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Disponibilidad y Calidad

En una situaci´on ideal, un radioenlace digital operar´ıa sin introducir errores

en la informaci´on transmitida y estar´ıa disponible el 100 % del tiempo; en la pr

´actica esto es imposible debido a factores que van desde imperfecciones del canal de

trans- misi´on inal´ambrico hasta fallas en los equipos. Debido a ello, en una

situación de diseño real es necesario establecer un compromiso entre lo ideal y lo

realizable; tal compromiso está plasmado en los objetivos mínimos de calidad y

disponibilidad que debe satisfacer un radioenlace, los cuales son establecidos por la

Unión Internacional de Telecomunicaciones a través de Recomendaciones que sirven

de guía en el diseño y certificación de sistemas de telecomunicaciones. Por lo tanto,

un requisito indispensable en el diseño y puesta en marcha de un radioenlace es el

satisfacer las metas de disponibilidad y calidad establecidas por la UIT.

Las metas de calidad están definidas en términos del porcentaje de tiempo

durante el cual el enlace debe operar con una cierta tasa de error. La degradación de

la calidad depende de la probabilidad de que la potencia recibida en un vano caiga

por debajo del umbral requerido por el receptor, o de la probabilidad de que el

espectro de la

Señal recibida sufra distorsión severa. En esencia, el cumplimiento de los objetivos

de calidad depende de un apropiado dimensionamiento del sistema. Más

específicamente, el cálculo del margen de desvanecimiento en cada vano depende del

objetivo de calidad fijado para el enlace.

Por otra parte, las metas de disponibilidad establecen el porcentaje de tiempo

durante el cual el enlace debe estar operativo y ofreciendo un nivel mínimo de calidad.

La disponibilidad de un radioenlace no solo se ve afectada por efectos de

propagación: ella también es afectada por las fallas de los equipos, por lo que es

necesario tomar en cuenta la probabilidad de ocurrencia de las mismas.

2 2

Dada la enorme variedad de sistemas de comunicaciones encontrados en la

práctica, las Recomendaciones UIT que se refieren a las metas de calidad y

disponibilidad están definidas para un sistema de transmisión internacional

hipotético de grandes dimensiones, el cual atraviesa muchos países empleando

distintos medios de transmisi´on tales como fibra ´optica, cable coaxial, sat´elite, etc.

Las normas que aplican a sistemas reales est´an basadas en las normas que aplican a

este sistema de transmisi´on hipot´etico; por consiguiente, es necesario que el

ingeniero posea una compresi´on clara de las Recomendaciones y de su aplicaci´on pr

´actica, a fines de fijar objetivos de calidad razonables en sistemas reales de pequen˜a

y mediana escala.

La r´apida evolucion de los sistemas de radio digital ha producido constantes

modi- ficaciones de los objetivos de calidad y disponibilidad fijados por la UIT. Por

ejemplo, los primeros radios PDH operaban bajo especificaciones que establecen l

´ımites para las tasas de error de bit, a diferencia de las recomendaciones vigentes,

las cuales es- tablecen l´ımites para la ocurrencia de errores de bloque. Por esta raz

´on, el ingeniero necesita una permanente actualizaci´on en las metodolog´ıas de c

´alculo para mantenerse

al d´ıa con la evoluci´on de la tecnolog´ıa de los radioenlaces digitales.

Conexi´on Ficticia Digital de Referencia

La calidad de un enlace digital de microondas depende en esencia de la tasa de

bits errados o BER. Si se tiene un sistema compuesto por N vanos, y el BER en cada

vano es pequen˜o (BER << 1), la tasa de bits errados del enlace BERe ser´a

N

BERe = X

BERi

(7.1.1)i=1

En la pr´actica esta expresi´on es de poca utilidad ya que s´olo se conocen las estad

´ısticas del BER, y no su valor instant´aneo. Por esta raz´on, los criterios empleados

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para definir la calidad de un enlace est´an basados en medidas estad´ısticas de la

tasa de errores; esto es, el valor del BER que es superado durante un cierto

porcentaje del tiempo.

Los l´ımites en cuanto a las tasas de error tolerables establecidas por la UIT

pueden encontrarse en las Recomendaciones UIT-T G.821 y UIT-T G.826. La

primera es aplicable a trayectos digitales con una velocidad menor a la velocidad

primaria de la jerarqu´ıa digital empleada (E1 o T1, segu´n el caso), en tanto

que la segunda aplica a enlaces con velocidades iguales o superiores a la primaria.

