Figura 1: Las fuentes de ruido afectan la calidad de un sistema de ...

MEDICIONES SOBRE REDES DE COMUNICACIONES DE DATOS 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Redes de Comunicaciones Reales. Un sistema que se encuentra operativo o en la etapa de puesta en marcha puede verse afectado en su calidad de servicio por diferentes razones, destacándose las siguientes: • • •

Perturbaciones. Fallas en los equipos y degradación del medio de enlace. Errores de proyecto.

1.1.1 Perturbaciones. Todos los sistemas de comunicaciones operan en ambientes reales y los mismos son susceptibles de ser perturbados, ya sea por ruidos provenientes de fenómenos naturales (Rayos, tormentas solares, etc.), efectos colaterales

técnicas de protección con un adecuado sistema de puesta a tierra (como ya hemos señalado) y sobre las líneas de alimentación mediante protectores contra sobretensiones. Las fallas de un módulo o equipo debido a la degradación de sus componentes se encuentran contempladas dentro del MTBF (Mean Time Between Fairlures) que es el tiempo medio entre fallas dado por el fabricante. El MTBF representa el intervalo de tiempo dentro del cual al menos una falla surgirá en el equipo o módulo y se mide en horas. Algunos valores de referencia oscilan en las 50.000; 100.000 ó 150.000 horas. Otro factor, además del MTBF, es el MTTR (Mean Time To Repair) que es el tiempo medio para efectuar una reparación y comprende la demora del viaje al lugar de falla, localización de la misma dentro del equipo y la reparación y prueba de este. Dentro del proyecto de un sistema de comunicaciones debemos otorgarle especial atención a la Disponibilidad del mismo y se refiere al

14 bits transmitidos, 1 bit errado 0101010 1 001101

Nodo A

0101010 0 001101

Medio de Enlace

Nodo B

Fuentes Generadoras de Errores

Figura 1: Las fuentes de ruido afectan la calidad de un sistema de comunicaciones durante el procesamiento y transmisión de datos (Filtros de fuentes switching, inducciones, etc.) o por causa de la actividad humana (Ruido de motores eléctricos, inducciones, activación y desactivaciones de equipos eléctricos, etc.). Uno de las consideraciones para reducir el efecto de las perturbaciones es un adecuado proyecto del Sistema de Puesta a Tierra de los equipos involucrados en el proceso de transmisión, como así también la Equipotenciación, que consiste en que todos los equipos e infraestructura dentro de una sala de comunicaciones tengan el mismo potencial de referencia de tierra. Si bien el efecto inmediato de un adecuado sistema de puesta a tierra es reducir el ruido y como consecuencia la probabilidad de bits errados, también es un factor importante en la protección de los equipos. 1.1.2 Falla en los Equipos y Degradación del Enlace. Los equipos y sus módulos pueden fallar por causas ajenas al mismo o por degradación de sus componentes. En el primer caso se debe recurrir a

tiempo durante el cual se encuentra brindando servicio sin interrupciones. El valor ideal de la disponibilidad es 1, pero valores reales rondan en 0,999 lo cual es equivalente a que un sistema esté fuera de servicio durante 8,76 horas en el período de un año. Este valor puede mejorarse en los casos de tratarse de sistemas más exigentes como por ejemplo redes troncales de alto tráfico. Una manera de aumentar este factor es disponiendo de sistemas redundantes, es decir, que las etapas más criticas de un sistema se encuentren duplicadas. Como ejemplo podríamos citar las etapas de potencia salida de los equipos de radio, el canal principal de un multiplexor, sistemas de energía, etc., tal es el ejemplo de la Figura 2 donde observamos la vista posterior de un multiplexor con sus módulos principales redundantes. Otro método es disponiendo de vínculos alternativos, por ejemplo mantener un servicio activo a través de un radioenlace y si este falla, automáticamente conmutar hacia un vínculo de fibra óptica. Disponer

de una buena cantidad de tarjetas o módulos de repuesto en el sitio de operación es una alternativa también importante.

Foto gentileza RAD

Módulos de fuente de alimentación redundantes

En redes operativas es conveniente establecer planes de mantenimientos correctivos y/o preventivos a los efectos de minimizar la cantidad de fallas y aumentar la disponibilidad de la misma, tal como analizaremos en puntos siguientes. 1.1.3 Errores de Proyecto. Surgen debido a factores no consi derados en la etapa previa o durante el proyecto, ya sea por un relevamiento erróneo o falta de información. Entre los factores importantes a tener en cuenta mencionamos los siguientes: •

Módulos controladores redundantes

Módulos de canal principal redundantes

• •

Figura 2: Vista posterior de un multiplexor con sus módulos redundantes La disponibilidad de un equipo o parte de este, está dada por la relación existente entre el MTBF y MTTR según la siguiente expresión: D=

MTBF MTBF + MTTR

(1)

De todas las variables presentadas, la reparación es la más crítica desde el punto de vista que no siempre es posible la reparación en sitio y tampoco en los laboratorios locales, ello debido a limitaciones del tipo tecnológicas con lo cual se debe enviar la placa, módulo o equipo a reparar a la fábrica de origen. Es por ello que se recomienda un lote de repuestos que conjuntame nte con un adecuado plan de mantenimiento preventivo y correctivo es posible llegar a tiempos de MTTR requeridos para una alta disponibilidad. Otro de los aspectos a considerar en las redes operativas es la degradación del medio de enlace debido a factores varios, entre ellos mencionaremos los siguientes: •

