demoduladores) cuya función es transformar las señales digitales de las computadoras en tonos audibles que podían viajar por la red sin ser eliminados por los filtros.
equipo llamado DSLAM ( Digital Subscriber Line Access Multiplexer ) separa las señales de voz y datos y las envía, respectivamente a la red telefónica y a Internet.
Las capacidades ofrecidas por las tecnologías xDSL dependen de varios factores, en particular de la calidad del cableado desplegado, la distancia entre las instalaciones del usuario y el DSLAM, así como del número de pares de cobre (de accesos) en un mismo cable. Para obtener el mejor rendimiento de estas tecnologías, los operadores se ven forzados a reducir la distancia entre el módem y los DLSAMs, lo que representa fuertes inversiones en infraestructura para colocar los DSLAMs en los gabinetes de distribución garantizando condiciones apropiadas de suministro de energía, ambientales y de seguridad (Pozas, Sanchez, 2006).
ADSL está concebido específicamente para servicios de navegación por Internet y acceso a servidores de aplicaciones (correo, archivos, etc.). En estas aplicaciones, la cantidad de información que viaja en cada sentido es típicamente asimétrica: se envía mucha menos información hacia la red (en forma de consultas) de la que se recibe (los contenidos solicitados), por lo que la capacidad del enlace se distribuye en un pequeño canal ascendente (hacia la red) y uno mucho mayor descendente (hacia el usuario). De acuerdo a la norma ITU G.992.1 se pueden alcanzar tasas de 1 y 8 Mb/s en sendos canales, aunque los modelos de negocio de una gran cantidad de operadores ofrecen paquetes con distintas capacidades de subida y bajada.
Con una creciente demanda por mayores capacidades para acceder a servicios más demandantes como juegos en línea, descargas de música y servicios de video, hoy muchos operadores ofrecen ADSL2+ con canales de 24 y 1 Mb/s de bajada y subida respectivamente, y VDSL2 que alcanza tasas agregadas (ambos canales) de hasta 200 Mb/s en su última versión (ITU G.993.2), aunque esta tecnología es especialmente
vulnerable a la separación entre módem y DSLAM: la capacidad se reduce a 100Mb/s a medio kilómetro y menos de 50Mb/s a un kilómetro.
Red de televisión por cable
Las redes de televisión por cable también llegan a millones de hogares y lo hacen con un cable coaxial que tiene características eléctricas muy superiores a las del par de cobre de la red de abonado en telefonía. Por ello, una red de televisión por cable necesita de pequeñas modificaciones para dotarla de la capacidad de transmisión de datos a alta velocidad. Hay varias maneras de lograr esto, la más común se basa en la norma DOCSIS 3.0 ( Data over Cable Service Interface Specification ) la cual permite tasas de transmisión mayores a los 160Mb/s, aunque, nuevamente, los operadores suelen limitar la capacidad ofrecida en función de sus estrategias de negocio. Por otra parte, la capacidad nominal es compartida por los usuarios de una zona de cobertura determinada, lo que significa una desventaja ante las tecnologías xDSL que entregan anchos de banda por usuario.
En Estados Unidos y Canadá el número de accesos por cable es superior a los accesos xDSL (OCDE, 2006); esto se explica en parte por el gran nivel de penetración de los servicios de televisión por cable en esos países, y en parte por su marco regulatorio que favorece un entorno altamente competitivo.
Red eléctrica
Desde mediados de los años 30 se propuso la idea de utilizar las redes de distribución de energía eléctrica para transportar información pero hasta muy recientemente no se le había prestado mucha atención (Palet, 2006). La idea básica consiste en montar sobre la señal de corriente eléctrica la información que se desea transferir. Existen varias tecnologías para ello y se conocen genéricamente como PLC (Power Line
Communications)^13. En la red de baja potencia, se puede ofrecer una capacidad de 45 Mb/s pero, como en DOCSIS, esta capacidad es compartida entre los usuarios.
Su principal ventaja es que la red eléctrica tiene una penetración aún mayor que las redes telefónicas y de televisión por cable (por ejemplo, en China hay 9 teléfonos fijos pero 32.1 aparatos de televisión por cada 100 habitantes) (Palet, 2006), por lo que su despliegue como red de acceso puede hacerse sumamente rápido y a bajo costo, ofreciendo una alternativa a DOCSIS y xDSL. Esta tecnología puede ser muy atractiva para aumentar la teledensidad en países emergentes o en zonas rurales que tienen una cobertura muy pobre de cable o de telefonía.