En lo sucesivo, denominaremos enlaces de alta velocidad a aquellos que operan con

velocidades iguales o superiores a la de un canal T1 o E1. Los objetivos de calidad de

la Recomendaci´on G.821 est´an basados en mediciones de la tasa de bits errados

(BER), en tanto que los de la Recomendaci´on G.826 est´an basados en mediciones de

la tasa de bloque errados1. En ambos casos, es necesario efectuar mediciones para

verificar el cumplimiento de los objetivos de calidad; actualmente se dispone de

numerosos dispositivos disen˜ados

para realizar dichas mediciones. La medici´on del BER se lleva a cabo

transmitiendo secuencias de bits pseudoaleatorias (PRBS, Pseudo Random Bit

Sequences ). El uso de las PRBS tiene el inconveniente de que el sistema debe estar

fuera de servicio a efectos de transmitir la secuencia y efectuar la medici´on (lo que

por lo general s´olo puede hacerse cuando el sistema est´a siendo certificado). Por

otra parte, la medici´on de la tasa de bloques errados se realiza empleando c´odigos

de detecci´on de error, lo que permite la medici´on de los par´ametros de calidad

durante la operaci´on normal del sistema.

En principio, los est´andares que se examinar´an s´olo aplican a redes PDH o

SDH; sin embargo ´estos tambi´en pueden ser aplicados a redes ATM con una

apropiada definici´on de la calidad de operaci´on entre los extremos del trayecto, en

el que la capa f´ısica del modelo de referencia del protocolo ATM estar´a terminada

por conmutadores ATM. En la capa f´ısica, los trayectos de transmisi´on ATM

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corresponder´an a un tren de c´elulas que ser´an transformadas a un formato basado

en c´elulas o en estructuras de

1 Un bloque es un conjunto de bits consecutivos asociados con el trayecto, empleado con elproposito de detectar errores y evaluar la calidad del enlace.trama basadas en la norma SDH o PDH. El lector interesado en los detalles de

calidad de operaci´on en una red ATM puede consultar la Recomendaci´on UIT-T

I.356.

Los l´ımites especificados en las Recomendaciones G.821 y G.826 se refieren a una

conexion digital ficticia de referencia (XFR), mostrada en la Fig. 7.1 y descrita en la

Recomendaci´on UIT-T G.801.

La XFR representa una soluci´on de compromiso que hace posible manejar la

com- plejidad de los sistemas de comunicacion actual, en los que la informaci´on

viaja de origen a destino a trav´es de mu´ltiples medios de transmisi´on tales como

fibra ´optica, radioenlaces digitales, cables met´alicos y sat´elites. La idea es

proporcionar un est´andar de calidad y disponibilidad aplicable a un sistema ficticio

que, bajo las condiciones

27500 km

1250 km 25000 km 1250 km

Punto de referencia T

LE LEPunto de

referencia T

Grado local

Grado medio

Grado alto

Grado medio

Grado local

5 5

LE : Local exchange (central local)

Figura 7.1: Conexi´on digital ficticia de referencia (XFR).

apropiadas, pueda ser extrapolado a sistemas reales de mediana y pequen˜a escala. De

esta manera, la XFR permite fijar los objetivos que han de cumplirse en un sistema

de comunicaciones real; asimismo ella permite obtener objetivos de funcionamiento

para los equipos, los cuales proporcionan orientacion al proyectista que disen˜a con

medios de transmisi´on y t´ecnicas de modulaci´on espec´ıficas.

La XFR especifica una conexi´on internacional con una longitud de 27500 km

entre los puntos de referencia T 2, la cual es dividida en secciones con 3 tipos de

niveles de calidad: grado local, grado medio y grado alto. El grado local corresponde

al circuito de acceso del usuario; comprende los sistemas que operan entre el equipo

del usuario y la central local, los cuales funcionan normalmente a bajas

velocidades. El grado medio corresponde a aquellos sistemas que operan a partir de

la central local en el segmento nacional de la conexi´on. Los grados local y medio

cubren los primeros 1250 km en cada extremo de la conexi´on. Por u´ltimo, el

grado alto corresponde al resto de la XFR, y comprende los sistemas de larga

distancia nacional e internacional que normalmente operan a altas velocidades.