•

• •

Radioenlaces Digitales. Desalineación de antenas, intermitencias en los conectores, ingreso de agua en los conectores y uniones debido a una insuficiente protección, cambios en las condiciones de propagación, etc. Cables Multipares. Pérdidas entre pares debido a la presencia de humedad, sulfatación de cables, fallas en las conexiones, radios de curvaturas mínimos no respetados (Con su consecuente deformación mecánica), etc. Fibra Óptica. Curvaturas o microcurvaturas, fallas en los empalmes mecánicos, fisuras por esfuerzos mecánicos, etc. Cable Coaxil. Pérdidas debido a la presencia de humedad, sulfatación del cobre, deformación por protecciones mecánicas inadecuadas, radios de curvaturas mínimos no respetados, etc.

• • • • • •

Capacidad energética del nodo de comunicaciones. Sistema de puesta a tierra y protecciones. Análisis de los sistemas de radio existentes y sus frecuencias de operación. Análisis espectral. Condiciones ambientales: temperatura y humedad. Obstrucciones existentes en el trayecto de un radioenlace. Análisis de los accidentes geográficos a los efectos de la propagación. Análisis del tipo de terreno para los tendidos subterráneos. Análisis de la capacidad de tráfico disponible.

2.MEDICIONES 2.1 Introducción. Un mecanismo para garantizar el envío de información entre dos entes, es decir que un usuario A envíe información a otro B y viceversa de la manera más rápida y confiable posible, es el empleo de algoritmos detectores y correctores de errores sobre la información transmitida y recibida. Debemos tener en cuenta que los algoritmos se aplican sobre las señales recibidas por el receptor provenient es del medio de enlace en uso. Esto trae aparejado, en el caso de gran cantidad de errores recibidos, tiempos de procesamiento y pedidos de retransmisión de la información. Estos tiempos están presentes tanto en los sistemas que emplean métodos de retransmisión de las tramas recibidas como en los de control de errores hacia adelante, FEC (Forward Error Control). Una manera de asegurar la calidad del servicio y aumentar la disponibilidad del mismo luego de realizado el proyecto e instalada la red es confeccionando los Protocolos de Medición y Verificación durante la puesta en marcha y verificaciones periódicas mediante mantenimientos preventivos. Los protocolos de medición y verificación consisten en una serie de mediciones sobre los equipos instalados y en operación, en los cuales se verifica que estén operando de acuerdo a las especificaciones del fabricante y del proyecto. El

protocolo debe estar compuesto como base por los siguientes datos: • • • •

• • • • •

Fecha de inicio de las mediciones. Fecha de finalización. Técnicos intervinientes. Instrumental empleado, marca, modelo y número de serie. Deben poseer los correspondientes certificados de calibración por entes autorizados. Marca, modelo, versiones de firmware y número de serie de los equipos a medir. Detalle de los parámetros a medir. Especificaciones del proyecto referenciales. Frecuencia de operación. Coordenadas de los sitios.

Este análisis se lleva a cabo con instrumentos de medición que nos permiten determinar el estado y la calidad de una red y de ser necesario mejorarla. Existe una amplia variedad de instrumentos en el mercado para la realización de estas mediciones, algunos de los cuales analizaremos seguidamente. 3. MEDICIÓN BER 3.1 Definición de BER. Una de las mediciones más frecuentes en sistemas de transmisión digitales es el BER (Bit Error Rate) y se lo define como la relación entre el número de bits errados al ser recibidos por el receptor y el número de bits totales transmitidos en un determinado intervalo de tiempo durante una comunicación, relación indicada en la expresión (2). BER =

Númerodebitserrados Númerodebitstransmitidos

(2)

Otra definición equivalente a la anterior vincula al número de bits transmitidos con el Bit Rate y al Tiempo de Medición y es la indicada en la siguiente expresión: BER =

Númerodebitserrados BitRate × Tiempodemedición

(3)

Este tipo de medición es aplicable a una gran varieda d de sistemas punto a punto, pudiéndose evaluar el funcionamiento a nivel troncal de una red o segmentos parciales, como por ejemplo de última milla. Mencionaremos a continuación algunos casos de aplicación: • • •

Medición de una conexión vía módem que emplea como medio de enlace cable coaxil, fibra óptica, radioenlace, etc. Medición de una trama E1 de un radioenlace a microondas. Medición de subcanales de un multiplexor.

Supongamos el siguiente ejemplo, sí entre dos puntos transmitimos a una velocidad de 2048 Kbps (trama E1) durante una hora y la cantidad de bit errados es de 345 bits, el BER tomara el siguiente valor: BER =

345 = 4,679 10 − 8 2,048 10 6 1 × 3600 s s

(4)

Luego, si durante el mismo lapso de tiempo (Elapsed Time) la cantidad de bits errados hubiese sido de 3 bits, el BER sería: BER =

3 = 4,069 10 −10 2,048 10 6 1 × 3600 s s

(5)