Sin embargo, el transporte de datos en redes eléctricas presenta varios retos técnicos pues en muchos países las líneas eléctricas son altamente ruidosas y con variaciones eléctricas muy considerables. Además, no se ha definido un estándar para estas tecnologías; los primeros despliegues dependen en gran medida de estándares cerrados. La IEEE ha creado el grupo de trabajo P1901 con el fin de desarrollar un estándar abierto e interoperable que pueda alcanzar los 130 Mb/s.
Fibra óptica
Con la aparición de nuevos servicios ofrecidos a través de las redes digitales, como consulta de documentos multimedia, IPTV, juegos en línea, descarga de archivos de audio y video, etc., la demanda por mayores anchos de banda en la red de acceso crece enormemente. Varios autores estiman que en el corto plazo se necesitarán entre 50 y 100 Mb/s en el canal descendente y 30 Mb/s en el canal ascendente por usuario 14 (Lepley, 2005, Pozas, Sanchez, 2006). Estas tasas llevan al límite la capacidad de las tecnologías de acceso fijas basadas en cobre, e inalámbricas, lo que ha incentivado el despliegue de fibra óptica en la red de acceso.
Para el transporte de información, la fibra óptica es sumamente atractiva dadas su
total inmunidad a interferencias electromagnéticas, su poca atenuación, y sobre todo, a su enorme capacidad. Con las modernas técnicas de fabricación, se estima que una sola fibra puede alcanzar un ancho de banda de 2.5 Tb/s (Hurtado et al., 2006). Sin embargo, los despliegues de fibra óptica tienen un costo elevado, sobre todo a muy alta velocidad,
(^13) Existen otras tecnologías como HomePlug y CEPCA que utilizan la red eléctrica para interconectar
dispositivos en el hogar. No se incluyen aquí pues no son redes de acceso. (^14) Este cálculo supone el acceso simultáneo a tres canales de televisión de alta definición, sesiones de juegos
en línea, telefonía IP, navegación intensiva y descarga de un archivo de video.
En las redes FTTC ( fiber to the curb) y FTTN ( fiber to the node ) se aprovecha parte de la red de abonado telefónica, lo que abarata y simplifica el despliegue de la red de acceso. Los ONU se localizan en los gabinetes de cableado o en los postes de distribución y se encargan de realizar la conversión eléctrica-óptica de las señales, así como de la transformación entre los formatos de entramado utilizados en cada sección.
Como puede observarse, en las redes PON el ancho de banda de la fibra se comparte entre varios usuarios, por lo que es común limitar a 32 el número de accesos en los separadores ópticos. Existen varios estándares para las redes PON El primero en aparecer fue APON (ITU G.983) y ofrece una capacidad de 622 Mb/s descendente y 19 Mb/s en el canal ascendente. BPON ofrece los mismos servicios y agrega un canal para distribución de video. GPON (ITU G.984) utiliza un entramado especial ( Generic Framing Procedure ) para ofrecer velocidades hasta de 2.5 Gb/s y 78 Mb/s en los canales descendente y ascendente. EPON (IEEE 802.3ah), es la norma que se utiliza en redes metropolitanas ofreciendo velocidades de 1G y 30 Mb/s. Una tecnología prometedora, WPON está en fase de estandarización. Basada en WDM (sección 4.3), la idea es que el separador óptico entregue una longitud de onda a cada usuario, lo cual permite incrementar sustancialmente la capacidad disponible para cada uno de ellos.
China, Corea y Japón han mostrado un gran interés por desplegar fibra óptica en la red de acceso. Japon es el líder indiscutible en este rubro con 6.3 millones de suscriptores (OCDE, 2006). En Estados Unidos, Verizon, SBC y BellSouth han iniciado agresivamente sus despliegues. En julio de 2005, 1.32% de los hogares americanos contaba con accesos de fibra y, de ellos, 13% habían contratado servicios (Mastrangelo, 2005).
En Europa y América Latina, el despliegue ha sido más lento, a veces promovido por
los gobiernos locales directamente o en modalidades de co- inversión. Entre las razones que explican el desarrollo cauteloso en estas y otras regiones del mundo, suelen
mencionarse la falta de certeza sobre el retorno de la inversión dado que el abanico de servicios que demandan gran cantidad de ancho de banda no han madurado lo suficiente, y, sobre todo, la falta de claridad de los marcos regulatorios. Para estimular la competencia, en muchos países los operadores dominantes son forzados a permitir que sobre sus redes de acceso, los operadores entrantes puedan prestar servicios a sus propios clientes. Si bien esto es benéfico para los consumidores, el operador dominante se encuentra poco motivado para modernizar su infraestructura (Pozas, Sánchez, 2006; i2010, 2006).