La Fig. 7.2 muestra la arquitectura de la XFR: la longitud total de 27500 km

es dividida en 2 secciones nacionales de 1250 km de longitud y una internacional

con 25,000 km de longitud. Las centrales digitales dentro de las secciones nacionales

pueden ser centrales locales (CL), centros primarios (CP), centros secundarios (CS)

y centros terciarios (CTe). Puede verse como la secci´on de grado local se

extiende desde el punto de referencia T hasta la central local, mientras que la secci

´on nacional de grado medio comprende los tramos que contienen CP, CS y CTe.

6 6

Los par´ametros de calidad que definen el grado de una secci´on est´an basados

en la ocurrencia de los siguientes eventos, los cuales se deben registrar s´olo en los

per´ıodos en los que el enlace est´a disponible :

Segundos con errores (Errored Seconds, ES ): Per´ıodo de un segundo

en el que ocurren uno o m´as bits err´oneos. En enlaces de alta velocidad ES se

define como un per´ıodo de un segundo en el que uno o m´as bloques presentan

errores.

Segundos severamente errados (Severely Errored Seconds, SES ): Per

´ıodo de un segundo en el que BER > 10−3. En enlaces de alta velocidad SES se

de- fine como un per´ıodo de un segundo que contiene al menos 30 % de bloques

con errores.

Bloques con errores (Errored Blocks, EB ): Bloques de datos que

con- tienen uno o m´as errores.

Error de bloque de fondo (Background Block Error, BBE ):

Bloque con error que no se produce como parte de un SES.

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Los par´ametros empleados para cuantificar la calidad del enlace se definen a

partir de los eventos anteriormente descritos:

Tasa de segundos errados (Errored Seconds Ratio, ESR): Relaci

´on entre ES y los segundos totales en los que el sistema est´a disponible

durante un intervalo de medici´on fijo.

Tasa de segundos severamente errados (Severely Errored Seconds

Ra- tio, SESR): Relaci´on entre SES y los segundos totales en los que el

sistema est´a disponible durante un intervalo de medici´on fijo.

Error de bloques de fondo (Background Block Error Ratio, BBER):

Relaci´on entre el nu´mero de bloques errados y el nu´mero total de bloques

trans- mitidos durante un intervalo de medici´on fijo. El c´omputo total de

bloques excluye todos los bloques transmitidos durante SES.

Aunque en una secci´on posterior se dar´a una definici´on formal de la

disponibi- lidad, adelantaremos que un radioenlace no est´a disponible cuando se

produce uno

cualquiera de los siguientes eventos por mas de 10 segundos consecutivos:

P´erdida de la sen˜al, con p´erdida de sincronismo o alineaci´on de trama

SES

1 Un bloque es un conjunto de bits consecutivos asociados con el trayecto, empleado con elproposito de detectar errores y evaluar la calidad del enlace.

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Objetivos de Calidad para Enlaces Reales

La UIT ha publicado Recomendaciones que proporcionan permiten obtener ob-

jetivos de calidad para enlaces reales. Tales objetivos est´an basados en la

Recomen- daciones UIT-T G.821 y G.826; sin embargo, ellos est´an planteados

para trayectos que no dejan de ser idealizaciones, por lo que la aplicaci´on de estos

objetivos a una situaci´on pr´actica debe ser hecha con un adecuado conocimiento

del est´andar y de la red que se est´a planificando. A continuacion se examinar´an

los objetivos de calidad para las secciones de grado alto, medio y local de enlaces de

alta y baja velocidad en enlaces reales.

Objetivos de Calidad basados en la Rec. UIT-T G.821.

A continuacion se describen objetivos de calidad para las secciones de alto, medio

y bajo grado de circuitos que operan a velocidades iguales o inferiores a la

primaria (N × 64 kbps).

Grado Alto

La Rec. UIT-R F.634 establece los siguientes objetivos de calidad, los cuales apli-

can a un trayecto con una longitud d comprendida entre los 280 y los 2500 km3.

3 Los objetivos para enlaces de grado alto con longitud menor a 280 km siguen bajo estudio.

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ESR no debe exceder 0.32 ×(d/2500) % de cualquier mes.

SESR no debe exceder 0.054 ×(d/2500) % de cualquier mes

N´otese que estos objetivos no son sino versiones escaladas de los objetivos corres-

pondientes al TDFR.