Podemos observar que el BER disminuye (mejora la tasa de error) a medida que la cantidad de bits errados también lo hace o se mantiene cons tante y el tiempo transcurre. Cuanto mayor es el tiempo de medición, mejor será la apreciación sobre la calidad del enlace, ya que si en el segundo ejemplo extendemos el tiempo de medición a 10 horas y solo se hubiesen errado 3 bits debido a un hecho totalmente aleatorio durante la primera hora de medición, el resultado hubiese sido 4.069 x 10-11. Frecuentemente encontraremos la expresión BERT (Bit Error Rate Test) que se refiere a la prueba de medición de la tasa de error. 3.2 Instrumento Medidor de BER. El medidor de BER es un instrumento que genera un patrón de ceros y unos denominado PRBS (Pseudo Random Bit Sequence). Dicho patrón pseudoaleatorio es generado por un registro de desplazamiento de longitud L y entrega secuencias de longitud 2L-1. Existen estandarizados por el ITU-T patrones cuyas longitudes son de 63; 511 y 2047 bits. Para visualizar los datos, posee un display en el cual podemos observar los siguientes parámetros, entre los más importantes: • • • • • • • •

BER. Tiempo transcurrido de la medición. Cantidad de bits transmitidos. Cantidad de bits errados. Pérdidas de señal de datos. Pérdidas de sincronismo. Estado de los circuitos de las señales digitales. Rec. G.821 y G.826.

Para el envío de la secuencia PRBS el instrumento posee un puerto cuya interface, a seleccionar, puede ser del tipo G.703, V.35, TIA/EIA-232-F, etc. de acuerdo al puerto de acceso al medio de enlace. En muchos casos el cambio de interface se realiza por medio de módulos intercambiables del tipo hop

instrumento marca ACTERNA, modelo EDT 135 indicado en la Figura 5. Otra pantalla de gran utilidad en los instrumentos medidores de BER es aquella en la cual se indican el estado de cada uno de los circuitos digitales, tal es el caso presentado en la Figura 6 que corresponde al estándar TIA/EIA -232-F.

Foto gentileza Acterna

swap (Capa cidad de conectar y desconectar un módulo con el equipo encendido). En la Figura 3 podemos observar un medidor de BER marca RAD, modelo HBT y la vista posterior del mismo en la cual se detalla la extracción del módulo de interface.

Módulo removible

Figura 5: Instrumento medidor de BER, marca ACTERNA. Obsérvese las dimensiones de la pantalla de presentación

Foto Gentileza RAD

Vista posterior

Figura 3: Medidor de BER, marca RAD y vista posterior con su módulo de interface removible Otros instrumentos, además de los parámetros ya mencionados, indican mediante un Histograma, presentado en la Figura 4, en que momento de la medición ocurrieron los errores, permitiendo de esta

En los circuitos 103; 104; 114 y 115, las flechas en oposición indican que dichas señales están permanentemente cambiando de estado, reflejando de esta manera la actividad del puerto. Pueden observarse también el estado de las señales de control. En el momento de la medición, observando la pantalla que indica los bits errados y la del estado de las señales digitales, podemos evaluar bajo que circunstancia se genera el error. Foto gentileza ACTERNA

Foto gentileza ACTERNA

Figura 4: Histograma presentado por instrumento EDT 135. Tiempo de medición 60'

el

manera realizar un diagnóstico más preciso sobre el origen del error. La cantidad de bits errados se representa mediante barras distribuidas en un eje temporal. Como ejemplo, podemos citar al

Figura 6: Presentación del instrumento EDT 135 de las señales digitales 3.3 Esquemas de Medición. En la Figura 7 se esquematizan una medición en un sistema punto a punto compuesto por dos módems y vinculados por un determinado medio de enlace. Los medidores de BER se encuentran conectados a los módems en ambos extremos. El del extremo A envía en forma continua el patrón PRBS hacia el extremo B y el medidor ubicado en este extremo

Diagrama gentileza RAD

Extremo A

Extremo B Medio de Enlace

LBT

LBT

RCV BLK: ERR BLK:

RCVBL K: ERRBL K:

Módem TD RD

RD

RD

TD RD

ERR LOSS RESET

RD

Módem

RD RD

TD

RESET

RESET

RUN/STOP

RTS ON

OFF

ROWER ON OFF

RD

RD RD

TD

ERR LOSS

SET UP

Medidores de BER

RESET

RESET

RESET

RUN/STOP

RTS ON OFF

RD

RD RD RD

SET UP

ROWER ON OFF

Figura 7: Esquema de medición básico con dos instrumentos medidores de BER

BER =

10 4 = 1,130 10 −7 2,048 10 1 × 12 × 3600 s s 6

En el histograma de la Figura 8 la aparición de los bits errados nos hace pensar en un hecho fortuito, que pudo deberse al ruido generado por una fuente externa, por ejemplo el accionamiento de un sistema eléctrico, un rayo, etc. Una causa de la aparición de este tipo de eventos suele ser la falta de puesta a tierra de la red.

105 Bits Errados

verifica que el patrón recibido coincida con el que este posee. Este mismo procedimiento se cumple de B hacia A, es decir la medición es bidireccional. En caso de recibir uno o más bits errados en alguno de los instrumentos, observaremos una indicación con el incremento en el BER. Es posible que durante la medición uno de los instrumentos indique una buena tasa de error, por ejemplo 3 x 10 -11 , y el otro este indicando 2,44 x 10-3. Evidentemente el enlace en un sentido funciona correctamente y en el otro se encuentra degradado. Si bien esta medición nos permite realizar una evaluación del estado del vínculo, no posibilita avanzar mas en nuestro análisis ya que no sabemos en que momento se produjeron los errores y bajo que circunstancias. Esto significa que si bien el origen de los bits errados es una fuente de ruido o algún tipo de falla en los equipos, no podemos conocer en que tiempo y las causas y determinar también si los mismos ocurrieron de manera aleatoria o en forma de ráfagas. Teniendo en cuenta este análisis, podemos apreciar la importancia de contar con el histograma ya mencionado. En las Figuras 8 y 9 se presentan dos ejemplos en los cuales el tiempo de medición es de 12 horas y la cantidad de bits errados es de 10.000 bits. Suponiendo que el bit rate es de 2048 Kbps, el BER será:

