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9 4 0 2 0 8

S.E.P. S.E.1 .T. D.G.1.T.

CENTRO NACIONAL llE INVESTIGACION Y OESARROLLO TECNOLOGICO

c e n i d e t "INTEGRACION DE UN NODO PARA U N A RED DE

AREA LOCAL TIPO ETHERNET EN ESTRELLA 2 I- z - u = PASIVA SOBRE FIBRA OPTICA" a w

s:

\

T E S I S OUE PARA OBTENER EL GRADO DE

M A E S T R O E N C I E N C I A S E N I N G E N I E R I A E L E C T R O N I C A

P R E S E N T A :

JOSE LUIS CUEVAS RUlZ

DIRECTOR: M. C. JOAQUIN GARCIA HkRNANDEZ

CUERNAVACA. MORELOS 1994

S e f ’ S I S T E M A NACIONAL. DE INSTITUTOS TECNOLOGICOS

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

ACADEMIA DE LA MAESTRIA DE ELBCTRONICA

FORMA R9

ACEPTACION DEL TRABAJO DE TESIS

Cuernavaca, Mor., a 30 de Agosto de 1994.

C. Vlctor Manuel Alvarado Martínez Jefe de la Maestría de Electrónica C B N I D E T

Después de haber revisado el trabajo de tesis titulado: Jntearacibn de un nodo Daea una red de área local tiD0 E t h e r n e u estrella Desiva sobre fibra dptica elaborado por el alumno: y dirigido por el C. M.C. Joasuín Garcia Aernández el trabajo presentado se ACEPTA.

Atentamente,

José Luis Cuevas Ruíz

- C.M.C. Javier Meneses Ruíz C.M.C. René Santolaya Salgado

C.M.C. Carlos Felipe García Hernández

C.C.P. Presidente de la Academia C.C.P. Director de Tesis C.C.P. Alumno Tesista

Interior Internado Pelrnira S I N C.P. 624!10 Apartado Postal 4224 C.P. 62431 Cuernavata. Mor. M&rico .cenidet ,’ Te!. (,Z) ,- , 1 \. , . . ~ . ’. . .’ . I ..

\ > I bbf SISTEMA NACIONAL DE INSTfTuMS TECNOLOGICOS

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

SiiSDI?ECCIüi~ ACADEMICA DíPTO. DE INGENIERIA ELECTRDNICA

Cuernavaca, Mor., septiembre 8 de 1994

Ing. José Luis Cuevas Ruiz Candidato al Grado de Maestro en Ciencias en I naen i erl a E 1 ectrán i ca

Después de haber sometido a revisión su trabajo final de tesis titulado:

INTLGRACION DE UN NODO PARA UNA RED DE AREA LOCALiiPONERNET EN ESN3U PASIVA SXQE FIBRA Cmivi"

y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el jurado revisor de tesis le hizo, se le comunica que se le concede - autorización para que proceda a la impresión de la misma, como reauisito Dara la obtención del arado.

.~ ,- - .

s. E. P. D G . 1 . T rad0 ;lar- NMW1 Of I N I ~ I l I F A ( i O Y

Y BEUKROLLO 1 : ~ N O I O G I ~ O

~

i4.c. VíCtO ! Jefe del Departamento

C.C.P..: Servicios Escolares

Inlenor I n m a d o Pnlmin S/N CP. 6'2493

Teis.: (73) 18 77 41 y (73) 12 76 13

DEDICATORIAS:

A DIOS, por su gran sabiduría.

A MIS PADRES:

LORENZO, por ser un ejemplo de tenacidad, trabajo y honradez. Ma. DE LOS ANQELES, fuente inagotable de amor, paciencia y esperanza. Para ustedes todo mi amor.

- - A MIS BEñMñiiOS:

LEONOR, por su apoyo y palabras de aliento; ejemplo de s e r cada día mejor. ALVARO, por tu grata compaiifa, los grandes momentos que vivimos y tu apoyo incondicional.

A nI TIA:

ELEUA, por estar siempre a nuestro lado y por tu ejemplo diario de trabajo y lucha.

A ALGtJIEN ESPECIAL:

MFiRY, que le diste un nuevo sentido a mi vida, un sentido de amor, comprensión y felicidad. Te amo.

JOSE LUIS

AGRADECIMIENTOS:

A mis amigos Rubén, Israel, Marco Antonio y Guillermo con quienes compartí trabajo, estudios, alegrías y muchos momentos gratos.

Al X.C. Soaquin Garcia Hernandez por sus conocimientos, paciencia y sabia dirección.

Al CENIDET, por permitirme la realización de mis estudios.

Al COUACyT, por su apoyo económico brindado durante la realización del presente trabajo.

INDICE QENERAL

Página

Indice de figuras. ............................................ iii

Indice de tablas ................................................ v

CAPITULO I. INTRODUCCION.

1.1 Antecedentes ........................................... 1

1.2,Objetivo ............................................... 2

1.3 Metas .................................................. 3

1.4 Organización del trabajo... ............................ 4

CAPITULO 11. REDES DE DATOS.

2.1 Introducci6n ........................................... 6

2.2 Modelo de referencia O81 ............................... 11

2.3 Redes de área local ................................... 21

2.4 Red Ethernet coaxial .................................. 41

. .

CAPITULO 111. RED ETHERNET BASADA EN FIBRA OPTICA.

3.1 Introducción .......................................... 49

3.2 Consideraciones de diseño ............................. 51.

3.3 Componentes de la red de área local tipo

.~

i

Ethernet basada en fibra 6ptica ........................... 52

3.4 Requerimientos ........................................ 55

3.5 Topologías utilizadas ................................. 56

3.6 Técnicas de detection de colisiones ................... 63

CAPITULO IV . SISTEMAS DE COMUNICACION POR FIBRA OPTICA .

4.1 Introducción ...... 4.2 Transceptor ....... 4.3 Diseño del transn

................

................ .................... 78

.................... 88

sor Electro-ópt EO .................. 91 4.4 Diseño del receptor Opto-electrónico .................. 97 4.5 Diseño del circuito de detección de colisiones ....... I07

CAPITULO V . PRUEBAS. CRRACTERIZACION Y RESULTADOS .

5.1 Integración del nodo .................................. 113

5.2 Pruebas .............................................. 116

CAPITULO VI . CONCLUSIONES

6.1 Técnicas de detección de colisiones .................. 122 6.2 Emisor y receptor óptico ............................. 122

6.3 Transceptor .......................................... 123

6.4 Integración del nodo .................................. 124

6.5 Trabajos futuros ..................................... 124

BIBLIoO.IA .................................................. 125

ii

INDICE DE FIGURAS . Sistema Centralizado ........................................... 7

Sistema Distribuido ............................................. E

Arquitectura del Modelo de Referencia OS1 ...................... 13

Operación del Modelo de Referencia OS1 ......................... 1 8

Topología estrella ............................................. 23

Topología anillo ............................................... 24

Topología tipo bus ............................................. 25

División de la capa de enlace de datos ......................... 36

Relación de los estándares IEEE con el Modelo de

Referencia OS1 ................................................. 31

Sistema Ethernet ............................................... 42

Configuración Ethernet a gran escala ........................... 44

Codificación de una sexial NRZ en código Manchester .............. 46 Componentes de una LAN sobre fibra óptica ...................... 53

Acoplador direccional de 4 puertos ............................. 56

Sistema de comunicación Pull-Duplex ............................ 51

Red tipo T interconectando N terminales ....................... 5 8

Red en configuración estrella .................................. 59

Topología en estrella activa ................................... 61

Estrella pasiva ................................................ 62

Transceptor con detección de colisiones por violación del ancho

de pulso ....................................................... 66

Decodificador de respuesta parcial ............................. 68

LLI

Red de bus de direcciones ...................................... 72

Sistema de estrella híbrida .................................... 73

Fibra óptica como circuito secundario .......................... 75

Componentes de un sistema de comunicación por fibra óptica ..... 79 Característica ideal para un LED ............................... 82

Principios de detección ........................................ 85

a) Curva característica del diodo PIN . b) Circuito elemental ... 86 Transceptor como receptor ...................................... 88

Transceptor como emisor ........................................ 89

Modulación digital de un LED ................................... 91

Diagrama a bloques del emisor .................................. 93

Diagrama a bloques del receptor ................................ 97

Recta de carga para el diodo PIN ............................... 98

Acoplamiento de AC y capacitivo ............................... 102

Acoplador de AC tipo flanco ................................... 103

Codificación Manchester ....................................... 108

Diagrama esquemático y de estados lógicos del circuito de

detección de colisiones ....................................... 109

Nodo en estrella pasiva ....................................... 114

Prueba del transceptor en '"Loop-Back" ......................... 117

Envío de un mensaje de prueba ................................. 118

Transferencia de archivos ..................................... 119

Generación de una colisión utilizando un transceptor en

"Loop-Back.. ................................................... 120

Detección de colisiones ....................................... 121

iv

INDICE DE TABLAS

Medios de transmisión para redes de área local tipo

anillo .................................................... 26

Medio de transmisión para redes de área local tipo

busjárbol ................................................. 27

Comparación de los tres tipos de fibras ópticas ........... 33 Características de la red Ethernet ........................ 45

Comparación de los métodos de Detección de Colisiones ..... 76 Comparación entre el diodo PIN y Láser .................... 83

Tabla de próximos estados ................................ 110

Tabla de estados y salida de los Flip-Flops .............. 111

V

CAP. I INTRODUCCION

C A P I T U L O I

I N T R O D U C C I O N

1.1 RWTECEDENTES

Las Redes de Area Local (LAN) han tenido un gran desarrollo en los Últimos años, debido principalmente a la gran cantidad de información que se genera a cada momento y a la necesidad de una rápida difusión de ésta a todos los lugares donde sea útil; y dentro de las redes de área local, la Red Ethernet es una de las redes más comerciales que existen y de mayor uso.

La necesidad de emplear redes de área local en ambientes de alta interferencia electromagnética, ha provocado que en las redes de área local tipo Ethernet que originalmente fueron diseñadas para trabajar en base al cable coaxial como su medio de transmisión, exista una tendencia a cambiar a la fibra Óptica.

1

CAP. I INTRODUCCION

1.2 OBJETIVO

El objetivo del presente trabajo es el análisis, diseño, integración y caracterización de un nodo para una red de Area local tipo Ethernet en estrella pasiva sobre fibra óptica, para su

aplicación en la transmisión y recepción de datos en ambientes industriales de alta interferencia electromagnética.

2

CAP. I INTRODUCCION

1.3 METAS

Las metas de este trabajo de tesis son las siguientes:

1) Estudio y análisis de,la tecnología de redes de área local.

2 ) Estudio y análisis de las técnicas de detección de colisiones que se utilizarán, en base al tipo de acoplador direccional a utilizar.

3) Elección del acoplador direccional y la técnica que asegure el 100% de detección de colisiones.

4 ) Diseño y construcción de la circuitería de detección que asegute el 100% de detección de colisiones.

5) Diseíio de una metodología para la caracterización y pruebas de enlace.

3

CAP. I INTRODUCCION

1 . 4 ORGANIZACION DEL TRAüAJO:

Este trabajo esta dividido en 5 capítulos que describen desde los antecedentes y bases teóricas, hasta la implementación y las pruebas del trabajo terminado.

El capitulo I contiene las metas y el alcance del presente trabajo, así como también señala los objetivos del mismo y la forma en que esta organizado.

El capitulo I1 es una introducción a las redes de datos en general. Se definen los sistemas centralizados y los distribuidos. Se da una explicación del Modelo de Referencia OSI, mencionando las capas que lo forman y la función de cada una de ellas para poder dar una idea global de cómo opera. Se habla de las redes de área local, mencionando sus topologías, medios de transmisión y los protocolos bajo los que operan, para culminar dando una explicación de la red Ethernet coaxial.

En el capitulo I11 se realiza un análisis completo de la red Ethernet basada en fibra óptica, mencionando los componentes que la forman, así como la función que desempeñan y cuales son las consideraciones de diseño para esta red. Se mencionan las topologías más comunes, para finalizar haciendo un estudio comparativo de las diferentes técnicas de detección de colisiones, para poder determinar cual es la mas idónea para este trabajo.

El capitulo IV habla de los sistemas de comunicación por fibra óptica, realizando un análisis breve de los principios de emisión y detección óptica. Enseguida se describen las partes que forman un sistema de comunicación y se explica la operación de cada uno de

4

CAP. I INTRODUCCION

éstos. Posteriormente se explica el diseño y la implernentación del transceptor, así como de la circuiteria para la detección de colisiones.

por último en el capítulo VI se rasumen las conclusiones del análisis teórico y de las pruebas realizadas con el prototipo construido, para posteriormente dar algunas sugerencias para trabajos futuros basados en el presente trabajo.

5.

CAP. I1 REDES DE DATOS

C A P I T U L O I 1

R E D E S D E D A T O S

2.1 INTRODUCCIÓN.

Sistemas Centralizados y Sistemas Distribuidos. Las redes de datos para su operación pueden organizarse de

diferentes maneras. Si hablamos de una de red datos que tiene una computadora anfitriona que lleva a cabo todas las operaciones de procesamiento de información que llegan de uno o varios lugares remotos, entonces nos estaremos refiriendo a un sistema centralizado; si por otro lado hay computadoras distantes procesando trabajos para usuarios finales y también cuentan con una computadora central opcional, podemos decir que ésta red de datos puede llegar a funcionar como un sistema distribuido. Un sistema distribuido puede funcionar como distribuido o centralizado, pero un centralizado solo lo podrá hacer como tal.

Un sistema centralizado realiza todas las operaciones de computo en un solo lugar, a donde arriban datos de todas las estaciones remotas conectadas a través de una línea de comunicación. Esta computadora central puede almacenar los datos de manera temporal cuando el canal este saturado, corregir errores o administrar el envío de los mensajes, todo esto de acuerdo con loa protocolos preestablecidos que este manejando. Un esquema de este tipo esta representado por la figura 2.1.

Un sistema distribuido puede entenderse como el conjunto de subsistemas repartidos, con capacidades y velocidades iguales o diferentes, que se encuentran conectados de modo que puedan

6

C A P . I1 REDES DE DATOS

interactuar entre s í , compartiendo y optimizando recursos [Ref.l]. Un sistema de este tipo no hace otra cosa que descentralizar la capacidad de procesamiento, con lo que se resuelve el problema de manejar grandes cantidades de datos. Estos sistemas necesitan tener un control de comunicaciones (protocolo), que permita optimizar los diferentes enlaces entre las terminales, así como aprovechar al máximo el canal de transmisión. En los sistemas distribuidos p u e d e e x i s t i r comunicación física entre cada una de las terminales que forman parte del sistema o puede ser que ésta comunicación sea

temporal, determinada por el control de

- I

Pig. 2.1 Sistema Centralizado

comunicaciones que maneja el sistema. En la figura 2 . 2 se mueatra un esquema de este tipo de procesamiento.

Los sistemas distribuidos tienen el poder de computo descentralizado y están menos propensos a fallas que los sistemas que trabajan con sistemas centralizados. Esto se debe a que el procesamiento para cada estación es independiente de las estaciones

restantes y lo que se comparte es solo el medio de transmisión, y si una terminal de un sistema distribuido falla o no funciona de manera correcta, est0 no va a afectar al resto de las terminales conectadas al sistema. Y como se mencionó, gracias a que se pueden


comunicar con todos l o s e l e m e n t o s conectados en el sistema, se pueden compartir recursos, con la consecuente optimización en el uso de éstos.

Existe una gran dificultad para poder comunicar entre si varios sistemas de c o m u n i c a c i o n e s , debido a la gran

Pig. 2.2 Sist- Distribuido.

diversidad de marcas de equipo que existen en el mercado, así como también a la gran variedad de proveedores de paquetes de software. Si a esto agregamos el gran avance tecnológico, que nos proporciona dispositivos más rápidos y poderosos, y la falta de normas concretas para la totalidad de capas de un marco de referencia universalmente aceptado, el problema pata la intercomunicación es todavía mayor.

Para tratar de subsanar problemas como los mencionados, se han realizado proyectos para reglamentar fomas de hacer más efectiva y normalizada la comunicación entre equipos procesadores, es decir, poder hacerlos compatibles. Estos proyectos además tienen la facultad de considerar que cada vez se pueden obtener capacidades de procesamiento más rápido y de mejor calidad.

.

8


TRANSMISIONES EN BANDA BASE I[ BANDA AMPLIA. En los sistemas de transmisión existen sistemas de banda

amplia y de banda base. Los sistemas de banda amplia se caracterizan por operar con tecnología analógica: utilizan un modem para inyectar en el medio de transmisión señales portadoras, que son después moduladas por una señal digital. Debido a su naturaleza analóqica, los sistemas de banda amplia suelen estar multiplexados por división en frecuencia (FDM), lo cual permite transportar múltiples portadoras y subcanales por un mismo camino. El nombre de banda amplia se debe a que trabajan en una banda de frecuencia de radio de alta frecuencia (entre 10 y 400 MHz). Sin embargo, no todas las redes analógicas operan en frecuencias tan elevadas. Las que no cumplen con esta característica no se consideran de banda amplia. Los sistemas de banda amplia transmiten datos, voz y seíiales de video, y requieren de dos canales en los cuales se desplazan datos, uno para transmisión y otro para recepción.

El modo de transmisión en banda base, que también se conoce como de señalización por c.d., a diferencia de la transmisidn en banda amplia que envia variaciones de señal de relativamente baja frecuencia, las cuales modularían la amplitud, frecuencia o fase de una onda senoidal portadora, la transmisión en banda base consiste

en enviar las señales directamente sin modulación, cuando su banda de frecuencias, normalmente bajas, coinciden parcial o totalmente con la del canal o medio de transmisión. La transmisión en banda base es satisfactoria para distancias cortas. Esta es una restricción a cortas distancias por que la alta resistencia ocasiona pérdidas de potencia transferible a la carga (o sea, existe una atenuación de corriente).

Para poder darle una mayor utilización al.ancho de banda del

9


canal y tratar de hacerlos inmunes lo más posible a ruidos, se recurre a diferentes códigos para la transmisión digital sin modulación. De modo que en banda base es posible enviar series de símbolos en código que dependen de niveles, que comparados con el sistema binario convencional, hacen la transmisión más confiable. Los cádigos de banda base, producidos por circuitos codificadores, deberán de ser nuevamente decodificados en el extremo donde se reciban, para poder obtener la señal originalmente enviada. Dentro de estos códigos podemos mencionar el Bipolar con Regreso a Cero (BRZ), el de No Regreso a Cero (NRZ), el Manchester, entre otros.