Grado Medio

La Rec. UIT-R F.696 establece los objetivos de calidad para un radioenlace que

forma parte de la secci´on de grado medio de una red de comunicaciones que

opera a una velocidad inferior a la primaria; estos objetivos se establecen en base

a una seccion digital ficticia de referencia (SDFR) definida en la Recomendaci´on

UIT-T G.801. La arquitectura de la SDFR es mostrada en la Fig. 7.4. Los accesos de

entrada y salida a la SDFR son las interfaces digitales normalizadas para las jerarqu

´ıas digitales empleadas en el sistema. La longitud Y de la SDFR se ha escogido

para representar secciones digitales presentes en redes operacionales reales, y es lo

suficientemente larga como para permitir una especificaci´on de calidad de

funcionamiento realista para sistemas radioel´ectricos digitales. Por el momento se

han identificado como apropiadas longitudes de 280 y 50 km para la SDFR.

Y km

X kbps X kbps

Equipo terminal

Equipo terminal

Figura 7.4: Secci´on digital ficticia de referencia (SDFR).

10 10

Los correspondientes objetivos de calidad para una SDFR de grado medio se pre-

sentan en el Cuadro 7.2.

Fraccion de tiempo para cualquier mesPar´ametro

Clase 1280 km

Clase 2280 km

Clase 350 km

Clase 450 km

ESR 0.036 % 0.16 % 0.16 % 0.4 %SESR 0.006 % 0.0075 % 0.002 % 0.005 %

Cuadro 7.2: Objetivos de calidad para un SDFR de grado medio.

Se hen definido cuatro clases de calidad para la SDFR; a cada una de las cuales se le

ha asignado un porcentaje fijo de deterioro de la calidad. Las clases 1 y 3 corresponden

a la clasificaci´on de ‘circuito de grado alto’, pudiendo tambi´en utilizarse un un

tramo de grado medio. Las clases 2 y 4 aplican u´nicamente para el tramo de grado

medio.

Si la longitud de la secci´on digital bajo estudio es menor que 50 km, los objetivos

de error ser´an los correspondientes a las clases 3 o 4, segu´n el grado de calidad

requerido. Si por el contrario la longitud de la secci´on bajo estudio es mayor que

280 km, los objetivos de error ser´an la suma de los objetivos de un nu´mero entero

de secciones de una misma clase cuya longitud combinada sea tan grande como la de

la secci´on bajo estudio.

Grado Local

La Rec. UIT-R F.697 establece los siguientes objetivos de calidad para un radioen-

lace perteneciente a la secci´on de grado local de una red de comunicaciones que

opera a una velocidad inferior a la primaria:

ESR no debe exceder 1.2 % de cualquier mes.

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SESR no debe exceder 0.015 % de cualquier mes

A diferencia de las especificaciones para las secciones de grado alto y medio, no se

propone ningu´n trayecto digital ficticio de referencia para las aplicaciones de grado

local. El circuito de grado local puede constar de uno o m´as sistemas de transmisi

´on y/o tramos radioel´ectricos; no se ha definido una longitud espec´ıfica, pero

longitudes del orden de los 10 km no son infrecuentes en la actualidad.

Objetivos de Calidad basados en la Rec. UIT-T G.826.

Los objetivos de calidad para circuitos que operan a velocidades superiores

a la primaria se muestran en el Cuadro 7.3; estos objetivos est´an basados en la

Recomendaci´on UIT-R F.1189. Este tipo de circuito est´a normalmente asociado

al tramo nacional de una conexi´on ficticia de referencia, el cual se divide en tres

secciones b´asicas: acceso, corta distancia, y larga distancia. La secci´on de acceso

incluye las conexiones entre el equipo del subscriptor y el correspondiente centro de

conmutacion de acceso local. La secci´on de corta distancia es la secci´on de red

entre centrales, incluyendo las conexiones entre una central local y un centro

primario, secundario o

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terciario. Por u´ltimo, la secci´on de larga distancia es aquella que incluye las

conexiones entre un CP, CS o CTe (dependiendo de la arquitectura de la red) y

una cabecera

internacional.

Velocidad (Mbps) 1.5-5 5-15 15-55 55-160 160-3500

ESR ( %) 4A % 5A % 7.5A % 16A % No definidoSESR ( %) 0.2A % 0.2A % 0.2A % 0.2A % 0.2A %BBER ( %) 0.02A % 0.02A % 0.02A % 0.02 % 0.01A %

Cuadro 7.3: Objetivos de calidad para radioenlaces de alta velocidad.

El factor A representa un peso que depende de la porci´on del circuito que

es considerada: acceso, corta distancia o larga distancia; sus valores est´an

especificados en el Cuadro 7.4. En dicho Cuadro d es la longitud de la secci´on de

larga distancia y

A1 es un factor cuyo valor est´a 0.015

Tipo de Secci´on

A

Acceso 0.075 - 0.085Corta Distancia 0.075 - 0.085Larga Distancia A1 + 0.01 × (d/500)

Cuadro 7.4: Valores del factor A.