Red telefónica celular
Las redes de telefonía celular fueron desarrolladas en la segunda mitad del siglo XX para ofrecer servicios móviles de voz. En general, están conformadas por múltiples puntos fijos (radio -bases) interconectados entre sí. Estos puntos fijos ofrecen servicios a dispositivos inalámbricos dentro de un área geográfica determinada, llamada célula. La comunicación entre los dispositivos y las estaciones base utiliza señales de radio en frecuencias reservadas específicamente para ello. Al igual que el sistema telefónico
tradicional, este tipo de redes ha evolucionado para ofrecer servicios móviles de transferencia de datos.
La segunda generación de tecnología celular (2G) se caracteriza por el uso de señales digitales enfocadas al transporte de voz. Las redes de segunda generación ofrecen una limitada capacidad de transmisión de datos con protocolos como GPRS con tasas de 384 kb/s. La siguiente generación, 3G, está diseñada para ofrecer servicios simultáneos de voz y datos de banda ancha. Entre los estándares utilizados para este tipo de redes se encuentran CDMA-2000, EV-DO y UMTS. UMTS tiene una capacidad de 2 Mb/s para transmisión de datos. HSDPA, una actualización de UMTS, puede teóricamente alcanzar velocidades de 14.4 Mb/s, aunque típicamente se ofrecen servicios con velocidades de hasta 3.6Mb/s. Se está trabajando en una versión que ofrecerá 42 Mb/s.
WiMAX
Las tecnologías WiMAX (IEEE 802.16) y la recién estandarizada iBurst (IEEE 802.20) proveen servicios de banda ancha inalámbrica. En estas redes también se utiliza el concepto de célula pero abarca un área mucho mayor que en las de telefonía. Con línea de vista, el radio de la célula puede llegar a 50 km. Sin línea de vista, es decir, permitiendo obstáculos como árboles y edificios entre la estación base y el usuario, el radio se reduce a 15 km (Bray, Mahony, 2006). En áreas sin una infraestructura telefónica o de televisión por cable, estas tecnologías pueden resultar una opción sumamente atractiva para la oferta de servicios de banda ancha pues los costos de despliegue son sustancialmente menores que los incurridos al implementar redes alambradas.
WiMax ha sido muy apoyado por importantes fabricantes de semiconductores y se espera que aparezcan cada vez más dispositivos portátiles como laptops y PDAs preparados para utilizar esta tecnología como un sustituto más eficiente y –se espera- económico a las redes celulares de 3ª generación.
iBurst tiene como objetivo brindar movilidad a los usuarios con velocidades de desplazamiento de hasta 250 km/h. La norma IEEE 802.16e de WiMax también permite movilidad hasta 100 km/h. Las tasas de transferencia dependen de muchos factores como la distancia del usuario a la estación base, el nivel de interferencia, la movilidad del usuario, y el número de usuarios, pues la capacidad de la base es compartida por ellos. Aunque se habla de 70 Mb/s compartidos, en ambientes sin línea de vista es más común alcanzar tasas alrededor de 10 Mb/s. Sin embargo, nuevamente los modelos de negocio de los operadores pueden limitar los anchos de banda por usuario. Si bien estas tasas pueden no ser suficientes para los nuevos servicios multimedia, WiMax e iBurst resultan muy atractivas como alternativas flexibles de acceso a servicios más convencionales. Algunos operadores de redes, como Sprint en los Estados Unidos han seleccionado a WiMAX
como la base para el desarrollo de sus redes celulares de cuarta generación.
Redes satelitales y plataformas de gran altitud
Los satélites artificiales de comunicaciones, funcionan como una estación de relevo de microondas. El satélite capta una señal enviada desde la tierra, la amplifica y la envía
Otra alternativa que está tomando una creciente atención, es el uso de plataformas a gran altitud (HAP, High Altitude Platform ). Se trata de una propuesta para utilizar aviones no tripulados volando en un radio corto a 20 km de la superficie terrestre que, al igual que un satélite, refleja las señales enviadas en su radio de cobertura, de alrededor de 500 km. Estas plataformas serían operadas con energía solar y se estima que podrían tener una autonomía de 1 año (Bray, Mahony, 2006). La Unión Europea está financiando el proyecto Capanina^18 para evaluar e implementar un sistema HAP. Entre las ventajas que se mencionan sobre estas tecnologías cabe destacar:
- Es un sistema muy atractivo para comunicaciones multimedia, pues su latencia es mucho menor que la de los satélites geoestacionarios. Puede ofrecer una gran variedad de servicios con altas tasas de transmisión. Por ejemplo, Capanina busca entregar 120 Mb/s en el enlace descendente.
- Se estima que el costo de una plataforma será 10 veces menor que el de un satélite geoestacionario. Además, estas sí pueden ser regresadas a la tierra para su reparación en caso de fallos, o para su actualización.