Como puede notarse, enviar niveles positivos y negativos con mayor o menor duración que depende del formato de codificación es realizar transmisión digital en banda base.

10


2 .2 MODELO DE REFERENCIA OCI. En 1977 la Organización Internacional de Estandares (ISO),

formó un comité para estudiar la compatibilidad de equipos para redes [Ref.l]; se definieron las normas generales para lograr enlazar y establecer comunicación efectiva entre computadoras heterogéneas; a este concepto es al que se le conoce como Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI), es decir, abiertos recíprocamente. Las características más importantes de este modelo de referencia son:

1) Sus definiciones son amplias, de modo que dan cavidad a numerosos protocolos de comunicación.

2 ) No establece, recomienda ni promueve algún protocolo ni método de comunicación específico.

3 ) Define el establecimiento de niveles independientes.

4 ) Propone normas de partes de acoplamiento físico, niveles lógicos de voltaje, códigos y procedimientos de protocolo.

5 ) Se prevé la inclusión de interfases.

6 ) Cada nivel se acopla con su inmediato superior o inferior, de modo que la información debe de avanzar a través de cada nivel consecutivo.

Los propósitos del modelo de referencia OS1 son:

1) Proporcionar una base común para coordinar la elaboración de normas con el propósito de interconectar sistemas abiertos.

11

I. C A P . I1 REDES DE DATOS

2) Caracterizar normas para el intercambio de información entre sistemas terminales de datos que estén abiertos para éste propósito.

3) Hacer que en los sistemas abiertos se reconozcan y apoyen mutuamente las normas aplicables.

4) Identificar áreas para elaborar o mejorar normas y proporcionar una referencia común que permita mantener consistencia de todas las normas relacionadas.

El Modelo OS1 no es por si mismo una arquitectura de red, debido a que no se especifican exactamente los servicios y protocolos que han de ser usados en cada capa. Sin embargo IS0 también produce estandares para cada capa, pero estrictamente hablando, éstos no son parte del modelo. El modelo OS1 puede conceptualizarse en tres niveles:

1) La arquitectura: Define un modelo de 7 niveles.

2) Los servicios: Define los servicios que proporciona cada nivel.

3) LOS protocolos.

La arquitectura del modelo de referencia OS1 se basa en capas o niveles, que realizan un conjunto de funciones requeridas para poder comunicarse con otros sistemas, como se muestra en la figura 2.3.

A continuación se describe brevemente cada uno de los niveles

que conforman el modelo:

12

,


SISTEMA B PROTOCOLO SISTEMA A

APUCACION

TRANSPORTE TRANSWRTE

cI--I-3

FISlCA P FISICA

W O ev O -i- o,

c

a 3 L

de Referencia 051. 9 0 z-z y1

O,"

Pig. 2.3 arquitectura del modelo

CAPA PISICA: o w Es la primera capa del modelo de referencia y ésta define las

conexiones físicas, mecánicas y eléctricas relacionadas con el circuito de comunicación físico tal como el medio de transmisión, tipo de conectores, niveles de voltaje, corriente, topología y i técnica de modulación.

CAPA DE ENLRCE DE DATOS: Esta capa define el método de acceso a la red (protocolo).

Realiza el empaquetado y desempaquetado de la información y define la longitud de los paquetes. Detecta los errores de transmisiones

13

CAP. IT REDES DE DATOS

en el canal físico.

CAPA DE RED: Esta capa define como se enrutan y mandan los paquetes

entre dos o más redes. Regula el flujo de los paquetes y define el estado de los mensajes dentro de la red.

CAPA DE TRIIlYSPORTB: Esta capa define como direccionar la localidad física de los

dispositivos conectados a la red. Se encarga de hacer y deshacer las conexiones entre los nodos y selecciona el protocolo que garantice el envío del mensaje.

CAPA DE SESION: Esta capa es la interfase entre el usuario y la red. Coordina

la interaccidn entre programas de aplicación y se encarga de conectar a 2 usuarios que deseen comunicarse entre sí.

CAPA DE PRESENTACION: Esta capa traduce el formato y la sintaxis de los mensajes,

con el objeto de proporcionar independencia a los programam de aplicación en la presentación de sus datos.

CAPA DE APLICACION: Esta capa contiene programas de aplicacidn de la red, que

realizan tareas deseadas por el usuario tales como programas de transferencia de archivos, correo electrónico, impresión, etc.

TEQMINOLWIA USAüA POR O S I : El modelo de referencia OS1 esta dividido en 2 secciones

principales, según el documento-IS0 7498 [Ref.2], que son:

14


- Los elementos de la arquitectura; que comprende los bloques funcionales son usados para construir el modelo de 7 capas.

- La descripción de los servicios y las funciones de las capas.

En lo que se refiere a los elementos de la arquitectura, se consideran algunos conceptos principales como '"sistema", el cual es ,

una o más computadoras conectadas entre sí, su programación asociada, periféricos y usuarios, los cuales se encargan de procesar la información y f o la transferencia de la misma [Ref.].

La organización en capas permite a la red de sistemas abiertos estar lógicamente dividida en subsistemas (que son funciones especificas que realiza cada capa), con la misma jerarquia para todos los sistemas interconectados. El número de capas, nombre y servicio especifico que brinda depende del tipo de red; de cualquier modo, el propósito de cada capa es la ofrecer determinados servicios a las capas superiores.

Cada subsistema esta a su vez compuesto de una o varias entidades (una entidad es un módulo especializado). Por lo tanto cada capa está compuesta de muchas entidades distribuidas entre los sistemas abiertos interconectados. Las entidades de la capa 7 se llaman entidades de aplicación, las de la capa 6 entidades de presentación y as€ sucesivamente.

La idea básica de la organización en capas, es que cada capa agrega un valor a los servicios proporcionados por el conjunto de capas inferiores, de tal modo que el nivel más alto ofrece un conjunto completo de servicios necesarios en aplicaciones distribuidas.

15


Otro principio básico es asegurar la independencia de cada capa, definiendo servicios proporcionados por cada capa a la siguiente capa superior.

Otros elementos que se consideran son los "servicios", "Puntos de Acceso al Servicio (PAS)", y "protocolos" [Ref.Z].

L o s protocolos son un conjunto de reglas y formatos los cuales controlan la comunicación entre N entidades, ejecutando N funciones en sistemas abiertos distintos; cada capa es identificada por un título el cual es único e identifica a la misma N capa en cualquier parte de la red de un sistema abierto.

Bn la interconexión con un nivel o suministrador de servicios están implicadas cuatro transacciones, llamadas primitivas, que se invocan desde o hacia el nivel correspondiente, a travée de los Puntos de Acceso ai Servicio (PAS). Bstas son:

1) Solicitud. Primitiva generada por el usuario del servicio para invocar una función.

2) Indicación: Primitiva generada por el suministrador del servicio para invocar una función o indicar que una función ha sido invocada en un PAS.

3) Respuesta: Primitiva generada por el usuario del servicio para completar una función invocada previamente mediante una Indicación en ese PAS.

4) Confirmación: Primitiva generada por el sumistrador de servicios para completar una función previamente invocada mediante una solicitud en Ese PAS.

16

CAP. ii REDES DE DATOS

El suministrador de servicios puede ser un nivel, una función

o una entidad contenida dentro del nivel, y que todo consiste en ofrecer un medio común de comunicación entre los niveles.

Las funciones definen la tarea especifica que va a realizar cada capa o nivel en el sistema, y éstas se mencionan a continuación.

FUNCIONES DE LnS CAPñS OSI: Algunas funciones comunes para todas las capas del Modelo de

Referencia son las siguientes:

1) Transferencia de datos. -Encapsulado de la información. -Establecimiento y terminación de una conexión.

2) Control de flujo de la información. 3) Control de la secuencia. 4 ) Control de errores. 5 ) Segmentación, bloqueo y concatenación. 6 ) Reinicialización (reset). 71 Multicanalización.

El modo más común de construir los protocolos es mediante el proceso de encapsulado. Este proceso se muestra en la figura 2.4.tRef.11.

De acuerdo con la figura 2.4, cuando una aplicación A tiene un mensaje que enviar a otra aplicación B, ésta transfiere los datos a una entidad en la capa de aplicación. Ahí, es agregado un encabezado AB (Aplication Header) a los datos que contienen la

17


7 __ i r 6

__ 5

__ 4

! I 3

2

_ _

_ _

_ _

1 _ _

VIA M WMUNICAMMI I

1.- CAPA FISICA 2.- CAPA DE EULACE DE

4.- CAPA DE TRMSPORTE 5.- CAPA DE SESIOU

6.- CAPA DE PRESKllTACION 7.- CAPA DE APLICACIOU

DATOS 3.- CAPA DE RED

pig. 2.4 Operaci6n del ladelo de aeferancia 081.

COHSTRUCCION DE LATRAMAM SALIDA .............................................. Es uN!MnDEDAm

..........................


información requerida por el protocolo correspondiente a la capa 7 de la aplicación B. A éste proceso se le conoce como encapsulado de datos.

Los datos originales más el encabezado son pasados como una unidad a la capa de presentación. La entidad de ésta capa trata todo lo anterior como una unidad y agrega su propio encabezado PH (Presentation Header).

Este proceso continua hacia abajo hasta la capa de enlace de datos, la cual generalmente adiciona un Último encabezado que sirve para: Sincronización (bandera de 8 dígitos binarios para indicar el inicio del entramado), Dirección ( 8 dígitos binarios, o múltiples de 8 , para identificar otras estaciones) y Control de Enlace ( 8

dígitos para cuidar el flujo de datos y numerar los entramados). Con respecto a la terminación del paquete, se agrega una sucesión de 24 (6 4 0 ) dígitos, donde 16 (6 32) son para la verificación de

errores en la trama (SVE) y los últimos 8 digitos son la bandera de terminación del entramado.

Esta unidad perteneciente a la capa de enlace de datos llamada trama es entonces transmitida a la capa Elsica, es decir, al medio de transmisión. Cuando la trama es reaibida por el sistema que funciona como receptor (aplicación E), se realiza el proceso inverso.

A medida que los datos van ascendiendo, cada capa elimina el encabezado correspondiente a la unidad de datos que recibe, accesa

el protocolo en donde está contenida la información y pasa los datos a la siguiente capa superior.

En cada etapa del proceso, una capa puede segmentar la unidad

19


de datos que ésta recibe de la capa inmediata superior en varios paquetes, de acuerdo con los requerimientos para su transmisión. Estas unidades de datos deben ser reensambladas por la capa correspondiente (en la parte de recepción) antes de pasarlas a la siguiente capa superior.

20

CAP. 11 REDES DE DATOS

2 . 3 REDES DE AREA LOCAL. Una de las tendencias actuales más importantes sobre redes de

área local, es la de reducir los costos del hardware que se utiliza. Los microprocesadores son comparables en su velocidad, conjunto de instrucciones y capacidad de memoria, a las microcomputadoras más poderosas que se fabricaban hace algunos años, de modo que la información puede ser adquirLda, procesada y utilizada de muchas maneras, por medio de sistemas pequeños y de funciones simples, tales como procesadores de texto y pequeñas computadoras de negocios y microcomputadoras de propósito general (computadoras personales y estaciones de trabajo multiusuario). Estos pequeños sistemas bastante difundidos son más accesibles al usuario, ya que dan una mejor respuesta y son menas complicados de usar que los grandes sistemas centralizados de tiempo compartido. Esto genera una constante necesidad de poder intercambiar datos entre sistemas y poder compartir recursos; éstas dos caracterfsticas pueden lograrse a través de una Red de Area Local

(LAN), que podemos definir de la siguiente manera:

Una Red de Area local (LAN), es una red de conmutación de

paquetes, que permite la interconexión de una gran variedad de dispositivos de comunicaciones de datos en una área limitada geográficamente [Ref. 81.

Las LAN se implementan para poder hacer un uso más efectivo de los recursos tanto materiales como humanos. La conectividad es el concepto impulsor de las redes de área local; significa que cualquier dispositivo conectado a la LAN puede ser direccionado como una conexión individual. Algunas de las ventajas que las redes de área local presentan son:

21

CAP. I1 =DES DE DATOS

1) El costo de una microcomputadora es casi el mismo que el de una terminal.

2) El número de usuarios puede crecer sin hacer mejoras

3) Los costos de mantenimiento son menores que los que-se importantes y costosas al sistema.

necesitan en los grandes sistemas centralizados.

CLA81FICACIOü

Las redes de área local pueden ser clasificadas de acuerdo a:

1) Topología. 2) Medio de Transmisión.

3) Técnica de control de acceso al medio.

Todos éstos factores determinan el tipo de datos que pueden ser transmitidos, la velocidad, la eficiencia de las comunicaciones y el tipo de aplicaciones que la red puede soportar.

TOPOLWIA: En el contexto de una red de comunicaciones, el término

topología se refiere a la manera en la cuál los puntos terminales o estaciones, conectados a la red son interconectados. Las topologías comunes para redes locales son estrella, anillo y bus o árbol. El bus es un caso especial de la topología de árbol, con un solo troncal y sin ramificaciones.

Topología Estrella: En la topología estrella, cada estacidn es conectada por medio

de un enlace punto a punto a un conmutador común central (fig.2.5). Para que una estación transmita datos, primero deberá enviar una "petición" al conmutador central, preguntando por la conexión a alguna estación destino. Una vez que la conexión se ha logrado (el

22

CAP. I1 REDES DE DaTOS

circuito es dado de alta), los datos pueden ser intercambiados entre las dos estaciones como si estuvieran conectadas por un enlace dedicado punto a punto.

Esta topología tiene una estrategia de control de comunicaciones centralizado, de modo que si el control central falla, el sistema se cae. Todas las comunicaciones son

controladas por el conmutador

I Fig. 2.5 Topología Estrella.

central, el cual debe dar de alta y mantener un número de vías para la comunicación de datos. Consecuentemente, el nodo de conmutación central es bastante más complejo y por otra parte el peso del procesamiento de las comunicaciones en las estaciones es mínimo. A no ser por una lógica rudimentaria para la solicitud y aceptación de las conexiones, las estaciones solo necesitan cumplir con los requerimientos de comunicación simple de un enlace punto a punto.

Topologia de anillo: En la topología de anillo, la red de área local consiste de un

conjunto de repetidores conectados por medio de enlaces punto a punto en un lazo cerrado. De modo que cada repetidor participa en dos enlaces. El repetidor es un dispositivo comparativaniente simple, capaz de recibir datos en un enlace y transmitirlos, bit por bit, al otro enlace tan rápido como los esta recibiendo. Los enlaces son unidireccionales; esto es, que los datos son transmitidos en una sola dirección, y todos orientados de la misma manera, además que éstos datos circulan por el anillo en una dirección. Los datos son transmitidos en bloques, llamados tramas o protocolos de unidades de datos; cada trama contiene datos ha ser

23


transmitidos más alguna información de control, incluyendo la dirección de la estación destino. Para bloques de datos muy grandes, la estación transmisora divide los datos en subbloques más pequeños y envía cada subbloque en una trama. Para cada trama que la estación desea transmitir, deberá esperar su prdximo turno y entonces transmitir dicha trama. La trama circula pasando por todas las estaciones, la estación destino reconoce su dirección y copia la trama en un buffer local. La trama continúa circulando hasta que regresa a la estación fuente, donde es removido.

EWE0 s Pig . T 2 . 6 -I" l'oplogis DEDAW da aiiillo.

Debido a que múltiples dispositivos comparten el anillo, el control es necesario para determinar en que momento cada estación puede insertar paquetes al anillo. Cada estación contiene un acceso lógico que controla la transmisión y la recepción. ES notorio el contraste entre la topología de anillo y de estrella. La topología de

estrella incluye una red más compleja procesando funciones con una carga mínima a las estaciones. En la topología de anillo, los dispositivos de red son3os relativamente simples repetidores (fig. 2.6). Sin embargo, las estaciones .deben de realizar el empaquetamiento de la trama y el control lógico de acceso.

Topologías de árbol y de bus: Con la topología de bus, la red de comunicación es simplemente

el medio de transmisión. Todas las estaciones están conectadas, a través de una interfase electrónica apropiada, directamente a la línea del medio de transmisión o bus. Una transmisidn desde alguna

24

estación se propaga a lo largo del medio y puede ser recibida por otras estaciones.

La topología de árbol es una generalización de la topología de bus. El medio de transmisión es cable ramificado sin lazos cerrados. Nuevamente, una transmisión de alguna estación se propaga a través del medio y puede ser recibido por otras estaciones. Para las

I Pig. 2 .7 Topología tipo hoe.

topologías de bus y de árbol, el medio es referido como multipunto (fig.2.7).

Debido a que todos los nodos comparten una lfnea de transmisión común, solo un dispositivo puede transmitir al mismo tiempo. Algunas formas de control de acceso son requeridas para determinar que estación puede transmitir a continuación. Típicamente, pero no siempre, este control es ejecutado en la forma de un protocolo compartido por todos los nodos (control distribuido). En ocasiones también es usado un esquema de control centralizado.

Como en el anillo, la trama de transmisión es típicamente usado para comunicación. Una estación que desea transmitir divide su mensaje en tramas y envía éstas una a la vez, tal vez intercalados en el medio con tramas de otras estaciones. La estación destino buscada reconocerá su dirección en las tramas enviados y entonces los copiará.

25

medio de velocidad de distancia transmisión transmisión entre

(fiPS) . repetidores(km)

par trenzado 4 0.1

sin aislamiento

par trenzado 16 0 . 3

aislado

Cable coaxial 16 1.0

en banda base

fibra óptica 100 2 . 0

Las características del medio de transmisión se basan en el propósito para el que va a ser utilizado. Las características son:

26

NO. de repetidores

72

250

2 5 0

240


1) Descripción física: La naturaleza del medio de transmisión. 2 ) Características de la transmisión: Incluye si se utiliza señalización analógica o digital, técnica de modulación, capacidad y rango de frecuencia sobre el que ocurre la transmisión. Q

3 ) Conectividad: Punto a punto o multipunto. 4 ) Rango Geográfico: La distancia máxima entre puntos sobre la red; si está disponible para uso en el mismo edificio o puede utilizarse para comunicarse con otros. 5 ) Inmunidad al ruido: Es la resistencia del medio a la contaminación de los datos transmitidos. 6 ) Costo relativo: Basado en el costo de componentes, instalación y mantenimiento.