10 4 103

102 101

0 0

1

2

3

4

5 6 7 Tiempo (hs)

8

9

10

11

12

Figura 8: Histograma en el cual se representa una ráfaga de errores Si los errores ocurren con una distribución según la Figura 9, el problema se encuentra centrado en una falla en el funcionamiento del sistema o error de proyecto. Ejemplos, de acuerdo al medio de enlace, son los siguientes: •

•

• •

Radioenlaces: Bajos niveles de señal en el receptor y próximos a los umbrales de sensibilidad, interferencias de otros enlaces, desvanecimientos por reflexiones, etc. Cable Coaxil: Bajos niveles de señal en el receptor, desadaptaciones de impedancia, ruido presente en el cable debido a la circulación de corrientes parásitas. Cable Multipar: Desadaptaciones, Crosstalk, empalmes, superación de las longitudes máximas permitidas, etc. Fibra Óptica: Niveles de curvatura de la fibra superiores a los permitidos, deformaciones, fallas en los empalmes, etc.

No debe descartarse el mal funcionamiento de algunos de los equipos conectados o una incorrecta configuración por ejemplo: Fuentes de reloj, bit rate, selección de bits de paridad o códigos, etc.

estado un solo equipo, por ejemplo un módem desde su interface digital hasta la puerta analógica.

Bits Errados

105

10 4

3.4 Métodos de medición. Como ya indicamos la medición de BER se puede realizar mediante el empleo de dos instrumentos ubicados uno en cada extremo de la red. Bajo estas condiciones estamos midiendo el sistema Transmisor A-Medio de Enlace-Receptor B en un sentido y el sistema Transmisor B-Medio de EnlaceReceptor A en el sentido opuesto. Es una medición del tipo punto a punto en la cual medimos cada uno de los canales de comunicación del medio de enlace. Una de las facilidades que poseen incorporada los medidores de BER es la inyección de bits que generan errores sobre el patrón de medición transmitido.

103

102 101

0 0

1

2

3

4

5 6 7 Tiempo (hs)

8

9

10

11

12

Figura 9: Histograma con una distribución aleatoria de errores Otro esquema de medición es empleando un solo instrumento medidor de BER y recurriendo al empleo de loop`s definidos dentro del estándar V.54 del ITUT serie V. Definimos un loop como un circuito que

Loop Analógico Local

LBT

LBT

R C VBL K : E RRBL K :

R CV B LK : E RR B LK :

Loop 3 TD RD RD RD TD RD RD

ERR LOSS RESET RESET

RESET

RD RD

TD RD

SET UP

RUN/STOP

RTS O N OFF

Módem

RESET

Módem

OROWER N OFF

LBT R CVB LK : E RRB LK :

Loop 2 RD RD RD

TD RD

SET UP

RD RD TD RD RD RD RD

ERR LOSS RESET RESET

RUN/STOP

RTS O N OFF

RTS O N OFF

Loop Remoto

LBT R C VBL K : E RRBL K :

ERR LOSS RESET RESET

SET UP

RESET RUN/STOP

OROWER N OFF

TD RD RD RD TD RD

RD RD TD RD RD RD RD

ERR LOSS RESET RESET

SET UP

RESET RUN/STOP

Módem

ROWER O N OFF

Módem

RTS O N OFF

ROWER O N OFF

Loop Digital Local LBT

LBT

R C VBL K : E RRBL K :

TD RD RD RD TD RD RD

ERR LOSS

R CV B LK : E RR B LK :

Loop 2 RD RD

TD RD

RD RD TD RD RD RD RD

ERR LOSS

SET UP

RESET

RESET

RESET

RESET

RUN/STOP

RESET RUN/STOP

RTS O N OFF

Módem

ROWER O N OFF

Sitio Local

Módem

SET UP

RESET

RTS O N OFF

ROWER O N OFF

Sitio Remoto

Figura 10: Enlaces a los cuales se les han aplicado los loop´s definidos por la Rec. V.54 permite el retorno de la misma señal a la fuente de origen. La señal patrón enviada por una línea retorna por otra al mismo punto de partida debido a una conexión física o virtual en el extremo opuesto al de conexión del instrumento. Una de las desventajas que presenta este método es que los errores detectados corresponden a los del camino de ida y vuelta del enlace, hecho que no nos permitirá detectar si el inconveniente se encuentra en un sentido o en ambos. Un ejemplo de una medición aplicando un loop analógico local es el indicado en el primer esquema de la Figura 10 en el cual podemos verificar el

Mediante un pulsador o en forma automática se pueden inyectar bits de error a los efectos de evaluar el esquema de medición planteado y su correcto funcionamiento. Muchas veces, en el supuesto de existir errores, es dificultoso determinar en que sector de la red se encuentra la falla. Para realizar un análisis más exhaustivo sobre el origen de los errores, se emplean diferentes loop’s o retornos que nos permiten aislar el sistema por etapas y que se encuentran definidos por la Rec. V.54 del ITU -T, Serie V, como ya señalamos. Dentro de la recomendación, apli cable a un sistema