- Resultan una excelente opción para establecer rápidamente redes de comunicaciones que han sido destruidas por desastres naturales. También resultan atractivas para ofrecer servicios en países en vías de desarrollo.
Radios cognitivos
Un área que ha tomado bastante interés, es el uso de interfaces de radio configuradas por software (SDR, Software defined radio ), por ejemplo, interfaces que pueden elegir sus frecuencias de operación por software. Bajo esta definición se ubican los teléfonos celulares multi-banda que pueden operar en distintas redes, como WiFi, GSM o WiMax, y que seleccionan el servicio en función de la cobertura, el costo, y los criterios del usuario (Berberana, et al., 2006).
En esta categoría entran también los radios cognitivos o ágiles los cuales buscan utilizar más eficienteme nte el espectro radioeléctrico al detectar y operar bandas de
frecuencia no utilizadas. Por ejemplo, dos equipos terminales con radios cognitivos, podrían detectar que en cierta región un determinado canal de UHF no está siendo utilizado, y lo tomarían para su comunicación. Si en algún momento detectan que hay transmisión en esa frecuencia, en cuestión de micro segundos saltarían a otro canal o a otra banda que estuviera libre.
La gran motivación detrás de este modelo de configuración y re-asignación dinámica de ancho de banda, es que permitiría un aprovechamiento óptimo del espectro, un recurso escaso y muy desperdiciado en ciertas regiones, como las bandas para televisión UHF y para televisión digital (Faulhaber, Farber, 2002).
Como puede inferirse, para que este modelo se implemente en todo el espectro, sería necesario revisar el marco regulatorio, pues en la mayoría de los países se asignan regiones del espectro a servicios específicos (radio difusión, televisión, telefonía celular,
(^18) http://www.capanina.org
etc.) siguiendo las recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, y sin permitir que esas frecuencias se utilicen para otros servicios. Aún si las autoridades locales cuentan con políticas de uso flexible para las regiones concesionadas, la puesta en operación de radios cognitivos podría requerir de acuerdos de negocio entre un número importante de concesionarios (Faulhaber, Farber, 2002).
4.3 Red de transporte
La red de transporte es la infraestructura que utilizan los operadores para interconectar los equipos en sus instalaciones (centrales, telefónicas, puntos de presencia, etc.) y prestar servicios a sus clientes. Típicamente, la infraestructura de red de los operadores, y en particular de los grandes operadores, reflejaba claramente la evo lución de las redes de comunicaciones: el despliegue de grandes cantidades de fibra óptica para atender la creciente demanda de ancho de banda de los usuarios, y una serie de plataformas superpuestas orientadas a servicios específicos, como conmutadores de circuitos para telefonía, conmutadores de paquetes y de circuitos virtuales para servicios de datos (Frame Relay e IP), conmutadores ATM par unir ambos, etc. Administrar todas estas redes, resultaba muy costoso y muy ineficiente.
Ante un mercado sumamente competitivo, una migración en las preferencias de los usuarios hacia servicios de datos, y sobre todo, la demanda de nuevos servicios, los operadores se han visto en la necesidad de adoptar estrategias que les permitan maximizar su infraestructura, minim izar sus costos de operación y agilizar la puesta en operación de servicios de valor agregado con alta rentabilidad.
Red óptica
Con base en las enormes ventajas que ofrece la fibra óptica para transportar información, y atendiendo a la creciente dema nda de capacidad, la gran mayoría de los operadores migró durante los años 90, su infraestructura de cable y microondas a enlaces de fibra óptica. Típicamente, estos enlaces integran anillos metropolitanos SONET/SDH y mallas que enlazan estos anillos (Hurtado et al., 2006).
En esa década se lograron también grandes avances en tecnologías de multiplexaje por división de longitud de onda (WDM, wavelength division multiplexing). Esta tecnología permite enviar varias portadoras con distintas longitudes de onda^19 a través de la misma fibra, con lo que aumenta enormemente su capacidad. A fines de los años 90, WDM denso, DWDM, permitía transportar hasta 160 portadoras espaciadas a intervalos de 25 GHz, con lo que se alcanzan tasas de 80 Gb/s por fibra. En la fibra, los haces se envían en regiones del espectro en los que la atenuación óptica es menor. La primera de estas regiones, llamadas ventanas, se encuentra alrededor de los 850 nm^20. Más adelante se
empezaron a utilizar ventanas en los 1310 nm y 1550 nm que tienen una atenuación
(^19) Informalmente suele decirse que se transportan haces de distintos colores, aunque en realidad las señales
están fuera del espectro de luz visible. (^20) Nm, nanómetro, es 1 mil millonésimo de metro.