Medio de transmisión

Par trenzado

Cable coaxial en banda base

Cable coaxial en banda amplia

Fibra Óptica

Velocidad de Rango No de de-

transmisión (b) rivaciones

(*PS) (taps)

1-2 <2 10s

10-50 con <3 100s

limitaciones

500-20 por <30 1000s canal

10 <1 10s


conectado a la línea telefónica es par trenzado, como son las líneas locales que conectan a la totalidad de los teléfonos en una área geográfica limitada a una central de teléfonos.

Descripción FSsica: -Un par trenzado consiste de 2 cables aislados arreglados en

un patrón de espiral regular. L o s cables son de cobre o de acero cubierto con cobre. El cobre proporciona conductividad; el acero puede ser usado para soportar esfuerzos mecánicos. Para largas distancias, los cables pueden contener cientos de pares.

Característica de Transmisión: Los cables de par trenzado pueden ser usados para transmitir

seíiales digitales y analógicas. Para senales analógicas se requieren amplificadores cada 5 ó 6 kilómetros. Para señales digitales los repetidores son usados cada 2 o 3 kilómetros.

El uso más común del par trenzado es para transmisiones analógicas. El ancho de banda estándar de un canal de voz fullduplex (comunicación en ambos sentidos al mismo tiempo) es de 300 a 3400 Hz. L o s canales multivoz pueden ser multiplexados usando multiplexión por división de frecuencia (PDM), en un par sencillo. Un ancho de banda de 4 KHz por canal es una adecuada separación entre canales. El par trenzado tiene una capacidad de hasta 24 canales de voz utilizando un ancho de banda de basta 268 kBz.

L o s datos digitales pueden ser transmitidos sobre un canal de voz analógico utilizando un modem. Con un modem común, velocidades de hasta 9600 bps usando modulación PSK (phase-shift keying) (corrimiento de fase) son prácticas.

28


Conectividad: El par trenzado puede ser utilizado para aplicaciones punto a

punto o multipunto. Como un medio multipunto el par trenzado es menos caro, su rendimiento es más bajo con respecto al cable coaxial, y soporta menos estaciones. El uso del enlace punto a punto es bastante más común.

Rango üeográfico: El par trenzado puede proporcionar fácilmente transmisión de

datos en un enlace punto a punto en un rango de 15 Km o más.

Inmunidad al Ruido: Comparado con otros medios, el par trenzado esta limitado en

distancia, ancho de banda y velocidad de transmisión. El medio es bastante susceptible a interferencia y ruido, debido a que se acopla con campos electromagnéticos.

costo: El par trenzado es mucho más barato que el cable coaxial o

fibra óptica, en terminos de costo por metro. Sin embargo, los costos de instalación se aproximan al de los otros medios debido a los costos de la mano de obra.

CABLE COAXIAL: El medio de transmisión más versátil para redes de área local

es el cable coaxial. Existen dos tipos de cable coaxial usados para aplicaciones en redes de área local: el cable de 1 5 ohms (es el estándar usado) y el cable de 5 0 ohms. TSpicamente, el cable de 5 0

ohms es usado solo para señalización digital, llamado de banda base; el cable de 7 5 ohms es utilizado para señalización analógica con modulación FDM llamado de banda amplia y para señalización

29


digital y analógica de alta velocidad en la que la modulación FDM no es posible.

Descripción Física: El cable coaxial, al igual que el par trenzado, consiste de 2

conductores, pero está construido de diferente manera para permitir su operación sobre un rango de frecuencias más amplio.

Caracteristicas de Transmisión: El cable de 50 ohms es usado exclusivamente para transmisión

digital. Típicamente la codificación utilizada es la codificación Manchester. Velocidades de hasta 10 Mbps pueden ser alcanzadas. Para señalización analógica, frecuencias de hasta 300 a 400 Mhz son posibles. E1 espectro de frecuencia del cable esta divido en canales, cada uno de los cuales transmite señales analógicas y también pueden transmitir señales digitales. Varios esquemas de modulación han sido usados para datos digitales, incluyendo A S K (modulación por amplitud), FCK (modulación por frecuencia) y PSK (modulación por fase). La eficiencia del modem determinará el ancho de banda necesario para soportar una velocidad de transmisión dada. Una buena regla es asumir 1 Ez por bps para velocidades de 5Mbps minimo, y de 2 AZ por bps para velocidades más bajas. Por ejemplo, datos a una velocidad de 5 Mbps pueden ser conectados a un canal de TV de 6-MEz. Para el rango de velocidad arriba de 20 Mbps, se puede optar por dos opciones; ambas requieren que todo el ancho de banda del cable de 75 ohms sea dedicado a la transferencia de estos datos; la modulación FDM no es empleada. Una opción es utilizar señalización digital en el cable, como es hecho para el cable de 50 ohms.

Conectividad: El cable coaxial es aplicable para configuraciones punto a

30


punto y multipunto. El cable de 50 ohms en banda base puede soportar del orden de 100 dispositivos por segmento; se pueden construir grandes sistemas enlazando segmentos con repetidores. El uso de cable de 75 ohms a altas velocidades (50 Mbps) introduce algunos problemas técnicos que limitan el número de dispositivos a 20 Ó 30.

Rango Qeográfico: Las distancias máximas en un cable típico de banda base está

limitado a unos cuantos kilómetros. Las redes en banda amplia pueden abarcar hasta decenas de kilómetros. Las transmisiones a alta velocidad (50 Mbps), digital o analógica , están limitadas aproximadamente a 1 km. Debido a las altas velocidades de transmisión, la distancia física entre señales en el bus es muy pequeña. Entonces una pequeña atenuación o ruido puede ser tolerada antes de que los datos se pierdan.

Inmunidad al Ruido: La inmunidad al ruido para cable coaxial depende de la

aplicación e implementación. En general es superior a la inmunidad del par trenzado para altas frecuencias.

costo: El costo de la instalación del cable coaxial se ubica entre el

costo del par trenzado y el de la fibra óptica.

FIBRA ÓPTICA: Se considera uno de los más grandes desarrollos en el campo de

los medios de transmisión en el área de redes locales.

Descripción Física: Un fibra óptica es un medio delgado (2 a 125 pm) y flexible

capaz de conducir un rayo óptico. Varios cristales y plásticos

31

C A P . 11 REDXS DE DATOS

pueden ser utilizados para fabricar fibras ópticas. Las pérdidas en la transmisión más bajas son obtenidas utilizando fibras de silicio fundido ultrapuro.

Un cable de fibra óptica tiene una forma cilíndrica y consiste de secciones concéntricas: el núcleo, el revestimiento y la sobrecubierta. El núcleo es la sección más interna y consiste de una o más tiras muy delgadas o fibras, hechas de vidrio o plástico. Cada fibra esta rodeada por su propia vestidura, una capa de vidrio o plástico que tiene diferentes propiedades Ópticas de las del núcleo. La capa más externa que cubre a una o varias fibras es la sobrecubierta. La sobrecubierta esta compuesta de plástico y otros materiales en varias capas para protegerlo contra abrasivos, humedad, esfuerzos y otros riesgos ambientales.

Características de la Transmisi6n: La fibra óptica conduce un haz de luz de sefial codificada por

medio de reflexión interna total. La reflexión interna total puede ocurrir en cualquier medio transparente que tiene un índice de refracción más grande, que el medio que lo rodea. En efecto, la fibra Óptica actúa como una guía de onda para frecuencias en el rango de 1014 a 1015 Hz, el cual cubre el espectro visible y parte del espectro infrarojo. La luz de una fuente se introduce al núcleo cilíndrico de vidrio o de plástico. Los rayos en ángulos rectos son reflectados y propagados a través de la fibra, otros rayos son absorbidos por elmaterial envolvente. Esta forma de propagación es llamada multimodo, refiriéndose a la variedad de áegulos que son reflejados. Cuando el radio del núcleo de la fibra es reducido, solo unos cuantos ángulos serán reflejadgs. Reduciendo el radio de el núcleo de acuerdo a una longitud de onda, solo un ángulo o modo puede pasar: el rayo axial. Bsto proporciona un rendimiento superior a la fibra multimodo por las siguientes razones: Con una

32


transmisión multimodo, existen múltiples vías de propagación, cada

TABLA 2.3 COMPARACIOW DE LOS TRES TIP08

DE FIBRAü O P T I W ~~

MULTIMODO DE INDICE 1 ESCAL~NADO

(de hasta 2OOMHzjkm)

Empalmes Dificil

Aplicación Enlaces de típica datos de -I---- computadoras

costo \ Menos costoso

Diámetro del 50-400 pm núcleo

Diámetro re- 125-500 pm vestimiento

INDICE MONOMODO GRADUAL

LED o láser láser

(200MHz- amplia (3GHz- 3GHz/km) 50 GAz/km)

Difícil Dificil

Lineas telefónicas de longitud moderada

Mas costoso

Líneas largas

Telecomunica- ciones

30-100 pm 3-10 pm

100-150 pm 50-125 pm

vía con una diferente longitud y por lo tanto diferente tiempo para atravesar la fibra; ésto ocasiona que los elementos de la señal tiendan a excederse en el tiempo y limitar la velocidad a la cuál los datos pueden ser recibidos correctamente. Hay una sola vía de

transmisión con la transmisión monomodo, de tal manera que la

33

CAP. I1 REDES DE DAMS

distorsión no puede ocurrir.

Finalmente, variando el índice de refracción del núcleo, un tercer tipo de transmisión, conocido como transmisión multimodo de índice graduado es posible. Este tipo está intermedio entre los otros dos en características. El ángulo de refracción variable tiene el efecto de enfocar los rayos más eficientemente que la multimodo ordinario. En la tabla 2.3 se comparan los tres de medios de transmisión [Ref. 31.

Conectividad: El uso más común de las fibras ópticas es el enlace punto a

punto. LOS sistemas experimentales multipunto que utilizan una topología de bus han sido construídos, pero son bastante caros para ser prácticos hoy en día. Sin embargo las topologías en estrella son una buena opción para enlaces multipunto.

Rango Qeográfico: La tecnología actual soporta transmisiones sobre distancias de

6 a 8 km sin repetidores. De este modo, las fibras ópticas están disponibles para enlazar redes locales en varios edificios por medio de enlaces punto a punto.

Inmunidad al Ruido: La fibra Óptica no es afectada por ruido o interferencia

electromagnética. Esta caracterfstica permite altas velocidades de transmisión a largas distancias y proporciona excelente seguridad.

costo: Los sistemas de fibra óptica son más caros que los de par

trenzado y cable coaxial en términos de costo por metro y además requieren de otros componentes para su funcionamiento

34


(trancceptores, receptores, conectores). Sin embargo su costo de mantenimiento, su vida útil, calidad y la capacidad de transmisión, la hacen un medio de transmisión muy atractivo.

PROTOCOLOS DE CONTROL DE ACCESO AL MEDIO: Todas las redes locales consisten de una colección de

dispositivos que deberán de compartir la capacidad de transmisión de la red. Algún mecanismo de control de acceso al medio de transmisión es necesario de modo que, cuando asf lo requieran, dos dispositivos diferentes pueden intercamhiar datos.

El IEEE en su proyecto 802 [Ref.4], establece estándares para protocolos e interfases para redes de área local y su

correspondencia con el Modelo de Referencia OS1 se da en sus 2 capas inferiores (enlace de datos y fisica). Para ésto el Comité IEEE 802 dividió la capa de enlace de datos (CAPA 2) en 2 subcapas (figura 2.8)[Ref.l]:

%

a) Contml Iágico de Enlace (m): Se encarga de la conexión

b) Control de Acceso al Medio (mc): Esta subcapa proporciona el acceso a los puertos fisicos de la red y se encarga de empaquetar y desempaquetar la información, además de la detección de errores.

lógica entre los nodos de la red.

A la subcapa de Control Lógico de Enlace (LLC) le correspondió el estándar IEEE 802.2 y a la subcapa de Control de Acceso al Medio le corresponden los estandares (fig. 2.9):

1) IEEE 802.3 CSMAlCO (Acceso Múltiple por sensado de la

2) IEEE 802.4 TOKEN PASSING BUS (Paso de testigo en Portadora con detección de colisiones).

35

APUCACION

PRESEMACION

SESION

TRANSPORTE

CONTROL DE ENLACE LOOÑO _- - L L C

MAC

DE ACCESO AL YEDD

-. ___ .- --_ mlCA

ENLACE DE DATO

I Pipora 2 . 8 Divisibn de la Cape de enlace da datos.

ducto) 3) IEEE 802.5 TOKEN PASSING RING (Paso de Testigo en

Anillo) 4) IEEE 802.6 MAN (Redes de Area Metropolitana) 5) IEEE 802.7 BROADBAND (Redes de Banda Amplia) 6) IBEE 802.8 FIBER OPTIC (Redes de Fibra óptica) 7) IEEE 802.9 INTEGRATE DATA and VOICE NETWORKS

A continuación se describen brevemente los 3 procedimientos normalizados por IEEE aplicados a redes de área local (LAN) [Ref. 11.

36

M O D E L O OS1

M A C C S M A I C D TOKENBY8

I E E E I E E E

FlSlCA I 0 P . S 8 2 4

ENLACE DE

D A T O S TOKEN R l N Q MAN B R O A D

I E E E I E E E BAND

802.5 102 .1 802.7

Fig. 1 .9 Relaci6n de los astandares IEEE con el W e l o de Referencia 081.

ESTAüüAü IEEE 802.2. La subcapa de Control Lógico de Enlace (LLC) proporciona 2

tipos de servicios:

-Sin conexión (clase I) : En el cual un usuario puede trasmitir y recibir información sin tener que establecer un enlace 16gico entre la fuente y el destino antes de transmitir y recibir información, es decir, las estaciones intercambian bloques de información sin acuse de recibo.

31

.

CAP. TI REDES DE DATOS

-Orientado a conexión (clase 11): En el cual un usuario tiene que establecer un enlace lógico entre la fuente y el destino antes de transmitir y recibir información.

La subcapa de Control de Acceso al Medio (MAC) se comunica con la subcapa LLC por medio de las siguientes primitivas:

-request: La cual indica una solicitud de alguna capa para transmitir datos. -indication: La cual indica si los datos fueron entregados destino o -confirm: La cual indica a las capas adyacentes el resultado de una o más peticiones previae.

Se puede notar que las subcapas de Control Lógico de Enlace (LLC) y de Control de Acceso al Medio (MAC) corresponden a la capa de Enlace de Datos del Modelo de Referencia OSI.

al si existió algún error.

ESl'AüüAR IEEE 802.3 (cewA/CD). Este estándar define la subcapa MAC para el protocolo de tipo

distribuido CCMA/CD (Sendado de la Portadora de Múltiple Acceso con Detección de Colisiones), el cual es un protocolo de contienda [Ref.lo]. Este protocolo comprende 3 funciones importantes:

1) Acceso Múltiple: Tan pronto como el medio se encuentra disponible, cualquier nodo puede empezar a transmitir.

2) Sensado de Portadora: Antes de que un nodo comience a transmitir, este escucha (sensa) para asegurarse que el medio de transmisión no esta ocupado. Un tren de pulsos o portadora es transmitido en sistemas de banda base para indicar que el medio está ocupado.

38


3) Detección de Colisiones: Ocasionalmente, más de un dispositivo puede intentar transmitir al mismo tiempo. Cuando esto ocurre, se origina una colisión. El dispositivo que se encuentra transmitiendo, monitorea a su vez el canal y si detecta una colisión, inmediatamente termina la transmisión y envía enseguida una señal (jam), tal que todos los nodos conectados al canal, detectarán la colisión. Todas las estaciones esperarán entonces una tiempo aleatorio antes de intentar retransmitir.

ESTñNDAü IEEB 802.4 (TOKEN PASSING BUS).

Este estándar utiliza un trama de control conocido como ficha (token) el cual regula el derecho de acceso al medio.

Su algoritmo pasa la ficha de una estación a otra, de manera

secuencial, con la última estación seguida de la primera.

Cada estación conoce la identificación de la estación anterior y de la siguiente a ella. El ordenamiento ffsico de las estaciones conectadas al medio de transmisión es irrelevante e independiente del ordenamiento lógico. La ficha en ducto se comporta lógicamente como una red en anillo.

La ficha contiene la dirección de la estación destino. A la estación que recibe la ficha, le es cedido el control del medio por un determinado tiempo en el cual puede transmitir uno o más paquetes (tramas).

Después de que una estación completa su transmisión, cuando ya no tiene tramas que enviar o cuando su tiempo de transmisión termina, envía con la ficha una trama de control de acceso al medio (MAC) a la siguiente estación de la secuencia lógica. La estación

39

CAP. I1 =DES DE D A M S

que recibe la ficha tendrá ahora el permiso para transmitir.

ESTAUDAR IEEE 802.5 (TOKEU PASSIW RIUG). Al igual que el protocolo "token passing bus", éste está

basado en una ficha (token) y está formado por un conjunto de estaciones conectadas físicamente en forma de anillo, en el cuál circula la ficha.

Cuando una estación desea transmitir, debe esperar hasta detectar la presencia o el paso del token por ésta y entonces toma la ficha, le cambia un bit, con lo cual ésta se convierte de una ficha a una secuencia de inicio del paquete. La estación agrega los campos necesarios para formar el paquete y luego lo transmite.

A partir de este momento ya no existe ficha en el anillo, por lo que si alguna otra estación desea transmitir debe esperar. E1 paquete después de haber llegado a la estación destino seguirá circulando por el anillo y será liberado por la estación transmisora.

La estación transmisora inserta una nueva ficha en el anillo, cuando las condiciones siguientes son cumplidas:

- La estación ha terminado la transmisión de su paquete' - El paquete transmitido ha regresado a la estacibn.

En cualquier caso el uso de la ficha garantiza que solamente una estación puede transmitir a la vez.

40

CAP. IT REDES DE DATOS

2.4 RED ETHERNET COAXIAL: La red ETHERNET es una red local de datos que soporta la

conmutación de paquetes a alta velocidad de transmisión y utiliza un canal de comunicaciones compartido por todas las estaciones de la red, con control distribuido 'conocido como Acceso Múltiple por Censado de la Portadora y con Detección de Colisiones o CSk/CD. Con ésto, no existe un controlador central que esté administrando el acceso al canal, ni tampoco existe preasignación de ranuras de tiempo o bandas de frecuencia.