DTE-DCE-DCE-DTE, se encuentran definidos 4 tipos de loop´s y la ubicación de cada uno de ellos están

Loop 1

DTE A

Loop 3

DCE A

Este tipo de medición es del tipo cualitativa, ya que no podemos determinar cuan degradado está el

Loop 4

Loop 2

DCE B

DTE B

Figura 11: Diagrama en bloques señalando los diferentes loop´s de acuerdo con la Rec. V.54 indicados en las Figuras 10 y 11. Basándonos en los esquemas de la Figura 10 describimos seguidamente cada uno de ellos. 3.4.1 Loop Analógico Local. En el primer esquema de medición se observa un Loop 3, denominado Loop Analógico Local, que consiste en un puente interno desde la etapa de salida de la señal de banda base hacia la entrada del receptor del canal de la misma etapa. Esto signi fica que el instrumento al enviar un patrón de medición al módem local recorrerá su circuito analógico interno aislándose del resto del si stema y poder evaluar así el estado del módem local. 3.4.2 Loop Digital Remoto. En el segundo esquema de medición, se observa un Loop 2 mediante el cual el módem local envía un comando al módem remoto y realiza este un loop a nivel de la puerta digital. Esto significa que mediante un puente interno en el puerto digital remoto la señal digital del circuito de salida (RXD para el DCE) es reinyectada a la entrada del circuito digital (TXD para el DCE). Este loop es denominado Loop Remoto Digital y permite evaluar el estado del sistema hasta la lógica interior del puerto digital del equipo remoto. 3.4.3 Loop Digital Local. En este caso en el módem local se realiza un loop en el puerto digital hacia el sistema remoto, permitiendo al instrumento de medición remoto evaluar la red hacia el local. Esto significa que mediante un puente interno en el puerto digital local, se reinyecta hacia el sistema la señal decodificada y previo a salir por el circuito RXD hacia el codificador del circuito de transmisión. Estos tres tipos de loop's se encuentran disponibles en los módems mediante el empleo de un comando por software o por hardware mediante un pulsador. En el equipo de la Figura 12 que es un módem banda base típico, los tres primeros pulsadores se emplean para realizar los loop´s V.54. Es común la existencia de un pulsador para la generación de un patrón de pruebas que se activa luego de seleccionar el tipo de loop. Un indicador luminoso ubicado en el frente del equipo comenzará a destellar en el caso de detectarse la presencia de errores.

enlace pero es muy útil en caso de no poseer el instrumental adecuado.

Pulsador para Loop Digital Local (Loop 2) Pulsador para Loop Analógico (Loop 3)

Pulsador para Generación de un Patrón de Prueba Pulsador para Loop Digital Remoto (Loop 2)

Figura 12: Vista frontal de un módem del tipo banda base en la cual se pueden observar los pulsadores para pruebas según la Rec. V.54 En muchos casos en los cuales se deben realizar mediciones por tiempo prolongado y en sitios remotos, es común dejar el medidor Corriendo la prueba y vía módem acceder en forma remota desde el centro de soporte técnico. Por lo general, el sitio de monitoreo y control suele encontrarse a cientos o miles de kilómetros de la red en estudio. Desde los sitios de control se pueden ejecutar todas las facilidades del instrumento y observar los parámetros de medición dados por el mismo mediante el empleo de una terminal implementada mediante una PC. En la figura 13 se ejemplifica una medición de las características descriptas. Entre las ventajas que brinda esta posibilidad, es la de almacenar los resultados de la medición por un tiempo indefinido en el disco rígido o cualquier tipo de soporte magnético y el ahorro de costos en personal y equipos. 3.5 Presentaciones. La información suministrada por el medidor de BER se presenta generalmente en pantallas de cristal liquido en la cual se pueden visualizar diferentes parámetros de evaluación que describiremos seguidamente:

ET (Elap sed Time). Tiempo transcurrido. Es el tiempo transcurrido desde el momento de iniciación de la medición. BE (Bit Error). Bits Errados. Cantidad de bits errados durante el tiempo de medición.

• •

Un BER menor que 10-6 para un intervalo To de 1 minuto. Un BER menor que 10-3 para un intervalo To de 1 segundo.

Red Telefónica ó Red de Comunicaciones Privada.

Modem Sitio de Gestión y Control

Medidor de BER

Medidor de BER

Nodo A

Nodo B Medición de BER punto a punto

Figura 13: Medición de BER desde un sitio remoto EFS (Error Free Second). Segundos Libres de Error. Segundos de medición libres de error durante el tiempo de medición. Bit Rate. Velocidad de Transmisión. Nos da la velocidad de transmisión de la información durante el tiempo de medición. Total Bits. Total de Bits Transmitidos. Es el total de bits transmitidos durant e el tiempo de medición. BER. Bit Error Rate. Es la relación entre el número de bits errados y el número de bits transmitidos sin contar las pérdidas de sincronismo, segundos sin señal, slips, etc. Las Recomendaciones dadas por el ITU -T detallan diferentes parámetros de medición detallados en la G.821, G.826 y M.2100. 3.5.1 Recomendaciones ITU-T. Dentro de las recomendaciones del ITU -T orientadas a las mediciones de BER se encuentran la G.821, G.826 y M.2100. 3.5.1.1 G.821. Es una Recomendación desarrollada para velocidades de transmisión inferiores a 2 Mbps, la cual fija objetivos de características y comportamiento de una red en términos de Error Perfomance Parameters según la siguiente definición: El porcentaje de intervalos de tiempo dentro de un tiempo To durante los cuales el BER excede ciertos niveles de tolerancia. Los niveles de tolerancia o umbral (Threshold Value) son los siguientes:

Cero errores para un intervalo de tiempo de 1 segundo. Entre los parámetros posibles de medir dentro de esta recomendación se encuentran: DM (Degraded Minutes). Minutos degradados. Menos de un 10% del tiempo de intervalos de un minuto posee un BER peor que 10-6 durante el tiempo de disponibilidad de la medición. SES (Severely Errored Second). Segundos Severamente Errados. Menos de un 0,2 % de un segundo posee un BER peor que 10-3. ES (Errored Second). Segundos Errados. Menos de un 8% de intervalos de un segundo posee algún bit errado. Available Time. Un período de indisponibilidad comienza cuando el BER en cada segundo es peor que 10-3 durante 10 segundos consecutivos. 3.5.1.2 G.826. Es una Recomendación para velocidades superiores a 2 Mbps y está basada en el análisis de las características y comportamiento de una red en función de patrones de medición compuestos por bloques de bits. Un bloque es un conjunto de bits consecutivos agrupados y de una determinada longitud, dependiendo de la velocidad de transmisión y especificados en la Tabla 1. Dentro de esta recomendación se encuentran definidos los siguientes parámetros de evaluación de una red y factibles de medir con un medidor de BER. •

Velocidad Mbit/s

1,5 a 5

>5 a 15

>15 a 55

>55 a 160

>160 a 3500

Bits/ Bloque

800 5.000

2.0008.000

4.000 a 20.000

6.000 a 20.000

15.000 a 30.000

Tabla 1: Tamaño del bloque de prueba según la velocidad de transmisión y de acuerdo a los requerimientos de la Rec. G.826. EB (Errored Block). Bloques Errados. Es un bloque con uno o más bits errados. ES (Errored Second). Segundos Errados. Períodos de un segundo con uno o más bloques con al menos un defecto. SES (Severely Errored Second). Segundos Severamente Errados. Un período de un segundo el cual contiene más de un 30% de bloques con bits errados. ESR (Errored Second Ratio). Porcentaje de Segundos Errados. Es la relación entre los ES y el tiempo total (en segundos) durante el cual se desarrolló la medición. SESR (Severely Errored Second Ratio). Porcentaje de Segundos Severamente Errados. Es la relación entre los SES y el tiempo total (en segundos) durante el cual se desarrolló la medición. Ejemplo. A modo de ejemplo supongamos un medio de enlace que trabaja con tramas de 2048 Kbps y evaluamos al mismo con bloques patrones de 800 bits. Esto significa que se trasmiten 2.560 bloques de 800 bits por segundo. Hablar de SES, significa que de los 2.560 bloques transmitidos, 768 contienen bits errados. Una cantidad consecutiva de SES puede ocasionar períodos de indisponibilidad de una red de comunicaciones, hecho que es grave ya que todos los sistemas dejarían de operar correctamente. 3.5.1.3 Recomendación M.2100. El incremento de redes privadas dando servicios en forma conjunta con las redes oficiales de telecomunicaciones requirieron de otras exigencias a los efectos de la puesta en servicio y reducción de costos. La s Recomendaciones M.2100 ofrecen varias ventajes respecto de las G.821 y G.826, como por ejemplo los períodos de pruebas para las verificaciones son mas cortos (por ejemplo 7 días en lugar de 28 días para la puesta en servicio de un sistema). Los parámetros de medición se han racionalizado para ser los mismos en todas las velocidades así como también el volumen de pruebas. Esta serie de recomendaciones está compuesta por la M.2100, M.2110 y la M.2120. Básicamente, las primeras pruebas se realizan durante 15 minutos con el sistema fuera de servicio (OOS, Out Of Service), luego durante 24 horas con el sistema en servicio (ISM, In Service Monitor) y si el test no pasa correctamente estas pruebas se extienden por una semana.

La tendencia es que los equipos de radio ya posean incorporado en su menú de pruebas la recomendación M.2100 a los efectos de realizar las pruebas ISM. 3.5.1.4 Consideraciones del Apéndice II de la Recomendación G.826. En los sistemas que se basan en tecnologías de transmisión digital, un bit errado puede deteriorar la calidad de la transmisión. Esta consideración es bastante obvia ya que el incremento en la cantidad de bits errados de manera descontrolada provoca la indisponibilidad del servicio. La relación entre la cantidad de bits errados y la cantidad total de bits transmitidos nos da el parámetro ya definido como BER y es un indicativo de la Perfomance de la red. El BER puede ser solo medido si la estructura de la secuencia de bits transmitidos es conocida. Para cumplir con esto se emplean las secuencias PRBS (Pseudo Random Bit Sequences). Esta secuencia empleada para la medición reemplaza los que en la práctica es la información transmitida, es decir reemplaza la información In-Service. Esto significa que la prueba de BER o BERT puede realizarse solo con el sistema fuera de servicio u Out-of-Service. Los errores de bloques son procesados de manera similar a los errores de bits y de la misma manera está definido como la relación entre la cantidad de bloques errados y la cantidad de bloques transmitidos. Por las características de los bloques de medición estos se aproximan al procesamiento real de la información durante la prestación de servicios. La filosofía de la Recomendación G.826 está basada en la medición de la tasa bloques y no de bits errados, haciendo que de esta manera la medición se asemeje a la información In-Service. 4 RADIOENLACES DIGITALES 4.1 Introducción. En los sistemas basados en radioenlaces digitales no hay una medición que por sí sola nos indique la calidad final del enlace, es necesario por lo tanto efectuar una serie de mediciones y tener en cuenta muchas consideraciones específicas para obtener una conclusión en cuanto a la calidad del sistema. La señal digital, al ingresar al radio, modula a una portadora, para luego ser transmitidas hacia el extremo opuesto. Basándonos en que las señales digitales son discretas, es decir adoptan estados lógicos "1" o "0", y se van sucediendo a una determinada velocidad de acuerdo a la cantidad de información a transmitir, existe un instante ideal para el muestreo y detección del nivel lógico que se ha transmitido de tal manera de poder ser muestreado e interpretado.