13 13

7.3.3. Factores que influyen en la Calidad

Las siguientes son causas de degradaci´on de la calidad de la sen˜al en un

radioenlace: Errores producidos por anomal´ıas de propagaci´on

Interferencias

Imperfecciones en los equipos

Viento

De todas estas causas, la m´as importante son las anomal´ıas de propagaci´on

(es- pec´ıficamente, desvanecimiento plano y selectivo). Las consecuencias del

desvaneci- miento son

Reducci´on de la potencia recibida

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Incremento de la interferencia intersimbolica (importante en enlaces de mediana

capacidad (17/34 Mbps) y alta capacidad (70/140/200 Mbps))

La interrupci´on de un radioenlace digital ocurre frecuentemente a causa de este u

´ltimo factor.

Como se recordar´a, el efecto de la interferencia es el de producir un aumento en

el piso de ruido del receptor. En condiciones adversas este incremento puede producir

un aumento significativo de la tasa de error, llegando inclusive a ocasionar la

interrupci´on

del servicio. Por otra parte, la potencia de ruido t´ermico puede incrementarse enun equipo defectuoso o cuando ´este se acerca al final de su vida

u´til. Por

u´ltimo,

un mecanismo de degradaci´on de la calidad que por lo general es ignorado es

la influencia del viento sobre las antenas y las torres que las soportan: si la torre

no posee la suficiente rigidez las antenas oscilar´an, y como el ancho del haz de

una antena de microondas es normalmente de una pocas fracciones de grado se

presentaran fluctuaciones importantes en el nivel de la sen˜al recibida.

Consideraciones Pr´acticas

En la pr´actica es necesario que el disen˜o de un radioenlace est´e apegado a

los objetivos de error especificados en las Recomendaciones UIT-T G.821 y G.826;

sin embargo estas Recomendaciones no especifican c´omo estos objetivos deben ser

dis- tribuidos o escalados en una red real. Por lo tanto, es necesario que el ingeniero est

´e en capacidad de realizar suposiciones razonables al momento de disen˜ar un enlace,

ya que las condiciones correspondientes al TDFR rara vez ser´an encontradas en la

pr´actica. En general, es necesario considerar el tipo de servicio que va a ser

soportado por la red y el nivel de calidad ofrecido por otras alternativas a fines de

tomar decisiones

15 15

relativas a la asignaci´on de objetivos de calidad.

Al backbone de una red le ser´ıa normalmente asignada la porci´on de grado alto

del sistema; sin embargo, no hay reglas claras que permitan separar de forma inequ

´ıvoca las porciones de grado medio y grado alto en un sistema de telecomunicaciones:

esto queda al criterio del disen˜ador. En cuanto a la secci´on de grado local, y

como se mencion´o en una Secci´on anterior, ´esta comprende la conexi´on desde la

central local hasta el equipo terminal del subscriptor; en consecuencia podr´ıa

argumentarse que

los servicios de u´ltima milla pueden considerarse de grado local. Por ejemplo, los

sistemas celulares son generalmente disen˜ados con grado local; sin embargo, si la

red de transmisi´on va a transportar tr´afico de otros servicios adicionales al de

voz es recomendable disen˜ar en base a un est´andar de calidad m´as elevado.

Disponibilidad

La disponibilidad de un enlace es el porcentaje de tiempo durante el cual

´este est´a operativo y ofreciendo un nivel m´ınimo de calidad. El enlace no estar´a

disponible cuando el servicio sea interrumpido o cuando la degradaci´on de la calidad

sea tal que el enlace sea inutilizable. La definici´on formal de indisponibilidad es

la siguiente: un periodo de indisponibilidad comienza cuando se registran 10 SES

consecutivos en al menos un sentido de transmisi´on, o cuando la sen˜al digital

es interrumpida por 10 segundos consecutivos con la consiguiente p´erdida de la

sincronizaci´on y del alineamiento de trama. Tal evento se considera parte del

periodo de indisponibilidad, el cual cesar´a una vez que se registren 10 segundos

con ausencia de SES en ambas direcciones, con la consiguiente recuperaci´on de la

sen˜al digital.

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La Recomendaci´on UIT-R F.557 establece que la disponibilidad del TDFR

debe ser del 99.7 % del tiempo, consider´andose para ello un periodo lo

suficientemente

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