La red Ethernet normalmente es implementada sobre cable coaxial, en topologla ducto (bus), y con una velocidad de transmisión de 10 Mbps y se usa principalmente en ambientes de cómputo localmente distribuidos. Los componentes básicos de la red Ethernet son:

1) ESTACION: Generalmente es una terminal conectada a la red.

2) CONTROLRDOR DE LR RED: Se encarga de realizar un conjunto de funciones para administrar el acceso al canal (en transmisión y recepción), as1 como la codificación de la información y la detección de colisiones.

3) SISTEHR DE TRRIISMISION: Incluye todos los componentes usados para establecer una trayectoria de comunicación física entre los controladores de la red. Generalmente incluye:

* Medio de transmisión * Terminadores y conectores

4 ) CABLE TRANSCEPTOR: ES la interfase que interconecta el

4 1


Fig. 1.10 siet- Ethernet.

controlador de la red con el transceptor y consta de cuatro pares de hilos:

- Transmisión - Recepción - Detección de Colisiones - Alimentación

5) TñAüSCEPTOR: Es el encargado de conectar la terminal con el medio de transmisión y contiene lo necesario para transmitir y recibir señales y detectar la presencia de colisiones. Un esquema completo se muestra en la figura 2.10.

42


L o s parámetros que definen la Red Ethernet son [Ref.4]:

1) El Medio Físico : Cable coaxial. 2) Velocidad de transmisión: 10 Mbps. 3) Topología: Ducto (bus). 4) Técnica de acceso: CCMAfCD.

L o s tres primeros parámetros tienen correspondencia con la Capa Física (capa 1) y el cuarto corresponde a la subcapa de Control de Acceso al Medio (capa 2) del Modelo de Referencia OCI.

Una configuración tlpica a gran escala se presenta en la figura 2.11, donde se muestran las distancias máximas que existen en un enlace punto a punto.

Las características más importantes de la red Etnernet se indican en la tabla 2.4 [Ref.2, Ref.51.

43

CAP. I1 REDES DE DATOS &-

44

C A P . 11 REDES DE DATOS

Transceptor

TABLA 2.4 CARACTERICTICAS DE LA RED ETUERNET.

externo (L= 50m)

II Estándar 1 10 BASES It I1 Velocidad I 10 Mbps II

11 Long. del segmento I 500 mts. II II 11 Expansión de la red I 2.5 Km.

Nodos por segmento

No. de nodos por red

Dist. entre nodos (max)

Capacitanciajnodo

Tipo de cable

100 II 1024

2.5 mts

4 P f ( d ) ~

coaxial (d=0.4") rSgido, 50 ohms

CAP. IT REDES DE D A W

al sistema y elimina la componente de corriente directa (C.D.). El ancho de banda de la seiial Manchester es el doble del ancho de banda de la seiial original (NRZ). Esto se ve claramente en la figura 2.12.

I"

I"

0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1

Fig. 2.12 Codifiuieibn de - lienal rn on código *ancheater

46

TOPOLWIA DE LA RED Y TECNICñ DE ACCESO: La especificación Ethernet utiliza una configuración tipo

ducto, la cual presenta las siguientes características:

(1) La transmisión es bidireccional. (2) Facilidad para adicionar nuevos nodos. (3) Un solo canal, por el cual se comunican tanto el

servidor como las estaciones de trabajo. (4) Solo una señal se encuentra activa en el canal. (5) Instalación relativamente simple. (6 ) Económica.

El Método de Acceso al canal recomendado por la especificación Ethernet y por el estándar IEEE 802.3 es la Técnica de Acceso Múltiple por Sensado de la Portadora y con Detección de Colisiones (CCMA/CD). En éste método, las estaciones que desean transmitir se dice que están '"contendiendo" por ganar el uso del canal hasta que alguna (solo una) lo adquiere; una vez que ésto sucede, la estación puede utilizar el canal para transmitir sus paquetes. Este método se implementa típicamente en redes tipo ducto. Todos los nodos conectados a la red están escuchando el canal (sensado de la portadora), así como la transmisión que ha sido efectuada (detección de colisiones). El sensado de la portadora consiste en verificar que existan transiciones de la señal (en código Manchester) en el canal y la detección de colisiones consiste en el monitoreo del nivel de corriente directa de la señal Manchester (para redes en base a cable coaxial). La ausencia de transiciones indica que el canal esta disponible. Cuando dos o más estaciones transmiten al mismo tiempo, entonces se origina una colisión y los dispositivos involucrados en el momento detectan la señal de colisión y abandonan la transmisión. Bajo esta condición, las

41

CAP. XI REDES DE DATOS

estaciones esperan un tiempo aleatorio antes de volver a sensar el canal e iniciar la retransmisión. Ethernet utiliza una técnica de retardos aleatorios denominada Algoritmo de Contención Binario Exponencial Truncado (Ref.21.

48

CAP. I11 RED ETHERNET BASADA EN FIERI\ OPTICA

C A P I T U L O 1 1 1

RED ETHERNET BASADA EN FIB= OPTICA

3.1 INTXODUCCION. En paralelo con el rápido crecimiento comercial de las redes

de área local (LAN) tipo Ethernet, ha surgido un marcado interés en utilizar la fibra óptica como medio de transmisión en lugar del tradicional cable coaxial.

No obstante, la mayoría de las LAN sobre fibra óptica se encuentran aún en desarrollo; a diferencia de las redes basadas en cable coaxial cuya tecnología y comercialización están completamente desarrolladas y comprobadas.

Las principales ventajas que ofrece la fibra óptica con respecto al cable coaxial son las siguientes:

1) Mayor producto ancho de banda distancia. 2) Mayor velocidad de transmisión. 3) Inmunidad total a la interferencia electromagnética. 4) Dimensiones físicas extremadamente pequefias. 5) Baja atenuación (algunos decibeles por Km). 6) Ideal para aplicaciones en ambientes muy ruidosos.

El análisis de una LAN tipo Ethernet sobre fibra óptica comparado con el de una LAN sobre cable coaxial, no estriba en el simple hecho de sustituir un medio de transmisión por otro, sino que representa ciertas implicaciones que obligan a no utilizar los mismos planteamientos utilizados para el diseiio de una LAN sobre cable coaxial; entre otros, el hecho de que la red Ethernet coaxial

49

CBP. TI:: RED ETEERNET BASADA EN FIBRA OPTICA

presenta una configuración en ducto con difusión bidireccional y el tipo de técnica de detección de colisiones que emplea.

Esto no puede realizarse cuando se utiliza fibra óptica, ya que por un lado la transmisión de luz es esencialmente unidireccional; y por otro lado, las características de operación de los dispositivos ópticos, en cuanto a su amplio intervalo dinámico, hacen poco confiable el utilizar como técnica de detección de colisiones el nivel de voltaje promedio de la señal recibida.

Estas limitaciones obligaron al grupo de trabajo 802.3 de la IEEE a encontrar soluciones que permitieran el funcionamiento óptimo de la red, el cual en Noviembre de 1985 estableció los requisitos que debe de satisfacer la LAN tipo Ethernet/IEEE 802.3 sobre fibra óptica, independientemente de la topología empleada:

* Soportar una taza de error de bit (BER) de lo-’. * Distancia máxim entre estaciones de 3 km. * Soportar hasta 1024 estaciones. Detectar el 100% de colisiones bajo las peores condiciones de operación.

50

CAP. I11 RED ETHERNET BASADA EN FIBFS OPTICA

3.2 CONSIDERACIONES DE DISENO.

Los parámetros de diseño que se deben de tomar en cuenta para pasar de una red de área local Tipo Ethernet sobre cable coaxial a una tipo Ethernet sobre fibra óptica son los siguientes:

(1) El medio de transmisión.

(2) La topologfa.

(3) La técnica de detección de colisiones.

51

CAP. 111 RED ETBERNET BASADA EN PIBRA OPTICA

3.3 C ~ O U E N T E S DE I ~ R RED DE AREA UJCAL TIPO ETEEIU~ET BASADA Ea FIB= OPTICA.

Los componentes básicos de una red de área local sobre fibra óptica son:

1) Estación de trabajo o nodo.

2) Tarjeta de Red: La cual contiene los algoritmos necesarios para administrar el acceso al canal, así como la codificación y decodificación de la información, sensado de la portadora y detección de colisiones. Generalmente reside en el interior de la estación. 3) Cable del transceptor: Es el que interconecta la ta+b

de red con el transceptor y consta de 4 pares de hilos: - Transmisión. - Recepción. - Detección de colisiones. - Alimentación.

4) Acoplador direccional: Permite la interconexión de varias entradas y salidas de dispositivos.

5) Iransceptor: Es un dispositivo optoelectrónico, encargado de conectar la estación de trabajo con el medio de transmisión. contiene la electrónica necesaria para convertir la seríales eléctricas a ópticas y viceversa, además de detectar la presencia de colisiones. La figura 3.1 muestra los componentes de una red de área local tipo Ethernet sobre fibra óptica. El cable del transceptor utilizado en la LAN tipo Ethernet

52

CAP. 111 RED ETHERNET BASADA EN FIBRA OPTICA

Fig. 3.1 componentes de urna sobre fibra óptica.

basado en fibra óptica es compatible y trabaja exactamente en la misma forma que el transceptor utilizado en la LAN tipo Ethernet sobre cable coaxial.

La conexión hacia la tarjeta de red es hecha a través del cable del transceptor por medio del conector estándar Ethernet, DB15.

El cable del transceptor utilizado tanto en redes de área local sobre fibra óptica como sobre cable coaxial es el mismo ya que las características mecánicas, eléctricas, niveles de sena1 y

53

CAP. 111 RBD ETEERNET BASLSADA EN FIBRA OPTICA

de alimentación son idénticas para ambas redes.

54

CAP. 1x1 RED ETHERNET BASADA EN FIBRA OPTICR

3 .4 ReQUERIMIENTOS. Particularmente para el caso de redes de área local sobre

fibra óptica, los componentes del sistema óptico más utilizados, tomando en cuenta la velocidad de transmisión (10 Mbps), la longitud del enlace (3Km) y el costo son:

1.- LED (emisor óptico). Su comportamiento es muy apropiado para este tipo de redes.

2.- Fibra 6ptica( medio de transmisión). Para este tipo de aplicación se emplean las fibras multimodo de índice gradudo, de calidad mediana (núcleo de vidrio) y de dimensiones físicas de 62.51125 y de 100/140 pm.

3.- Fotodiodo PIN (receptor 6ptico). Este fotodetector se emplea en LAN sobre fibras ópticas debido a su bajo costo, baja tensión de polarización y sencillez en su circuitería.

4.- Conectores ópticos: L o s más empleados en redes de área local sobre fibra Óptica son el tipo CMA, STC y BICONICO.

5.- Acopladores direccionales. L o s más empleados en LAN sobre fibra Óptica son los acopladores tipo estrella.

55

CAP. I11 RED ETHERNET BASADA EN FIB- OPTICA

3.5 TOPOLOOIAS UTILIZADAS: Si hablamos de redes de area local (LAN) para fibras ópticas,

entonces es nec+sario un acoplador direccional que nos permita la interconexión de varias estaciones IRef.81. un acoplador direccional es la base de muchas redes de datos distribuidas.

Pensemos en un acoplador direccional de 4 puertos, como el que se muestra en la figura 3.2. Las flechas indican el flujo de la luz entre los puertos. El acoplador funciona de la siguiente manera: supongamos que PI es la potencia de entrada en el puerto 1 del acoplador. Bsta potencia será dividida entre los puertos 2 y 3 de acuerdo una razón determinada (splitting ratio). Idealmente no habrá sefial en el puerto 4. Sin considerar pérdidas, se puede asumir que la potencia de salida del puerto 2 ( P I ) será mayor o por lo manos igual a la potencia de salida del puerto 3 (Pg). Considerando lo anterior podemos definir las siguientes pérdidas caracterSsticas en el acoplador (en dB)[Ref. 81:

1.- Pérdida de paso (throuhgput loss).

LT8F.C -10 Log(pJp1)

especifica las pérdidas entre de transmisión entre el puerto de entrada y el pverto favorecido (puerto 2).

56

CAP. I11 RED ETHERNET BASADA EN FIBRA OPTICA

2.- Pérdidas por derivacidn (Tap loss). LTm= -10 Log(P3/P1)

especifica las pérdidas en la transmisión entre el puerto de entrada y el puerto derivado (puerto 3).

3.- Direccionalidad. L,= -10 Log (P4/P1)

representa la8 pérdidas entre el puerto de entrada y el puerto que se desea aislar (puerto 4).

4.- Pérdidas extra. LE= -10 Log (PI+P2/Pl)

es la potencia perdida dentro del acoplador. Los acopladores direccionales son definidos por sus pérdidas de derivación (tap loss), de modo que un acoplador de 10 dB, significa que tiene una pérdida de derivación de 10 dB.

Red Duplex. Es la manera más directa de

realizar un esquema para la transmisión y recepción en ambos sentidos de un enlace punto a punto, utilizando 2 fibras: una

para transmitir y otra para recibir datos. En la figura 3.3 se muestra esta arquitectura fullduplex con una acoplador direccional en cada terminal. Las pérdidas en el acoplador y en los I

pig. 3.3 Sistema de comunicacidn conectores afectarán la señal que Pull-mplex.

CAP. TI1 RED ETHERNET BASADA EN FIBRA OPTICA

reciba la estación.

Red tipo T. La red tipo T interconecta muchas terminales. Cada terminal

contiene un receptor y un emisor. Un bus (fibra Óptica), lleva la información entre cada derivación, y cada derivación esta formado por un acoplador T. En la figura 3.4 un par de acopladores direccionales forman el acoplador T. Si consideramos las pérdidas

totales entre las terminales 1 y N, asumiendo que los acopladores direccionales conectados a el bus de datos tienen una pérdida de paso LTHp y pérdidas por derivación LTm. La señal tendrá que pasar a través de las N-1 terminales, antes de llegar hasta la estación receptora, de modo que las pérdidas en la transmisión están dadas por :

L= (N-l)hap + L,,,- + ZNLc

donde ZNLc representa las pérdidas sufridas en los conectores usados para ensamblar la red.

Red en estrella: En una configuración en

estrella se utiliza un acoDiador - que permite la interconexión de un’ número N de terminales, como se muestra en ia figura, 3.5(a). Este acoplador.tiene ZN puertos

“01 0-

y se puede utilizar como un acoplador direccional de más de 4 puertos. El acoplador de estrella distribuye igual

potencia a cada uno de los receptores que se encuentran conectados a los puertos de salida (figura 3.5(b)). Una estrella ideal divide

Pig . 3.4 Red tipo T intorcoi<eetando lI terminales.

58

CAP. I11 RED ETHERNET BASADA EN FIB- OPTICA

la potencia de entrada sin pérdidas, de modo que la eficiencia en la transmisión para cada puerto esta dado por i/N y la correspondiente pérdida en dB es:

LIN = -10 log(l/N) + LE + 2L,

donde LE son las perdidas en el conector y las pérdidas en el acoplador de estrella.

Red en anillo. Las fibras también pueden

ser conectadas en anillo por medio de una conexión serial de enlaces independientes punto a punto. Cada nodo en la red de anillo contiene un emisor y un receptor. Cada nodo funciona como una regenerador activo, ya que cuando la estación recibe el mensaje lo lee, lo regenera y entonces lo envía a la siguiente estación.

Sistemas üfbridos de Distribución. Un sistema híbrido se forma de la combinación de redes en

estrella y tipo T, proporcionando mayor flexibilidad en el disefio de sistemas multiestaciones basados en fibra óptica.

Las topologías utilizadas en redes de área local sobre fibra óptica son la estrella pasiva y la estrella activa, las cuales están consideradas en el estándar 10BACEF.

-U

59

CONFIGURACION EN ESTRELLA ACTIVA. Esta configuración utiliza un nodo activo como nodo central,

el cual detecta las señales ópticas de entrada, las convierte a señales eléctricas, las regenera y las retransmite ópticamente a todas las estaciones, excepto a la estación que originó los datos, mediante el proceso de difusión. Los parámetros claves de ésta configuración son: . - No existe limite teórico en el número máximo de puertos que

soporta (en la práctica son aprox. 100). - La distancia máxima eutre un transceptor y el nodo central es de 2 iim. - Las colisiones son detectadas eléctricamente por la transmisión y recepción simultánea de datos en el transceptor. - Un nodo en estrella activa puede ser conectado a otro directamente, sin necesidad de un repetidor.

Las caracteristicas especiales de las configuraciones en estrella activa y pasiva permiten que sean utilizadas en aplicaciones donde, la red Ethernet tradicional no puede ser utilizada efectivamente. Este tipo de configuración se recomienda para instrumentarla en campus y en sitios donde se necesita conectar un gran número de nodos. Una topología de este tipo se muestra en la figura 3.6.

CONFIGURACION EN ESTRELLA PASIVA: Esta configuración utiliza una acoplador tipo estrella pasivo,

el cual está hecho de vidrio y no requiere de alimentación para poder operar. La luz de entrada a la fibra es dividida y repartida a todas las fibras de salida, como se muestra en la figura 3.7. Los parámetros claves de esta configuración son:

60

CAP. 111 RED ETHERNET BASADA EN F I B m OPTICA

I EsTAc'oN

TRANSCEPTOR

T CABE DEL TRANSCEPTOR

- El número máximo de puertos que soporta es 33. - La distancia máxima de un transceptor al acoplador tipo estrella es de 500 m. - Las colisiones son detectadas por violación a la regla del código Manchester. - La utilización del preámbulo modificado, asegura el 100% de detección de colisiones. - Esta topología puede ser enlazada por medio de repetidores para incrementar el tamafio de la red.

61

CAP. I11 RED ETEERNET BASADA EN FIBRA OPTICA

Fig . 3.7 astrslia pasiva.

Las ventajas que presenta esta topología son: un bajo costo, no requiere de fuente de alimentación y proporciona una alta confiabilidad.