QPSK

16 QAM

Figura 14: Constelaciones para diferentes tipos de modulación Para el ejemplo de la modulación 16 QAM, en la Figura 15 se ha ejemplificado un diagrama de I-Q de un sistema que se encuentra afectado por la presencia de Ruido. I

Q

un tiempo prolongado para evaluar el comportamiento del enlace en diferentes períodos prolongados (Long Term), en los cuales las condiciones de propagación varían, por ejemplo en épocas de muchas lluvias, nevadas, frío o calor. Junto con la medición de jitter, constituyen una par de mediciones esenciales para determinar el estado del radio digital a nivel de datos. Durante la medición de jitter es importante verificar no solo que los valores se encuentren dentro de los establecidos por la norma, sino que se debe verificar cuan marginal está. Esto se realiza generando señales con jitter e ir aumentando su componente para diferentes frecuencias del mismo. Una vez fijado el criterio de tasa de error, por ejemplo 10-3 o 10-6, se parte de una señal de prueba sin componente de jitter y por pasos se va aumentando en porcentajes de IU hasta que comenzamos a detectar bits errados. Para este tipo de mediciones, tanto el generador como el medidor de jitter y el medidor de BER se encuentran integrados en un solo instrumento. Recordemos la definición de Jitter dada por la Rec. G.701 del ITU -T, serie G que define al jitter como: Variaciones de corta duración y no acumulativas de los instantes significativos de una señal digital con relación a las posiciones que teóricamente debería ocupar en el tiempo, debiendo aclarar que los instantes significativos son el flanco ascendente y descendente de la señal. Esto significa que el jitter es una modulación de fase, no deseada, de la señal digital. La unidad de medición del jitter es el I.U. (Intervalo Unitario), es equivalente al tiempo de bit. Con respecto a la verificación de los parámetros de diseño del radioenlace, el fabricante frecuentemente suministra la curva AGC vs. RSL, la cual nos permite encontrar el punto de alineación de las dos antenas del enlace, de manera tal de obtener en cada receptor el RSL de cálculo. Figura 16. AGC (Volt)

Ese instante debe estar en sincronismo con la fuente de reloj interna del radio digital, el reloj debe estar en fase con la señal a muestrear. Una de las mediciones para determinar las diferencias de fase entre la señal modulada y la fuente de reloj en los circuitos moduladores y demoduladores es mediante el diagrama de I-Q. La visualización de la señal modulada puede hacerse mediante un osciloscopio de muestreo en al cual en el canal vertical y horizontal se aplican las componentes en fase y en cuadratura respectivamente de la portadora modulada y en la entrada del control de muestreo la señal de reloj. En los diagramas mostrados en la Figura 14 podemos observar las constelaciones ideales para diferentes tipos de modulación.

Nivel de AGC esperado 2,8 Volt

4

3

2

Diagrama Real

Figura 15: Efecto del ruido en el diagrama I-Q

1

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

RSL (dBm)

Otra medición que ya hemos analizado es la tasa de error. Esta medición suele realizarse por períodos de 24 o 48 horas. En muchos casos, si se dispone de un canal auxiliar en el radio digital (esto es para realizar mediciones sin interrupción del servicio), es conveniente dejar al instrumento midiendo durante

Valor de cálculo -55 dBm

Figura 16: Curva en la cual se representa el AGC en función del nivel de señal recibido La medición del nivel de AGC (Automatic Gain Control) o nivel del control automático de ganancia

Signal

ya que el volumen y la importancia de la información que se transmite entre ambos puntos impide que se pueda interrumpir.

Movimiento de la antena para lograr el máximo enfrentamiento entre lóbulos

Antena A

Unidad de RF

Lóbulos secundarios

Antena B

Unidad de RF

nos permite determinar el RSL (Receive Level) o nivel de señal de radiofrecuencia recibida en el extremo receptor.