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CAP. 111 RED ETHERNET BASADA EN FIBRA OPTICR

3.6.- TECIIICAS DE DETECCION DE COLISIONES La detección de colisiones en sistemas de cable coaxial tipo

bus con CSMAfCD, tales como el sistema Ethernet, es manejada de manera directa. Cada transmisor codifica los datos en código Manchester que contiene información en voltaje D.C., si en el canal se sensa un nivel mayor del que una sola estación genera entonces se deduce que otro transmisor esta también accesando el medio. Este esquema trabaja debido a que la atenuación en DC en el cable coaxial es insignificante sobre un segmento menor de 500 m y también que el nivel de salida de cada transmisor esta uniformizado por diseño.

Una dificultad similar se presenta cuando un método analógico es implementado en sistemas de fibra óptica. Puede haber grandes diferencias en la potencia de la señal transmitida vista desde cualquiera de los receptores. Estas diferencias son causadas por variaciones en la atenuación del cable, potencia de salida óptica y topología del sistema. Es posible entonces que una señal fuerte sea vista como una señal débil, de modo que alguna estación receptora no pueda detectar que una colisión esta sucediendo. Este problema de "rango dinámico", se presenta en algunos métodos de detección de colisiones.

Una consecuencia relacionada a la detección de colisiones en sistemas de fibra óptica con CSMA/CD es la elección de la topología de la red. Una estructura lineal tipo bus, puede ser soportada con

deberá ser limitado a aproximadamente 10 en sistemas prácticos. Un bus lineal también necesita un gran rango dinámico en el diseño del receptor, de modo que en sistemas pequeños que contienen nodos las sefiales de una estación cercana pueden potencialmente ser mucho más

63

CAP. I11 RED ETüERNET BkCAüA EN FIBRA OPTICA

fuertes que aquellas de una estación que esta más alejada. En la práctica, la topología en forma de estrella es generalmente preferida con acoplador de estrella pasiva o con un repetidor de estrella activa haciendo la función de el transmisor del bus. En sistemas de fibra óptica, una topología de estrella generalmente permite la interconexión de más terminales, es menos propensa a fallas que impidan el funcionamiento de toda la red y es

relativamente flexible y expandible.

Roy en día,' la clase de redes CSMAJCD más importante es la especificación 802.3 de la IEEE, basada en la LAN Ethernet. Este estándar esta especificado para cable coaxial, pero ha habido algunas discusiones para aplicarlo al medio de transmisión por fibra óptica y los requerimientos para tales sistemas son citados a continuación:

1) Una capacidad del 100% para detectar colisiones. 2 ) Que el sistema soporte un diámetro de 2 . 5 km. 3) Que soporte de hasta 1000 estaciones. 4 ) Una razón de error bit menor de' 5 ) Que la AUI (interfase de unidad auxiliar) que sea

6 ) Que la MAU (unidad de conexión al medio) sea funcional y

. . . . . .

compatible.

compatible. . . .

Del cumplimiento de todos estos elementos depende en gran medida la calidad de la implernentación.

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CAP. IIr RED ETHERNET BASADA EN FIBRA OPTICA

METODO 1: SENSADO DE LA POTENCIA PROMEDIO Este es el método que quizás sea el más directo de

implementar. En este método, una colisión es declarada cuando la potencia Óptica recibida en un transceptor excede la potencia de los datos que el propio transceptor envía. El nivel de la circuitería de detección de colisiones es ajustado a un nivel más alto que el nivel del receptor de datos. Una clave en el diseño es el rango dinámico; por ejemplo, la diferencia de niveles de señal que puede ser detectada. El rango dinámico requerido en la aplicación 802.3 de la IEEE, viene de muchas fuentes, como se lista a continuación:

Variabilidad Salida del LED (pérdida) 3 dB Pérdida en el cable/lonqitud (lkm) 6 dB Pérdida en el acoplador estrella 1 dB Tolerancias , 3 dB

TOTAL 13 dB

Existen algunos métodos para reducir la variabilidad de la serial, tales como sintonizar los transmisores y utilizar conexiones de cable de longitud uniforme.

METODO 2: VIOLACIONES DEL ANCHO DE PULSO Este método toma ventaja del hecho de que en sistemas

Ethernet, los datos son codificados usando el código Manchester, de modo que un bit de información será siempre codificado como "01" ó

"10". Esto da lugar a un límite del ancho de pulso de los datos libres de colisión. En un sistema de 10 Mbits/s, operando a 20

Mbauds, un pulso nominalmente no será mayor de lOOns de duración.

65

C A P . I11 Reü ETHERNET BASADA EN FIB- OPTICA

La circuitería para la detección de colisiones, como se muestra en la figura 3.8, puede ser usada para detectar señales que excedan el ancho de pulso válido debido a la velocidad de transmisión.

AMPLIFICADOR DE t5V f TRANSIMPEDANCIA

CGUPARAWR DE VOLTAJE

BUFFER DETECCON

DE TlEMW ~ ~ ~ ~ $ ' PORVOLACON V -5v

I

RED DE ECUALIZACON

-+ COLISON DETECTADA

+5v & -5v

5. 3.8 Transceptor utilizando deteccih de colisiones por rriolacidn d ancho de pulso.

Al igual que otras técnicas en el dominio de la amplitud, este método está limitado por el problema de que una señal fuerte puede ser detectada como débil, si la estación se encuentra distante. Sin embargo, las violaciones por ancho de pulso pueden ser usadas con los esquemas de detección de colisiones centralizada, detectando una señal de bloqueo en el transceptor. Por ejemplo, cuando una colisión es detectada por algún mecanismo centralizado, una señal

66

CAP. I11 RED ETHERNET BASADA EN FIERI\ OPTTCA

de bloqueo fuerte y oscilante (3 Mhz, por ejemplo) es entonces transmitida a todos los transceptores, donde la violación por ancho de pulso es fácilmente identificada. Una señal de bloqueo puede también ser usada para reforzar las colisiones en los esquemas CD distribuidos, en los cuáles por lo menos una estación informa a las otras estaciones que transmiten en la red que una colisión ha ocurrido.

Un metodo análogo para la detección de violaciones del ancho de pulso es la comparación bit por bit de un paquete que se esta recibiendo, con el paquete que se esta transmitiendo. La implementación de este método resulta en una MAU más compleja, ya que los circuitos de recuperación de los datos y del reloj y los buffers deberán de ser empleados. De hecho, este circuito duplica circuitos similares en la estación conectada.

HETODO 3: VIOWLCION DE CODIBO UTILIZANDO ReSPUESTA PARCIRL Este método utiliza una técnica para permitir la detección de

violaciones de código, basado en 'respuesta parcial" o codificación "duobinaria", la cuál es utilizada en telecomunicaciones para incrementar la razón de bits de un canal más allá del ancho de banda disponible del canal. En general, la señalización en respuesta parcial introduce interferencia intersimbolos de un modo controlado, permitiendo que una serie de datos originales sea recuperada a partir de una sena1 recibida utilizando técnicas de correlación. Para el propósito de la detección de colisiones, los errores causados por interferencia interslmbolos, puede ser usado para indicar que más de una estación esta transmitiendo.

Un sistema basado en estos principios es ilustrado en la figura 3.5. Los datos son codificados en Manchester y transmitidos de la manera acostumbrada. En el receptor, la señal eléctrica es

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CAP. 111 RED ETRERNET BASmA EN FIBRA OPTTCA

‘ 1 O 1 0 1

~

I t

DATOS

MX).?.lANC. / O 1 1 O 1 O

T + O - * - v RESFIJESTA PARCW.

W D A 7 1 1 o

conectada al circuito de respuesta parcial, el cuál produce uno de

los tres valores (-,O,+) basados en el nivel de la señal sobre dos períodos de simbolos. Una señal de salida es entonces derivada de la señal de respuesta parcial a un nivel ligeramente inferior al nivel “O”.

1 1 o

O 1 O 1 O 1 1 O

. + o - 0 1 - +

1 0 1 1 0 1 o 1 1 o

IaMKAD , 2a MITAD (-;+) (-,O. +) ~ !

Debe notarse que el valor de la respuesta parcial para la segunda mitad del bit codificado Manchester, será uno de dos valores (-,+), dado que hay una transición en la mitad de la celda de cada bit. Los datos pueden ser reconstruidos de esa mitad. Por otro lado, el valor de la respuesta parcial para la primera mitad

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CAP. I11 RED ETHERNET B S A D A EN FIBRA OPTICA

de la codificación' Manchester será uno de tres valores (-,O,+), dado que no hay transiciones entre dos celdas de bits adyacentes. Por lo tanto, cuando 2 señales en colisión ocupan el canal, los errores de decisión pueden ocurrir fácilmente en esta primera mitad, debido a que el nivel está bastante cerca al estado "O". Estos errores de decisión pileden ser usados para indicar colisiones, resultando en un mecanismo más sensible de CD que un técnica normal en el dominio del tiempo. El proceso de detección puede ser aumentado agrupando los datos en bloques para incrementar el número de códigos ilegales.

METODO 4: vIomcion DEL TIEMPO DE RETARDO La detección de colisiones basada en las violaciones al tiempo

de retardo, incluyen el problema del rango dinámico de CD, asociado con técnicas en el dominio de la amplitud. Las colisiones son detectadas por transceptores conectados a un acoplador de estrella pasiva, basado en el conocimiento previo por parte del transceptor de cuanto tiempo le toma a la señal Óptica transmitida llegar hasta su destino y regresar a su punto de partida. Si el transceptor detecta datos antes de que los datos enviados hallan retornado, entonces concluirá que los datos son de otro transmisor y una colisión será entonces declarada. Los otros transceptores en la red serán entonces notificados de la colisión por una señal de paro (jam). Esto es necesario porque en ciertos casos un transceptor dado, particularmente si est& colocado cerca de la estrella, ignorará la colisión debido a que su propio paquete de datos regresará en un período de tiempo relativamente corto.

La principal desventaja de éste método es que la probabilidad de detectar colisiones es generalmente menor a 100%. Considere un sistema .con un espaciamiento uniforme entre terminales y la estrella, y definimos los siguientes parámetros:

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CAP. I11 RBD ETBERNET BWADA EN PIBRA OPTiCA

tr.- tu.-

Tiempo de propagación de un bit de dato. Tiempo de resolución en la detección de colisiones en el transceptor. Probabilidad de no detectar una colisión. Pm.-

Suponga que dos estaciones empiezan a transmitir al mismo tiempo. Para estar involucradas en una colisión, las dos estaciones deberen de empezar a transmitir dentro del tiempo t, de la otra. Para que la colisión no sea detectada, deberán de empezar a transmitir dentro del tiempo t, del otro. De este modo la probabilidad de no detectar una colisidn es de:

Donde P, representa colisión. Por ejemplo, si

la probabilidad de no detectar, una tu= loons y t,= 5 us (correspondiente a

1 km de diámetro del sistema), entonces la probabilidad de no detectar una colisión es de 0.02. Si más de dos estaciones están tratando de transmitir, Pm es la probabilidad de que cada combinación de pares posibles falle,para detectar la colisiún:

Varias conclusiones interesantes respecto a la relación anterior. Primero,

se pueden obtener con que la probabilidad de no

detectar una colisión decrece a medida que la actividad en la red aumenta; esto es congruente con la motivación para tener una detección de colisión en la red CSMA/CD en primer lugar. Segundo, un retardo artificial puede ser agregado a cada transmisor para incrementar el retardo de ida y vuelta (conocido como "roundtrip delay", t,) y un mejor rendimiento en CD. Sin embargo, incrementando este tiempo de retardo decrece la eficiencia general

7 0

C A P . 111 RED ETHERNET BASRDA EN FIB= OPTTCA

de la red. Este análisis asume que el roundtrip delay puede ser colocado

en un valor que sea insignificante comparado con la. resolución del sistema.

HGTODO 5: ACOPLAMIEHTO DIRECCIONAL Este método utiliza acopladores especiales o técnicas de

interconexión, las cuáles implementan un sistema de modo que una estación transmitiendo puede escuchar a todas las estaciones pero no a ella misma. La detección de colisiones en estos sistemas es directa. Si una estación sensa datos en su receptor mientras está transmitiendo, significa que alguna otra estación está transmitiendo y entonces una colisión ha ocurrido. Un bus bidireccional de dos fibras es un sistema de acoplamiento direccional. en el cual cada nodo transmite información a la estación vecina hacia la izquierda sobre la fibra inferior y transmite a las estaciones vecinas hacia la derecha a través de la fibra superior (figura 3.10).

Otra posibilidad es un acoplador de estrella direccional, en el cual la potencia óptica en cada puerto de entrada es dividida entre todos y cada uno de los puertos de salida. Este tipo de acoplador es diflcilde construir utilizando cera bic6nica fundida. Sin embargo, una construcción especial es usada conectando juntos pequeiios acopladores. Un acoplador en estrella de M por M está hecho conectando acopladores de Z*M(M-l), cuyas funciones son como divisores o combinadores ópticos. Los divisores y combinadores son colocados de manera que cada puerto de entrada de cada divisor es conectado a cada uno de los puertos de salida del combinador.

Una desventaja del acoplador de estrella direccional es que presenta pérdidas por inserción. Considerando un caso ideal, asumiendo rangos uniformes de división y sin pérdidas en la

71

. * CAP. I11 RED ETHERNET BASADA EN FIBRA OPTICA

Bus SUPERIOR DE FIBRA

R T

T R N N-lT R T R

T R T R 2 R T

ai M E s T A M o N d 1

b

Bus INFERIOR DE FIBRA

eig. 3.10 lied de bus de dirsscionee.

conexión, las inserción de pérdidas esta dada por:

I.(&) = 101og-2 1 u-1

WTOW 6 : ESl'RELwL BIERIDA El método de estrella híbrida esta basado en un acoplador de

estrella pasiva, pero las entradas a la estrella son derivadas y dirigidas a la circuitería electrónica para la detección centralizada de colisiones. A h í se detecta cuando 2 6 más estaciones están transmitiendo y a su vez, transmite una señal óptica de paro de regreso a la estrella, donde es transmitida a todas las estaciones.

1 2

C A P . I11 RED ETBERNET BASADA EN FIBRA OPTICA

I

I

\ A O DESDE

LOS RANSCEPTORES I ACOPLADOR DE ESTRELLA

m > J \ I / r? rT ~

/ I T b NOUSAOG /

DERIVACION/ PASIVA

RECEPTOR / OPTIC0

TRANSMISOR OPTIC0

Un diagrama a bloques de un sistema de una estrella hSbrida esmostrado en la figura 3.11. Una estrella pasiva de tres puertos es utilizada en vez de un acoplador de estrella pasiva tradicional de dos puertos. Funcionalmente, el 10% de la potencia óptica en cada entrada es derivada y puesta disponible al correspondiente puerto de monitoreo. Cada monitor es conectado a un receptor óptico en la electrónica de detección de colisiones colocada con el acoplador de estrella. La lógica en la electrónica detecta cuando más de una estación esta transmitiendo, y habilita una señal de paro oscilante para que sea ópticamente conectada a la entrada de la estrella sin conectar, donde es transmitida a todos y cada uno de los transceptores en la red. En cada transceptor, la señal de

73

ULP. 111 RED ETAERNET BASADA EN PISRA OPTICA

paro es detectada mediante el método de violación del ancho de pulso. Un beneficio primario de la técnica de la estrella híbrida es la eliminación del problema de rango dinámico de CD asociado con métodos en el dominio de la amplitud. Esto es debido a que cada señal que accesa accesa el canal es detectada individualmente antes de que entre al acoplador de estrella y la determinación de una condición de colisión está basada en el número de señales presentes, y no en sus respectivas amplitudes. Por eso,

la implementación de los receptores en la electrónica es más sencillo comparada con la de los nodos de los transceptores y la distorsión de los datos no es de importancia. También, la sensibilidad requerida en la electrónica de CD es usualmente menor que la del nodo del transceptor, de modo que la seiial es derivada antes de ser dividida. Además, el rango dinámico puede ser fácilmente diseñado para acomodar el rango total de la distancia nodo-estrella del transceptor.

CO%PAR&CION DE LOS UETOWS DE DETECCION DE COLISIOUES En la tabla 3.2 se presenta un resumen de los métodos de

detección de colisiones; en la que se señalan: aproximación CD, el rango dinámico de CD y los componentes o circuitos especiales. Un

sistema basado en alguno de estos métodos puede ser adaptado de acuerdo a los requerimientos para una aplicación dada. Una de las áreas de comparación es el número de terminales que una red puede soportar. Una red en estrella pasiva cubriendo 500111 soprta de 30 a 80 nodos, dependiendo de la sensibilidad del receptor. Una red con acoplador de estrella direccional, soportará considerablemente menos nodos. Por otra parte, un repetidor de estrella pasiva esta limitado solo por el número de tarjetas que pueden ser convenientemente montadas en el sistema. En todos los casos, los

repetidores y10 multiplexores Ethernet pueden ser usados para incrementar la expansión del sistema o el número de estaciones.

C A P . I11 RED ETRERNET BASADA EN FIB- OPTICA

Es importante entender, sin embargo, la aplicación en la cuál es usada la fibra. Muchas veces una red CSMA/CD de fibra es usada como un circuito secundario para conectar sistemas Ethernet de cable coaxial, como se muestra en la figura 3.12. Estos circuitos secundarios son instalados entre edificios o entre pisos de un edificio para evitar problemas de tierra, de interferencia5 magnéticas, de radio frecuencia o para proteger contra relámpagos.

SEGMENTO 3 CIRCUITO SECUNDA RIO DE FIBRA n

SEGMENTO 2 I

REPETIDOR

Pig. 3.7 Fibra óptica como circuito secundario.

Otra área de comparación es el rango dinámico de la detección de colisiones. Claramente, los métodos en el dominio de la amplitud están en desventaja y los métodos en el dominio del tiempo, que resuelven el problema del rango dinámico, requieren una gran precisión para lograr una detección de colisiones del 100%.

7 5

CAP. IT1 RED ETHERNET BASADA EN FIBRA OPTICA

El área final de comparación es la rentabilidad. Los métodos en el dominio de la amplitud y de acoplamiento direccional tienen la ventaja aquí, debido a que ellos utilizan interconexión pasiva y métodos de detección de colisiones completamente distribuidos.

T A B U 3.2 COMPRRRCION DE LOS METODOS DE DETECCIOU DE COLISIOtiES.

METODO

sensado de la potencia promedio

violación del ancho de pulso.

violación código de respuesta parcial.

Violación tiempo de retardo.

Estrella direccional . Estrella hlbrida.

:NTERCONEXION

pasiva

pasiva

pasiva

pasiva

pasiva

?asiva con ietección de 'olisiones :entralizado.

IXACTI- :UD CD

100%

100%

100%

<=loo%

100%

100%

M G O CD XNAMICO

5 dB

4 dB

10 dB

10-ZOdB

10-20dB

20 dB

COMPONENTES ESPECIALES

fuente sintonizable para mejor rango.

detector de ancho de pulso

decodificador respuesta parcial

temporizador en el transceptor

acoplador de estrella direccional.

monitor de acoplador de estrella, electrónica. de Dc.

La detección de colisiones en el dominio del tiempo no está completamente distribuida, ya que en algunos casos solo ciertos nodos detectan las violaciones del tiempo de retardo y ellos

7 6

C A P . 111 RED ETHERNET BASADA EN FIBRA OPTICA

deberán de notificarlo a los otros nodos por medio de una serial de paro. La estrella híbrida utiliza interconexión pasiva para detección centralizada de colisiones. En la tabla 3.2 se realiza una comparación entre los métodos de Detección de Colisiones.

De acuerdo al análisis anterior podemos concluir lo siguiente: En cuanto a la topología se opt6 por la de estrella pasiva debido a una gran ventaja que presenta por sobre la de estrella activa, que es la de requerir una fabricación muy sencilla y además no necesita de alimentación, ya que funciona en base a reflejar la luz que recibe; mientras que la de estrella activa, entre otras cosas, la regenera antes de enviarla y esto requiere de más circuitería.

En lo que se refiere al tipo de método de detección de colisiones se opt6 por el método de la Violación al código Manchester y básicamente el circuito se elaboró considerando que una señal codificada en Manchester nunca presentará 3 unos consecutivos, y que si eso ocurriera entonces se determina que hay más de 2 señales presentes en el canal, y por lo tanto está ocurriendo una colisión.

CAP. IV SISTBW DE COIIUNICACION POR FIBRA OPTICA

C A P I T U L O IW

S I B T E N A S D E C O R U ~ I C A C I O ~ P O R F I B R A O P T I C A

4.1 IWTRODUCCIOü. '

818TEML8 DE FIBPA OPTICA. Este sistema está compuesto de un número, de componentes

discretos que son conectados juntos de modo que permitan la realización de la tarea deseada, que es la de transferir información en forma de luz a través de una fibra óptica. De éste modo para lograr confiabilidad y seguridad en el sistema usando .fibra óptica es esencial 'que todos los componentes que lo forman sean compatibles, de modo que sus funcionamientos individuales permitan un buen rendimiento de todo el sistema.

Los principales componentes de un sistema de comunicación por fibra óptica se muestran en la Fig. 4.1 [Ref.3].. La parte transmisora consiste de un codificador de información precediendo a un circuito manejador el cual opera a la fuente óptica. La luz emitida por la fuente es entonces acoplada a la fibra óptica la cuál constituye el medio de transmisión. La 1uz.que sale por el otro extremo de la fibra óptica es nuevamente convertida en señal eléctrica, por medio de un detector óptico colocado en la entrada del equipo receptor. Esta sena1 eléctrica es' entonces amplificada y después decodificada para poder obtener la información transmitida originalmente. Para el nodo que se pretende desarro'llar se va a considerar que la parte de codificación y decodificación Manchester .lo desarrolla la tarjeta de red, entregando y recibiendo del transceptor señales eléctricas. Dado que lo que se pretende es lograr que la red, diseñada originalmente para cable coaxial,

78

CAP. I V SISTEMAS DE COMUNiCllCION POR FIBRA OPTICA

1 INH>RWION DE ENTRADA

I

NEKlE I OPTIC* I j RSWIOPTlCA

INFORMACION DE SAUDA

T- OECODIF.

.

AMPUF.

...

Pig. 4.1 C<ippanentes de mm d s t - da c-nisación por fibra óptica.

funcione en base a la fibra óptica como su medio de transmisión, entonces se debe de disefiar, además de los elementos ya sefialados, un circuito que le indique a la red cuando se ocurrió una colisión. Bn el caso de la red coaxial, la tarjeta de red realiza también ésta función sensando el nivel de corriente directa presente en el bus pero en redes basadas en fibra óptica no es posible. Como se verá más adelante, el transceptor estará formado por el circuito de detección de colisiones el emisor y el receptor óptico . PUENTES OPTICAS.

La fuente óptica es considerada como el componente activo en

un sistema de comunicación por fibra óptica. Su funcián fundamental

79

U P . IV SISTEFAS DE COMVNICACION POR FIBRA OPTICA -- es la de convertir energía eléctrica (corriente electrica) a energía óptica (luz) de una manera eficiente, de modo que la luz de salida sea acoplada efectivamente a la fibra óptica. Los requerimientos con los que debe cumplir la luz proporcionada por un emisor óptico son:

1) El tipo y configuración debe ser compatible con el tipo de fibra óptica. Idealmente la luz debe ser altamente direccional. 2) Ser lo más lineal posible. 3) Estar en un ancho de banda donde la fibra tiene menos pérdidas y baja distorsión, y donde los detectores son eficientes. 4) Presentar la máxima potencia acoplada para contrarrestar la atenuación en la fibra óptica y las perdidas en los conectores. 5) Tener un ancho de banda espectral angosto, para minimizar la dispersión en la fibra. 6) Mantener una salida óptica estable, que no sea afectada por cambios en condiciones ambientales. 7) Es esencial que la fuente sea comparativamente barata y altamente rentable para que pueda competir con las técnicas convencionales de transmisión.

El papel del LED como una fuente para comunicaciones por fibra óptica fue ganando terreno con el desarrollo de la fibra multimodo de índice gradual. La reducción sustancial en la dispersión intramcdal proporcionada por este tipo de fibra, con respecto a la que presenta la fibra multimcdo de índice escalonado, permite que el LED de luz incoherente en la banda de 0.8-0.9 pn de longitud de onda, sea utilizados en aplicaciones de grandes anchos de banda.

Además los LED-s ofrecen las ventajas de ser de construcción

80

. -. . . . . . .

CAP. I V SISTEWS DE COHUNICACION POR FIBRA OPTICA

relativamente simple, con las consecuencias de menor costo y más larga vida útil.

El diodo emisor de luz es el encargado de convertir la señal eléctrica en señal óptica, a través de un fenómeno físico que se lleva a cabo en el material semiconductor.

La banda de conducción normalmente vacía del semiconductor es cargada con electrones inyectados por la corriente que fluye a través de la unión y la luz es generada cuando estos electrones se recombinan con huecos en la banda de Valencia para emitir un fotón. Este es el mecanismo por el cual la luz es emitida desde un LED.

La longitud de onda en la que opera el LED está determinado para los dispositivos de AlGaAs, InGaAs y InGaAsP, variando las porciones de los átomos que io5 forman; al variar éstos, camhia la banda de energía y con esto cambia la longitud de onda de la sena1 emitida [Ref.s].

Las ventajas que un LED presenta y que lo colocan en un lugar prominente en las comunicaciones por fibra Óptica son las siguientes:

(a) Fabricación simple (b) Bajo costo. (c) Rentabilidad. (d) Menor dependencia de la temperatura. (e) La circuitería para manejarlo es simple. (f) Linealidad.

Estas ventajas junto con el desarrollo de dispositivos con ancho de banda medio de alta radiancia, han hecho del LED una fuente óptica ampliamente usada para aplicaciones en

81

.

CAP. IV SISTEUAS DE COHUNICACION mn FIBRA OPTICA

comunicaciones. Los dispositivos fabricados usando el GaAs/AlGaAs son

recomendables para trabajar en la región de una longitud de onda más corta (0.8-0.9 pm).

La característica ideal para la relación entre la potencia de la luz de salida contra la corriente para un LED, se muestra en la Fig. 4.2.

Intrínsecamente el LED es un dispositivo muy lineal en comparación con la mayoría de los láser de inyección y por lo tanto tiende a estar más disponible para transmisión analógica donde varias limitaciones están puestas en la linealidad de la fuente Óptica.

I"Z de sal,& [potencial A

I

Sin embargo, en la práctica los I rig. 4.2 Carasteriitics ideal pare un

LED's muestran no linealidades LQ).

significativas, las cuales dependen de la configuración utilizada.

Por esto, es necesario frecuentemente usar algún circuito de linealización, de modo que se asegure el rendimiento lineal del dispositivo para permi'tir su uso en sistemas de transmisidn analógicos de alta calidad.

En la tabla 4.1 se comparan las características del LED y el diodo Láser.

82

CAP. I V SISTEMAS DE COMMICACION POR FIBRA OPTICA

TABU 4.1 COMPARACION ENTRE EL DIODO PIN EL M E R

Propiedad

Ancho espectral (nm) Tiempo de subida (t,) Ancho de banda (MHz) Eficiencia de acoplamiento Fibra compatible

Sensibilidad a temperatura Complejidad del circuito Vida útil (hrs) costo Uso primario

LED

20-100 2-250 - 3 0 0

Muy bajo Multimodo

baja simple

bajo Enlaces y velocidades moderadas.

105

Láser

1-5 0.1-1 2000

Moderado multimodo y monomodo

alto complejo

alto 2nlaces largos

velocidades

104-105

y altas

DEZECTOR OPTICO. El detector es un componente esencial de un sistema de

comunicación por fibra Óptica y es uno de los elementos cruciales del cual depende el rendimiento del sistema total. Su función es convertir la señal óptica en una señal eléctrica, la cuál es después amplificada antes de ser procesada. Además, cuando consideramos la atenuación de la señal a lo largo del enlace, el rendimiento del sistema está determinado en el detector. Un detector de buenas características y rendimiento, permite que se utilicen pocos repetidores y el costo del capital invertido y de mantenimiento se reducen.

I

El papel que el detector desempeíia, demanda que debe de

83

CAP. IV SISTEMAS DE COUUNICACION POR FIBRA OPTI-

satisfacer muy estrictos requerimientos de rendimiento y compatibilidad . Los siguientes criterios definen la importancia de éstos requerimientos para los detectores, los cuáles son generalmente similares a los requerimientos para fuentes [Ref.3]:

1) Alta sensitividad en las longitudes de onda que operan. 2) Alta fidelidad. La respuesta del fotodetector debe de ser iiheai respecto a la señal óptica en un amplio rango. 3) Gran respuesta eléctrica a la señal óptica recibida. La eficiencia cuántica debe de ser alta.

4) Corto tiempo de respuesta para obtener un ancho de banda aceptable. 5) Una cantidad mínima de ruido introducido por el detector. Corrientes de obscuridad, de fuga y capacitancias parásitas bajas.

6) Estabilidad de las características de funcionamiento. 7 ) Ser pequeño, para un acoplamiento eficiente en la fibra. 8) Bajos voltajes de polarización.

9) Alta rentabilidad y bajo costo.

E1 proceso de detección básico en un material absorbente intrínseco se ilustra en la Fig. 4.3 mediante un fotodiodo p-n. 'Bste dispositivo es polarizado inversamente y el campo eléctrico desarrollado a través de la unión p-n lleva portadores móviles (huecos y electrones) a sus respectivos lados mayoritarios (material p. y' n) . Una 'región o capa de agotamiento es creada a cada lado de la unión. Esta barrera tiene el efecto de. parar .los portadores mayoritario? cruzando la unión'en dirección opuesta al campo. Sin embargo, el campo acelera los, portadores minoritarios de ambos lados, formando la corriente inversa de fuga del diodc. Entonces condiciones intrínsecas son creadas en la regi6n de agotamiento.

84

CAP. I V SIFTEMAS DE COMRíICACION POR FIüRR OPTICL

Un fotón incidente en o (b) agotamiento

agotamientode este dispositivo, cerca de la 'región

el cual tiene una energía mayor o ekVbn

Er- o igual a la banda vacía de energía, Eg, del material fabricado, excitará un electrón

desde la banda de Valencia (Ev) en la banda de conducción (Ec). Este proceso deja un hueco vacío

conocido como la fotogeneración de un par hueco-electrón (portador). Los pares portadores generados cerca de la unión' son separados y llevados bajo la influencia del campo eléctrico, para producir una corriente eléctrica desplazándose en el circuito externo en exceso de alguna corriente inversa de fuga.

Pig. 4 . 3 Principios de en la banda de Valencia y es Detsccidn.

La región de agotamiento deberá estar suficientemente densa para permitir que una gran parte de la luz incidente sea absorbida para lograr una generación máximade pares portadores. Sin embargo, debido a que los largos tiempos de desplazamiento de los portadores en la región de agotamiento restringen la velocidad de operación de el fotodiodo, es necesario limitar su ancho. O sea que debe de haber un balance entre el número de fotones absorbidos (sensitividad) y la velocidad de respuesta.

La eficiencia cuántica (n) esta definida como la razón entre el número de electrones generados y el número de fotones incidentes.

La responsitividad de un detector óptico es un parámetro muy útil que proporciona la función de transferencia de éste, es decir,

8 5

, . . . -. . - . .

CAP. IV SISTEMAS DE conuwIuLcIou POR FIBRA OPTICA

nos da el rendimiento del detector. Está definida como la razón entre la fotocorriente de salida en amperes y la potencia óptica incidente en watts.

Los fotodiodos PIN son los detectores mas comúnmente utilizados en sistemas basados en fibra óptica. El diodo PIN tiene una región intrínseca amplia entre las regiones n y p. La regi6n intrlnseca no tiene cargas libres, de modo que su resistencia es alta, por lo que la mayoría del voltaje del diodo aparece en ésta. Debido al tamaíio de la región intrínseca, existe una gran probabilidad de que los fotones incidentes sean absorbidos ahí, y no en las regiones n 6 p. Esto mejora la eficiencia y la velocidad

P-l0pW - alpw

- 3opW

- 4opW

- Sopw

-gopW

-10

-1 5

-20

-25

-30

'19. 4.4 (a) curva c s r a s t s r i s t i u del d i d o PIU. (b) circuito cl-tal.

E6

CAP. IV SISTE>uLs DE COUUNICACION POR FIBRA OPTICA

del fotodiodo pn.

La longitud de onda de operación del fotodiodo, al igual que en el caso del emisor, depende del material del que está fabricado. El silicio es el material mas comúnmente usado y trabaja en longitudes de onda de 0.3-1.1 pm [Ref.el, mientras que los

fotodiodos de germanio, aunque trabajan en un rango mayor (0.5-1.8

pm), introducen mas ruido que los de silicio.

Cuando un diodo PIN es polarizado inversamente, se dice que el diodo opera en el modo fotoconductivo, de modo que la corriente generada por el detector será proporcional a la potencia de la señal Bptica incidente.

La figura 4.4 muestra la curva caracteristica y el circuito elemental de este tipo de diodo; se nota que existe una zona lineal de operación dependiendo del nivel de potencia óptica en el detector y el voltaje presente en él; ésta curva caracteristica se obtiene analizando el circuito elemental del diodo. Este es el modo en el que operan los detectores en sistemas de comunicaciones por fibra óptica.

87

CAP. IV SISTEMAS DE COMRIICACION POR FIBRA OPTICA

4.2 TRANSCEPTOR. El transceptor es el elemento que se va a encargar de

convertir la serial eléctrica a óptica en el emisor y de óptica a eléctrica en el receptor. Este transceptor esta formado por tres

partes fundamentales: el emisor óptico, el receptor óptico y la circuiterla para la detección de colisiones;

l.-PC

1 1 Z.-TRANSCEmMI

3.- ACOPLADOR OpTlCO

/ TRANSMlSlON - ‘i

se conecta a la tarjeta de Red de la PC por medio de un conector DB15 y debe de diseñarse de acuerdo a los niveles de voltaje y frecuencia bajo los que funciona la tarjeta. El transceptor se encuentra colocado entre la PC y el acoplador direccional (estrella pasiva).

CAP. IV SISTEMAS DE COUUNICACION POR FIBRA OPTICA

Como se menciono, el funcionamiento del transceptor depende de si la unidad esta recibiendo o transmitiendo, como se muestra en las fiquras 4.5 y 4.6.

1.-PC

2.- TRANCCEPTOR

3.- ACOPIADOR DIRECCIONAL

1 2 n r

TFIANSMISION f \ - j ! - ;i"""J ~ COUSlONES

J

~ig.4.6 zr'ransceptor E- emisor.

Si la PC está actuando como emisor, la señal, que sale codificada en Manchester de ésta, entra al transceptor hasta el emisor óptico para después pasar a la fibra óptica. Por otra parte si la PC funciona como un receptor, entonces la señal llega al transceptor pasando por el receptor óptico y por el circuito de detección de colisiones, para posteriormente llegar a la PC.

89

t

CAP. IV SISTEW DE C O ~ I C A C I O U mR FIBRA OPTICA

La tarjeta de red que maneja la PC contiene una circuito que realiza la interfase con la red. Este es el DP8391A y es importante conocer BU funcionamiento ya que prácticamente a él se conectará el transceptór. De acuerdo a la hoja de datos del fabricante, los datos son codificados en código Manchester, y son entregados al transceptor con un nivel de voltaje máximo de la señal Txf de f l . 2 volts, mientras ‘que las señales de Rxf y CDf son en modo diferencial de un nivel máximo y mínimo de +5.25 y -5.25,

respectivamente. También se menciona que cuando una colisión sea detectada, debe de aparecer una señal de 10 Miiz en las entradas CDf .

90

CAP. IV SISTEMAS DE COMUNICACION POR FIBWA OPTICA

4.3 DISEÜO DEL TRANSMISOR ELECTRO-OPTICO. Conociendo las características de las señales que se van a

recibir se eligieron los detectores y emisores que proporcionen un rendimiento aceptable. Como emisor se optó por trabajar con el FED086KlWA que es un LED de AlGaAs, que se utiliza para trabajar en redes de área local y enlaces de datos en sistemas que trabajan en la región de 0 . 8 pm de longitud de onda. Como receptor se optó por el fotodiodo de alta velocidad BPX-65. Su respuesta de alta velocidad, sensitividad y bajo costo, hacen del BPX-65 un buen elemento para la aplicación en sistemas de comunicaciones por fibra óptica.

La potencia óptica generada por un LED es proporcionalmente lineal a la corriente que se le suministra [Ref. 12). Por la naturaleza de la señal que se va a transmitir es necesaria una modulación digital: o sea, que el diodo es modulado por una fuente de corriente la cuál simplemente lleva a el LED al estado de encendido (ON) o de apagado (OFF), Un esquema de ésta modulación se muestra en la figura 4.1.

La operación de un LED para la transmisión binaria digital requiere de la conmutación de encendido/apagado de una corriente en el rango desde varias decenas hasta varias centenas de miliamperes. En el estado de apagado, la emisión del LED será muy baja. En el estado de encendido, es deseable que la corriente que maneja al LED sea independiente de la

pdnpoi

nn C

L5 91

CAP. 1" SISTEMAS DE COMIINICACION POR FIBRA OPTICA

magnitud de la señal de salida, de modo que la potencia óptica será idéntica para cada pulso, sin importar si las señales de entrada

tuvieran alguna variación. Este aspecto es muy importante, ya que esto nos permitirla manejar un mayor rango dinámico en el emisor.

La conmutación (ON/OFF) debe de llevarse a cabo a altas velocidades en respuesta a los niveles lógicos a la entrada del circuito manejador. Un método muy común de lograr la operación de conmutación de la corriente para un LED, es la utilización de un transistor bipolar operado como conmutador. Este circuito proporciona una ganancia de corriente y un pequeño voltaje a lo largo del conmutador (voltaje colector-emisor) cuando el transistor está en saturación. Este circuito es mostrado en el circuito 1. Este sencillo circuito proporciona un pequeño voltaje (aprox. 0 . 1 V) en la unión base-emisor (Va=) cuando está polarizada directamente; y el V,, (voltaje colector-emisor) de saturation es alrededor de 0.3 volts. La máxima corriente que fluye a través del LED está limitada por el resistor R2, protegiendo al LED de corrientes excesivas. Sin embargo, la velocidad de conmutación de la configuración emisor c o m h está limitado por la carga y la capacitancia de difusión. Esto puede, de algún modo, ser compensado manejando un circuito de pre-énfasis en la base, durante el perkdo de encendido. E1 circuito está formado por un capacitor de aceleración CI.

E1 diagrama a bloques del transmisor se presenta en la figura 4.8 y consta de un bloque de interfase lógica que va conectado a la seiial de salida de la PC (TxI); después de este bloque se presenta el circuito manejador del LED, que controla la corriente de operación de éste, para obtener la potencia que se desea.

De acuerdo a la hoja de datos, para obtener una potencia óptica de salida (Po) de 10 mW es necesaria una corriente de

92

II

CAP. IV SISTEMAS DE COHUNICACION POR FIBPA OPTICA

colector I,= 100 mñ (IF para el LED). Considerando lo anterior, se utiliza un transistor como e l e m e n t o d e conmutaci6n para obtener un O 6 1

16gico (corte y saturación) con matrScula 282222 con una ñ de 177;

partiendo de estos valores, podemos obtener la corriente

I - I

Fig. 4.8 Diagram a bloquee del emisor.

de base analizando la malla de entrada del circuito y realizando una suma de voltajes:

I* = = 100~/177 = 564 uA.

Para el transistor es necesario calcular el valor de una resistencia que determine éste valor de la corriente en la base; esto se llev6 a cabo con un simple análisis de la malla de entrada del transistor y considerando un voltaje VgE en la unión base- emisor polarizada directamente de 0.7 volts, de modo que:

que se aproxima a un valor comercial de 6.8 Kohms. Si analizamos la malla de salida podemos calcular el valor de la resistencia del colector que va a limitar la corriente del LED, para obtener la

93

CAP. IV SISTEUAS DE COMUNICACION POR FIBRA OPTICA -

gotencia de emisión deseada (10mW). De la hoja de datos del kabricante obtenemos que el voltaje en el LED cuando es polarizado directamente es de 2.3 volts y si consideramos un voltaje colector- $misor, V,,, de 0.2 volts cuando el transistor está en saturación,

bdemos establecer la siguiente relación:

.

vcc-v~-vcE-Ic+ = o RC= (Vcc-Vp-Vce I /IC += ( 5 - 2.3 - 0.2)/ 100 += 29 ohms.

10-~

Debido a que la señal de salida de la PC (los datos enviados por la tarjeta de red) llegan al transceptor en modo diferencial

(Txf), éstos son conectados a la base del transistor por medio de un comparador de alta velocidad, el LM 360, conectado en modo diferencial, de tal manera que a la base del transistor lleguen solo 2 niveles de voltaje, O ó 5 volts. Se eligió el LM360 por que garantiza alta velocidad, alta impedancia de entrada y un bajo voltaje de offset[ I . Como se mencionó, los datos llegan codificados en código Manchester, de modo que se debe de diferenciar los 1-s y 0-s eléctricos que llegan al transceptor, para convertirlos a sus respectivos niveles ópticos. La interfase por medio de la que se conecta el transceptor a la PC es un conector D B 1 5 , con la distribución de pins que se muestra en el mismo circuito.

El tiempo de subida t, (rise time) de una fuente es el tiempo que toma la señal óptica para cambiar del 10% al 90% de su valor final cuando la entrada es un escalón de corriente. El tiempo de subida y el ancho de banda están relacionados por la siguiente expresión [Ref. 81:

( 1 ) f-jds = 0.35/t,. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

!I

CAP. IV SISTEMAS DE COHUNICACION POR PIS= OPTICA

y de acuerdo con la hoja de datos del LED, el tiempo de subida típico a 100 mA es de 10 ns, de modo que la frecuencia de -3dB para

el LED se obtiene sustituyendo éste en la ecuación (1).

fLadB = 0.35/(10 x io-’) = 35 ME2

La hoja de datos del fabricante señala que la respuesta del LED es satisfactoria hasta una frecuencia de corte de 30MBe. Sin embargo, ésta diferencia, que depende la variabilidad del tiempo de subida, no representa problema, ya que el diseño trabajará en frecuencias menores a las mencionadas.

II

11

li

I

. ’

CAP. IV S I S T E ~ DE com1cacIon POR ?IBRA OPTICA

EMISOR OPTIC0

CIRCUIIO No. 1

96

ir

CAP. iv SISTEHAS DE COMUNICACION POR FIBRA OFTICA

SEIUL n€csnca 0- a oprT* -mBma *

Cuando no hay señal óptica presente en el receptor fluye una pequeña corriente a través del diodo

P inversamente, 0 1 a r i que a d se 0 le llama corriente de obscuridad (ID). Esta es originada por la I generación térmica de portadores libres en el diodo; al ser de origen térmico, ésta corriente aumenta con

la temperatura y puede valer desde una fracción de nA hasta varias centenas de ellas. Los diodos de silicio (Si) tienen las más bajas corrientes de obscuridad.

I Fig. 4.9 Diagrama a hl<ques del receptor.

La operación de un diodo PIN puede ser explicado fácilmente mediante la gráfica 4 . 1 1 , que muestra la curva característica ideal del diodo y un circuito elemental [Ref. 81. En la gráfica Vd representa el voltaje en el diodo, Vcc el voltaje de polarización, id la corriente,en el diodo, RL la resistencia de entrada y V, el voltaje de salida.

Si analizamos el circuito haciendo una suma de voltajes, se tiene:

97

CAP. IY SISTEMAS DE COUUNICACION POR FIBRA OPTICA

regi6n fotoconduaiva 1 región iotovoltaica

Vd (voits) I

I . I Pig. 4.10 Recta da csqa para el diodo PIE.

(2) V,, + V, + idRL = O ...................... El análisis del circuito se puede llevar a cabo utilizando la

gráfica. Si se propone un voltaje de polarización de -20 volts y una resistencia de carga ( R L ) de 1 Mohm, tendremos una recta de carga (1) con una pendiente de - l / R L . De la ecuación (1) se puede ver que si la resistencia de carga es muy pequeña el voltaje de polarización V,, aparecerá casi por completo en el diodo, y se

obtiene un voltaje de salida casi de O volts. Por otra parte si la resistencia de carga se incrementa el ‘voltaje en el diodo puede llegar a ser muy pequeíio y el voltaje de salida aumentará. Es clara la interdependencia entre el voltaje de salida y la resistencia de

98

~ /. IV SISTEMAS DE COMUNICACION POR FISRR OPTICA

\. carga, junto con el ltaje del diodo.

Si en la recta (1) se opta por una potencia óptica de 30 pW entonces habrá una corriente de id = 15 VA y el diodo tendrá un voltaje de 5 volts. En el circuito diseñado se optó por trabajar con un voltaje de polarización de 5 volts, recta (2). y si se propone una resistencia de 200 Kohm con una potencia de 10 pW entonces habrá una corriente en el diodo de 5 pA y un voltaje en el diodo de aproximadamente 4 volts. En este caso se tiene un voltaje de salida (V.,)= idRL =(5pA)(200 Kohm)= 1 volt; si se toma en cuenta que el voltaje de salida y la responsitividad están relacionados por la fórmula [Ref. 81:

V,=e PR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 3 )

La responsitividad para el BPX-65 es de 0.55 (hoja de datos) y utilizando el valor de los parámetros de la recta de carga ( 2 ) se tiene:

Vo = (0.55)(10pW)(2OOKohm) v, = 1.1 volt

que se aproxima al valor obtenido por medio de la gráfica. De la ecuación ( 3 ) despejamos P y obtenemos que para tener una máxima potencia se necesita una resistencia de carga lo mas pequeña posible, de manera que se pueda aumentar el rango dinámico del diodo receptor. Si la resistencia disminuye a 20 Kohm la potencia

óptica máxima que puede recibir aumentará a un valor de 454 pW. Se nota que se puede aumentar la potencia máxima, pero en su lugar tenemos un bajo voltaje de salida, es importante establecer un

99

C W . iY S I S T E W DE COMuIíICACION POR FIBRR OPTICA

equilibrio en el diseño. Los criterios que se deben de tomar en cuenta para la selección del valor de la resistencia de carga son:

1) R~ grande para obtener un voltaje de salida grande. 2) RL pequeño para un mayor rango dinámico. 3) % pequeno para tener mayor ancho de banda.

Como se puede observar en la curva característica, un comportamiento no lineal se presenta cuando el voltaje del diodo se hace cero; una manera de resolver ésta no linealidad, sin utilizar una resistencia de carga pequeña, es la utilización de un convertidor de corriente a voltaje, formado par amplificador operacional, con una resistencia de retroalimentación ( R p ) . La ventaja de utilizar este convertidor es que debido a que entre las entradas del amplificador operacional existe un voltaje aproximado a cero, el voltaje de polarización del diodo aparecer6 siempre en €1. lo que equivale a operar en la llnea de carga mostrada en la figura .

Debido a que el detector es una fuente de alta impedancia con un nivel de salida muy bajo, es difícil interconectarla sin introducir ruido, por está razón, el convertidor de corriente a voltaje del receptor usualmente se acopla tan cerca como sea posible al detector. Típicamente se emplea un amplificador de transimpedancia construido a partir de un amplificador operacional u otro amplificador de alta ganancia con retroalimentación negativa de corriente. Este convertidor realiza tres funciones elementales:

1) Amplifica la señal produciendo un voltaje de salida proporcional a la corriente de entrada.

2) Tiene baja impedancia de entrada en virtud de su alta ganancia en lazo abierto y retroalimentación negativa.

3) Desarrolla una tierra virtual en su sefial de entrada.

100

CAZ. IY SISTEMAS DE COHVNICACION rnu,'~isra OZTICA

Para nuestro circuito, el BPX65 se conectó en modo fotoconductivo. El LM733 satisface los requerimientos de un amplificador lineal. Tiene un ancho de banda de 120 Müz, maneja un bajo nivel de ruido de 12 pVrms en un ancho de banda de 1 kEz a 10

MHz con una RL de 2 Kohms. Permite una selección de la ganancia por medio de la interconexión de las terminales (pins) de control de

ganancia. Se utiliza la ganancia 1 (que nos. proporciona una amplificación de'lO unidades) de modo que el nivel de ruido pueda ser eliminado en el comparador con histéresis que se conecta inmediatamente. Los pins 7 y 8 nos entregan la forma de onda de los datos y nos muestran características importantes: la razón señal a ruido (S/N); los tiempos de.subida y de bajada y una idea del nivel de la señal recibida. Con el amplificador conectado'para una ganancia diferencial de 10, cada salida se presenta 5 veces más grande que la salida del detector. Para poder obtener una ' .

estabilidad en la ganancia, se colocan las resistencias.de entrada

tan bajo como sea posible y que sea acorde con la capacidad.de1 detector.

' . '

I!

!I

11

A la salida del amplificador los datos son acoplados por medio de un arreglo RC, cuya función es la de dejar libre de

está recibiendo. Se debe tener cuidado en la elección de los valores de R y C debido a que la constante de tiempo, t=RC, que se obtenga por la combinación de estos debe de permitirle ai comparador, conectado inmediatamente .. después, diferenciar exactamente UNOS y CEROS. El problema radica :: en'que si los datos son acoplados capacitivamente y si se presentan ! UNOS'o CEROS consecutivos, la red tratará de mantener a la~salida un voltaje de referencia igual a O V, lo que ocasionaría que los niveles de UNOS y CEROS cambiarían sustancialmente. Esto se muestra en la figura 4.11. Para evitar esto se debe de utilizar un acoplador de AC tipo flanco, es decir, que detecte sólo los flancos de la serie de datos que este llegando; además, mantiene un nivel

variaciones a la información que se ;I ',

I! ';

I¡ 101

http://resistencias.de

CAP. I V SISTEMAS DE COMUNICACION POR FIBRA OPTICA - . base de O volts. Las cargas y descargas del capacitor ocurren entre cada tiempo de bit (Fig. 4.12).

Pig. 4.11 Acoplamientos de Ac p capacitiso.

Debido a que la salida de la red, Vo, es la que se utiliza para el comparador, se desearia optimizar ésta a un valor máximo, pero existe la limitante del tiempo mínimo de bit, en el cual el diferenciador se debe de recuperar. Para garantizar un tiempo de recuperación suficiente se deben permitir cuatro constantes de tiempo después de terminado el tRB (tiempo de subida del sistema). De éste modo el tiempo mínimo por bit está dado por:

T= tx,+ (4Rzc) max

y despejando se tiene:

de éste modo el valor máximo de la constante de tiempo RC,

considerando un tiempo de bit T de 50 nseq y un tiempo de

102

CAP. IV SISTEMAS DE COMUNICACION POR FIBRA OPTICA

FORMA DE ONDA DE ENTRADA

62 p i

vo

RED ACOPLANDD POR FLANCOS

1200 ohms

DATOS

-

~ig.4.12 A C O ~ ~ W ~ O ~ de u: tip flanco.

subida del sistema tR8 de aprox. 20 nseg., tenemos que está dado por:

(RC),ax = ( 5 0 - 2 0 ) / 4 = 7.5 nseq.

y si proponemos un capacitor de 6.2 pf, resulta una resistencia de 1209.6 ohms y se utiliza un valor comercial de 1200 ohms.

A continuación se conecta un comparador de alta velocidad para poder obtener un interfase lógica. Esta etapa de decisión está compuesta por un comparador de tensión de alta frecuencia; se

103

CAP. IV SISTEMAS DE COlMIICAClON POR FIHRA OPTICA

seleccionó el LM 360 que es un comparador diferencial de alta velocidad con entradas diferenciales, a la salida tiene un comparador de voltaje de niveles TTL con características mejoradas. Tiene además una gran impedancia de entrada y bajo voltaje de offset. Este comparador cumple las funciones de detector y de interfase lógica; es necesario diseñarlo con histéresis para poder evitar los efectos de ruido presente en la seíial y ésta histéresis se estahlece en base a el voltaje de referencia al cual va a trabajar el comparador. Dando una histéresis simétrica en base al voltaje de referencia, para centrar a éste en los límites de una salida TTL se tiene que:

VREP = worn + VOL) / 2

Si se tiene un valor máximo de 3.6 y un mínimo de 0.1 para la ventana de histéresis, se obtiene el valor del voltaje de referencia:

VmP = (3.6 +0.1)/2 = 1.85 V

En base al valor máximo y mínimo de la ventana del comparador se calculan los valores de las resistencias que forman el comparador del modo siguiente:

S i R2 = 1000 ohms, entonces R1 es igual a

R1=((1000*4)/3.6) - 1000 = 111.11 ohms

para el voltaje de saturación se toma un valor de 1V menos que el valor del voltaje de polarización; del cálculo se toma un valor comercial de 100 ohms para R 1 . El valor de la histéresis está dado

104

CAP. IV SISTEMAS DE COHUNICACiON POR FIBRA OPTICA

por:

El circuito completo del receptor se presenta en el circuito 2. En él se indica una derivación inmediatamente después del amplificador que es la que se encarga de proporcionar al señal de entrada al circuito de detección de colisiones. También se señala el conector DB15 que es la interfase entre la PC y el transceptor.

105

CAP. I V SISTEHRS DE COUUNICACION POR FIBRA OPTIUL

C I R C U I T O No. 2

106


4.5 DISENO DEL CIRCUITO DE üETECCI6N DE COLISIONES. El circuito de la detección de colisiones se realizó en base

a la violación del Código Manchester. Este método consiste en verificar que la codificación de la señal esté siempre respetando el código mencionado; como.se sabe, los datos en código Manchester se presentan como "01" para un nivel alto ("1" lógico) ó "10" para

ii

un nivel bajo ( " O " lógico), de modo que siempre habrá una 1 il transición en la mitad de cada celda del bit; si consideramos que en ésta codificación nunca se podrán presentar 3 estados igiales consecutivos (ya que esto imp'licaria una violación al código), la tarea se reduce a poder detectar cuando éste hecho se presente (ver .! figura 4.13). I

Analizando el código se deduce que nunca se podrán presentar 3 o más bits consecutivos en nivel bajo ( " O " lógico) consecutivos

(por la naturaleza del código) de modo que se realizó un circuito lógico que detectara 3 bits consecutivos en nivel alto ("1"

lógico). Se sabe que cuando existen salidas condicionales (salidas en función del estado presente y de las entradas), se deduce que se necesita realizar el circuito en base a una máquina secuencia1 de

1

I)

Mealy [Ref. 121. Está máquina secuencial deberá de detectar la secuencia deseada y entonces activar una señal de 10 Mñz que se transmitirá hacia el acoplador direccional (estrella pasiva).

En base al diagrama de estados que se muestra en la figura 4 . 1 4 , se elabora la tabla de estados próximos, donde podemos establecer la salida del circuito dependiendo de la entrada al mismo. Esta se muestra en tabla 4.1.

Después se realiza la asignación de estados, siguiendo la regla para próximos estados [Ref.lZ] y la tabla 4 .2 muestra la tabla de estados juntos con las condiciones de los Flip Flops (FF)


duración deibB 4 ! I , - 1 o o 1 1 0 1 1 o o

4@ (nunca- vana presentar 3

estados iguales mnseaithros)

P i g . 4.13 C d i f i c a c i d n Manchester.

que se utilizaron (tipo D); la tabla indica que si el estado presente es el estado "01" y se tiene una entrada "D" de 1 el próximo estado será el estado "11" y para que esto sea posible en la entrada del Flip Flop A (Da) deber6 de estar un 1 para que el pase de un estado lógico de O a otro de 1, de acuerdo a la tabla de verdad de este tipo de FF [Ref. 131; la salida COL será O hasta que el estado presente sea "11" y como entrada se tenga 1. Una vez completada ésta tabla, se elaboran los mapas de Karnaugh [Ref. 131 para las señales de salida COL, Da y Db y una vez hechas las reducciones en los mapas de las salidas las ecuaciones quedan de la manera siguiente:

108

CAP. I V STSTENAS DE COMUNICACION POR FIBRA OPTICA

\ '.>l I o1

T I Ad, DIAGRAMA DE ESTAWS

Pig. 4.14 Diagrama esquemático y de estados lógicos del Circuito de deteccian de colisiones.

s = A x , Da = A-BX Db - A-X El circuito completo para la detección de colisiones mostrado

en circuito No. 3 incluye una compuerta AND en cuyas entradas estará, por un lado la señal de salida del circuito (COL), y por otro una señal de lOMhz generada por un cristal: ésta señal pasará a través de la compuerta cuando la salida del circuito de detección de colisiones este activa ("I" lógico), y será enviada hacia el acoplador direccional (estrella pasiva) para que sea enviada a todas las estaciones indicando la presencia de una colisión.

Este circuito se desarrolló a nivel prototipo implementando las ecuaciones para S , Da y Db obtenidas anteriormente.

109

!I CAP. IV SISTEMAS DE COMUNICACION POR FIBRA OPTICA I

I1 TABLA DE PROXIMOS ESTAWS

EDOPRESEME ENIRAD* Eoo.PROMW W D A

I O a O

I b O

EDOPRESEME ENIRAD* Eoo.PROMW W D A

O

E

il

't

I

CAP. IY SISTEMAS DE COMLINICACION POR FIBRA OPTICA

TABA DE ESTADOS Y LA SAUDA DE Cos FF

EM>, PRESENTE

A B

ENTRADA Em. PROXIMO SAUDA Da Db

X A' 6. COL

o 1 1 1 1 O 1 1

I 1 1 1 o l o o I o 1 0 o I 1 1 1 1 ( O 0 I l I O o I

Tabla 4.3

111

CAP. IV SISTEMAS DE COUUNICACION POR FIBRR OPTICR

1 CIRCUITO DE DETECCION

DE COLISIONES

F - 3

1 - 74 2L1

circuito No.3

112

CAP. V PRUEEAS, CARACTERIZACION P RESvIiTADOS

C A P I T U L O V

PRUEBAS, CRRRCTERIZACION Y RESULTRDOS.

5.1 INTEGRACION DEL NODO.

HARDWARE. Como se mencionó en capítulos anteriores, el transceptos está

formado por tres elementos principales que son: el emisor electro- óptico, el detector óptico-electrónico y el circuito de detección de colisiones. Este transceptor se conecta a cada PC presente en la . red y también al acoplador direccional (estrella pasiva). La conexión a la PC se realiza por medio de 3 pares de cable coaxial

y utilizando un conector DB15 y las señales que se manejan en está conexión son 6, TxI, Rxt y C D I , más los voltajes de polarización, con los niveles y frecuencias que se indican en la hoja de datos del controlador de red. En lo que respecta al enlace que se lleva a cabo entre el transceptor y el acoplador direccional, éste se realiza por medio de fibra óptica y utilizando conectores SMA. Las senales manejadas en este enlace son solamente 2, Txi y RXI. Un esquema general de un enlace entre dos PC-s por medio de un nodo integrado de ésta manera se presenta en la figura 5.1.

SOFTWARE.

Para efectuar la integración total del nodo y poder realizar las pruebas de funcionamiento del nodo en la red es necesario utilizar un sistema operativo para la PC y uno de red. En este caso se utiliza el Sistema Operativo de Red DECnet-DOS.

El sistema operativo de red DECnet-DOS crea una extensión en

CAP. V PRUEBAS, CmCmRIZACIOB P RBSULTADOS

ACOPLAWR . DIRECCIONAL

I- Fig. 5.1 modo em estrelle pasiva.

el sistema operativo de la PC, habilitándola para interactuar en el ambiente de red. El DECnet-DOS permite intercambiar información por medio de las líneas de comunicación de la red. Con este sistema operativo de red se puede:

* Realizar correo electrónico. Transferir archivos.

* Utilizar la impresora conectada en otro nodo. * Usar la información contenida en un disco que se encuentre en otro nodo.

Del sistema operativo de red DECnet-DOC, se utilizaron los siguientes comandos de aplicación:

NCP (programa de control de red).

114

CILP. V PRUEEAS, CARACTERIZACION P RBSULT>ux>S

* NFT (Transferencia de archivos de red). * FAL (estado de recepción de archivos).

El NCP (Programa de Control de la red) se encarga de manejar

cada nodo mediante la realización de cada una de las siguientes funciones:

* Generación de nodo - Identifica a cada uno de los elementos conectados a la red.

- Especifica los nombres de los nodos. - Especifica información de control de acceso.

* Operación del nodo - Cambia los parámetros de servicios de la red. - Activa y desactiva cada nodo en la red. - Da a conocer el estado en que se encuentra una línea, circuito o enlace.

* Monitoreo de la red DECnet - Lee o monitorea la información. - Muestra los contadores locales de la red. - Muestra el estado de los pardmetros de la red.

Prueba y diagnóstico de la red - Muestra información acerca del nodo y como interactúa con la red.

- Envía mensajes de prueba a cada elemento de una conexión.

El NFT y el FAL se utilizan al mismo tiempo para poder intercambiar informacidn entre dos nodos remotos.

. 115

It

CAP. v PRlmW,s, UUULCTERIZ.4cIon P RBSULTAWS

5.2 PRUEBAS. Prueba 1. Prueba de Loop-Back.

Esta prueba se llevó a cabo para probar el funcionamiento de los transceptores en su transmisión y recepción. Para esto, se arm6 un codificador/decodificador Manchester en base al C.I. WD83C691.

La descripción del funcionamiento del circuito se presenta en la Fig. 5.2.

Este consiste en introducir datos en código NRZ (No Regreso a cero) en la entrada del codificador. Los datos ya codificados como Manchester en modo diferencial, se conectan al transceptor en la terminal Txt y la salida del transceptor se conecta directamente al Rxt de este mismo haciendo un "loop-back", de modo que los datos sean retornados al codificador y este proporcione a su salida los mismos datos introducidos nuevamente en código NRZ. De este modo se probó cada transceptor por separado. El circuito completo se muestra en el circuito 5.1.

Prueba 2. Envío de un mensaje en loop-Back en la red. Después de realizar la prueba anterior se procedió a

implementarlo en la red, para poder realizar pruebas de envlo y recepción de datos. Por medio del comando NCP y utilizando las funciones Loop y Mirror, la prueba se llevó a cabo de la siguiente manera. En el nodo ejecutor se debe teclear:

>NCP>Loop node 1.401 y en el otro nodo:

esta prueba consiste en enviar un mensaje a un nodo remoto, y que éste regrese a su nodo de origen. Si esto no sucede, entonces existe algún problema en el enlace entre ambos nodos. Esta prueba se llevó a cabo sin problema alguno. La Fig. 5.3 muestra éste

>NCP>Mirror

116

..

CAP. Y PRUEBAS, CARACTERIZACIOU P RESULTADOS

.........

+

1

DATOS NRZ

Pig. 5.2 Prueba del rraniceptor en "Mop-bask"

Tx+

Tx- Tx+ IN

CODlFl DECODIF.

Rx+ Rx+

Rx- OUT

TRANSCEPTOR ..

enlace: en el nodo 1.401 (node executor) se corre la función Loop y se indica el número del nodo en donde se va a llevar a cabo la prueba, mientras que en éste último se corre la función Mirror; el mensaje que se envia son los números del 1 al 10 y éstos son retornados sin problemas al nodo ejecutor.

Prueba 3. Transferencia de archivoe. Para la realización de ésta prueba, se utilizan los comandos

NFT y FAL, explicados anteriormente. En el nodo ejecutor se corre el comando NFT y en el destino el FAL; una vez hecho esto, el nodo ejecutor está en condiciones de realizar transferencias de archivos

117

CAP. V PRUEEAS, CARACZERIZACIOII I -TAWS

Fig. 5.3 -.So de 1111 mensaje de prueba.

y el otro nodo de permitirlas. En el nodo ejecutor se tecleó: >NFT> copy autoexec.bat 1.401:: <return>

y la copia del archivo indicado se llevó a cabo exitosamente. Esto

se muestra en la Figura 5.4.

Prueba 4. Generación de código inválido. Para la prueba del circuito de detección de colisiones se

adicionó al circuito 5.1 un sumador (Fig 5 . 5 ) , en cuyas entradas se conectaron, a una de ellas, los datos Manchester provenientes del codificador y en la otra, una señal Manchester proveniente de un generador de señales (que simula otra estación), de modo que a la

118

I/

CAP. V PRUEBAS, CARACTERIZACION Y RESULT-S

salida del sumador se tenga la suma de ambas señales y por lo tanto se genere una señal que viola la codificación Manchester. Esta señal se introduce al transceptor que está conectado en "Loop- back". Este detecta el código inválido y activa una señal de 10 MHz, que hace llegar a las entradas CD+ y CD- del codificador, indicando la presencia de una colisión. El codificador activa su salida COL para indicar al controlador de la red la colisión. Este circuito se muestra en el circuito 5.3.

Prueba 5 . Deteccibn de colisiones. Para la realización de ésta prueba se utilizó un conector tipo

T para poder verificar la violación al código. Se inyectó a la red,

119

CAP. V PRUEüAS, CARXTERIZACIOB X RESULTDO8

CODIFICAWR / DECODlFiCAWR

Pig. 5 . 5 MneraciOn de una oolisibn utilizando un transceptor en " l o o p b a c k "

por medio de un generador una señal en código Manchester, simulando otra estación transmitiendo. Esto se ilustra en la fig. 5.6. De esta manera, el circuito de detección de colisiones se activa al detectar una violación al código Manchester, indicando ésta por medio de una señal generada en las terminales CD+ y CD-. Se conecta un osciloscopio en la T para verificar la violación al código.

120

CAP. V PRUEBILS, UUULCTERIEACIOA 1 RESULT9908

OsaLOsmm- -71 Pig. 5 . 6 Detecci6n de Colisiones.

121 i

I

CAP. VI CONCLUSIONES

C A P I T U L O VI

C O N C L U S I O N E S

6.1 TECNICA DE DETECCION DE COLISIONES. El estudio de las Técnicas de Detección de Colisiones

permitió, en primera instancia, tener un conocimiento profundo y detallado de los diversos métodos, para después poder realizar el proceso de selección del método que fuera mas idóneo para éste caso. La decisión de trabajar con un acoplador direccional en estrella pasiva estriba en la relativa simplicidad de su funcionamiento con relación a los otros tipos de acopladores estudiados. El tipo de acoplador determina en gran medida la técnica de detección de colisiones a usar. Se determinó utilizar una técnica que tuviera una rango dinámico amplio, de modo que su implementación se realizó tratando de lograr que ésta no dependiera totalmente del ancho del pulso de la señal y de su amplitud. Esto se logró mediante una gran amplificación de la seíial recibida y una posterior equalización que nos permitiera tener una señal con un nivel TTL. Una vez logrado lo anterior se implemento la técnica basada en la Violación al Códiuo Manchester, por medio de un circuito digital (máquina secuencial), que detecta dicha violación. El concepto clave en el que basa su funcionamiento este circuito es la premisa de que una señal recibida que este codificada correctamente (sin colisión), no Dodrá Dresentar 3 bits consecutivos en estado alto.

6.2 EMISOR Y RECEPTOR OPTICO. Una característica importante del circuito emisor es el amplio

rango dinámico con el que trabaja, proporcionando una gran estabilidad a la sena1 de salida, haciendo que ésta sea

122


independiente a variaciones de la señal de entrada dentro del rango indicado. La etapa de amplificación que se encuentra en el receptor junto con el comparador conectado inmediatamente después permite eliminar niveles de ruido ya que éste Último opera con una histéresis de 318 mV (secc. 4 . 4 ) .

6.3 TRAWSCEPTOR.

El transceptor logrado al integrar el emisor, el detector y la circuitería de detección de colisiones en una sola unidad, permitió la realización de las pruebas independientes de cada transceptor antes de conectar todo el sistema por medio del acoplador direccional. Cómo se mencionó en el capitulo V se implemento el codificador/decodificador Manchester que nos perinitió la realización de pruebas con'señales iguales a las generadas por la tarjeta de red (ya que ésta trabaja en base a éste circuito).

Una vez integrado el transceptor el procedimiento que se siguió para interconectar las PC's fue el siguiente: En primer término se probó cada transceptor individualmente. Una vez que se comprobó que funcionaban de manera correcta, se conectaron 2 PC-s sin utilizar el acoplador direccional; si algún problema se presentará en esta etapa de integración, éste sería atribuible a la fibra o la tarjeta de red, no al transceptor ya que éste se probó previamente. La siguiente etapa de integración contempló la utilización del acoplador direccional para enlazar 4 PC.s; de nueva cuenta si se presentará algún error éste sería del acoplador únicamente, debido a que los otros elementos del enlace ya fueron probados. Esta manera de integrar el nodo nos permite brindar la facilidad de detectar un problema que se presente con mayor facilidad.

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BIBLIOGRAFIA:

[l] Sistemas Electrónicos Digitales. Rafael Sanchez L. Edit. Alfa-Omega.

[ 2 ] Tanenbaum Andrew S. Computer Netwoks 2.' Edición 1988

Prentice Hall

[3] Optical Fiber Comunications Principles and Practice John M. Senior. Prentice Hall.

[ 4 ] Redes de Computadoras. Uyless Black. Eedit. Macrobit.

[SI Steve Evitts "Fibre Optic Ethernet Standards-Current Status Oceonics Fibre Data Systems, Farnborough, Hants, England. LAN 90.

[ 6 ] Steve Evitts "Fiber Optic Ethernet for the Local Area Network". Data Comunications. January 1990.

[7] R.P. Kelley, J.R. Jones, V.J. Bhatt, P.W. Pate. Transceiver Design and implementation experience in a Etherent compatible Fiber-optic Local Area Network. CH2012- 3/84/0000/0002 1984 IEEE.

124


BIBLIOGRRFIA:

111 Sistemas Electrónicos Digitales. Rafael Sanchez L. Edit. Alfa-Omega.

[ 2 1 Tanenbaum Andrew S . Computer Netwoks 2a Edición 1988 Prentice Hall

[ 3 ] Optical Fiber Communications Principles and Practice John M. Senior. Prentice Hall.

[ 4 ] Redes de Computadoras. Uyless Black. Eedit. Macrobit.

[ 5 ] Steve Evitts "Fibre Optic Ethernet Standards-Current Status Oceonics Fibre Data Systems, Farnborough, Bants, England. LñN 90.

[6] Steve Evitts "Fiber Optic Ethernet for the Local Area Network". Data Communications. January 1990.

[ 7 ] R.P. Kelley, J .R. Jones, V.J. Hhatt, P.W. Pate. Transceiver Design and implementation experience in a Etherent compatible Fiber-optic Local Area Network. CB2012- 3/84/0000/0002 1984 IEEE.

125

BIBLIO<IRI\PIA

[E] Joseph C. Palais Fiber Optic Communications 1988 Prentice Ball.

[9] Tomás W. Madrón. Redes de Area Local. La Siguiente Generación. Noriega Editores 1990.

[lo] Steven Moustaquis. The standarization of IEE 802.3 Compatible Fiber Optic CSM?+/CD Local Area Networks: Physical Topologies. IEEE Communications Magazine February 1987 Vol. 25 No.2.

[ill Earold B. Kiilen. Digital Communications with fiber optic and Satellite Aplications. Prentice Hall 1988 Page. 274-280.

[13] Active Star based Fiber-optic Local Area Network S.Y. Cuh, S.W. Granlud, A.J. Lumsdaine, D.A. Snayder, S.J. Wetiel. Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-5 No.8 August 1987.

[14] Steve Evitts. Data Communications. Fiber Optic for the Local Area Network. January 1990.

1151 Aewlet Packard. Aplication Bulletin 73. Low Cost Fiber Optic Transmiter and Receiver Interface Circuits.

[16] Vincent L. Mirtich. Motorola Semiconductor Products EDN August 5 1980 Vol 25 No. 14. Designer-s Guide to: Fiber optic Links. Part I, 11.

[17] Mohsen Kavehrad, Carl-Erik W. Sundberg. A Pasive Star- Configured Optical Local Area Network using Carrier Sense

126

BIBLIOOWIA

Multiple Access whit a novel Collision Detector.Journa1 of Lihtwave Technology Vol LT-5 No. 11 1987.

[le] M. Medhi Nassehi, Fovad A, Tobagi, Mietel E Marhic. Fiber Optic Configuration for Local Area Networks. IEEE Journal on Selected area in Communication Vol SUC-3 No. 6 NOV 1985.

1191 Rewert D. Personick. Protocols For Fiber Optic Local Area Network. Journal of Lightwave technology. Vol LT-3 No. 3 June 1987.

[ZO] Gerald J. Eerskowitz and Sun G. Worms. Fiber Optic LAN Topology, Access Protocols and Standars. Computer Communications Vol 11 No.5 Oct. 1988.

[Zl] Frederick W. Scholl, and Michael H. coden. Passive Optical Star Sytems for Fiber Optic Local Area Networks, IEEE Journal on Selected areas in Communications Vo1.6 No.6 July 1988.

1221 Karl Kumerle, John o. Limb Advances in Local axea Networks. IEEE PRESS.

127

s.e.p. s.e.1 d.g.1.t. centro nacional lle ... jose...940208 s.e.p. s.e.1 .t. d.g.1.t. centro...

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