αˆ

Lóbulo principal

AGC Nivel óptimo de AGC

2,8 Volt

Test Point AGC Picos debido a los lóbulos secundarios

Instrumento de medición 2,80

αˆ

Ángulo que representa el movimiento de la antena

Figura 17: Método de alineación en enlaces micro-ondas El AGC es una tensión de continua que posee una relación funcional con el RSL y podemos medirlo en un punto de prueba (Test Point) el cual viene provisto en la mayoría de los radios digitales y es accesible para el técnico. Por ejemplo, se ha dimensionado un sistema de radioenlace para un nivel RSL en -55 dBm, que proyectado en la curva de la Figura 16, nos da que el nivel de AGC es aproximadamente +2,8 volt. En el momento de la alineación, el técnico que se encuentra realizando esta tarea mide con un voltímetro y a medida que desplaza la antena observa el instrumento hasta encontrar el nivel de AGC de cálculo. En la figura 17 se detalla la técnica de alineación descripta. En situaciones en las que la tasa de error es elevada y los errores ocurren durante un período de tiempo y en forma aleatoria es conveniente instalar un Registrador que permanente va midiendo el nivel de AGC. En muchos casos el desvanecimiento del RSL (que se manifiesta a través del AGC) se debe a problemas de propagación y por factores que no se han tenido en cuenta en el proyecto. El registrador va midiendo y almacenando valores de nivel de AGC por intervalos de tiempo que se configuran de acuerdo a las necesidades. Como observamos en la Figura 18, la medición de BER y el registro del nivel de AGC deben hacerse en forma simultánea, de esta manera se podrá evaluar la relación entre los bits errados y las variaciones de AGC. En sistemas que se encuentran operativos, es problemático realizar estas mediciones out -of-service

SITIO A

SITIO B

Registradores

Medidores de BER

Figura 18: Esquema de medición mediante el empleo de un registrador Las opciones para la conexión del medidor de BER son el empleo de un canal de datos vacante o realizar la medición a través del canal de servicio del radio. Los resultados obtenidos luego de un determinado tiempo de medición se comparan y analizan en forma conjunta. Según observamos en la Figura 19 los bits errados se suceden en el momento en el cual el nivel de AGC decae hasta valores menores de un volt, que de acuerdo a la curva de AGC vs. RSL equivale a un valor de señal menor de -80 dBm, según la proyecci ón en la curva de la Figura 16).

Foto gentileza ACTERNA

-30

-40

Marcas de medición de frecuencia -50 ∆F=20MHz -60

Señal interferente -70

-80 6 -90

5 4

CENTER 7.2450 GHz

SPAN 20.00 MHz

3 2

Figura 20: Espectro de una señal de radio modulada y la señal interferente.

1 0

Tensión de AGC vsTiempo (Minutos)

Figura 19: Ejemplo de resultados obtenidos del esquema de medición de la Figura 18. Obsérvese la caída del nivel de AGC en la incidencia de los bits errados Otra medición que nos da información sobre el grado de interferencia que puede estar afectando al enlace de radio, es la del espectro de radio en la banda de operación del mismo. Si en el análisis del histograma observamos una distribución continua de los bits errados, una de las posibles causas es que una señal de radio externa esté interfiriendo al enlace bajo análisi s, por tal motivo es conveniente examinar las componentes de frecuencia en el entorno de nuestra frecuencia de trabajo. Dicha medición se realiza con un Analizador de Espectros que es un instrumento que presenta en una pantalla las señales de radio en el dominio de la frecuencia. Frecuentemente, salvo la existencia de test point (TP), para realizar esta medición se requiere la interrupción del servicio ya que debe conectarse directamente en el conector de la línea de transmisión de bajada desde la antena. Entre las mediciones más importantes que podemos mencionar están las siguientes: • • • •

Visualización del espectro de radiofrecuencia. Medición de la relación señal a ruido. Observación de interferencias. Medición del espectro de la señal recibida.

En el ejemplo de la Figura 20 observamos el espectro de una señal de radio presentada en la pantalla de un analizador y en la cual se puede visualizar una señal interferente que afecta la calidad del enlace. Detectada la señal interferente, se debe determinar el origen de la misma y en muchos casos se debe recurrir a los organismos oficiales de contralor del espectro.

5 CRITERIOS DE DISPONIBILIDAD Y CALIDAD DE ENLACES 5.1 Introducción. Se han analizado los factores que alteran la disponibilidad y calidad de un radioenlace de microondas digital como así también algunos de los estándares del ITU-T que definen los criterios de funcionamiento que representamos en la Figura 21. 5.2 Disponibilidad y Calidad de un Radioenlace a Microondas Digital. Decimos que un enlace se encuentra indisponible cuando durante un intervalo mayor a 10 segundos y en forma continua han ocurrido errores severos, es decir más de 10 CSES (Continuos Severely Errored Second). Este hecho provoca que el sistema quede fuera de servicio sin la posibilidad de traficar datos y voz. En la Figura 21 se sintetizan los criterios de disponibilidad y calidad analizados. 6 ESTRATEGIAS DE MEDICIÓN 6.1 Introducción. Hemos mencionado en diferentes pasajes la importancia de las mediciones y la implementación de un protocolo de medición. Mencionamos también que los procesos de medición se encuentran divididos en dos etapas claramente definidas: • •

Durante el período de instalación y puesta en marcha. Durante el tiempo de producción de la red.

En la primera de ellas se busca básicamente que los parámetros medidos se encuentren dentro de los establecidos por el proyecto y así asegurar la disponibilidad de la red. En esta etapa el registro de los valores medidos en los protocolos de medición es esencial para evaluar el comportamiento futuro de la red de comunicaciones, en la segunda, el objetivo es prevenir posibles fallas en la misma. Podemos afirmar que la no-implementación de un plan estratégico y ordenado en el análisis del

funcionamiento de la red, trae aparejado pérdidas económicas, que en algunos casos son considerables. A los efectos de prevenir los posibles deterioros de la red durante la etapa de producción y mantener al máximo la Disponibilidad de la misma, se deben implementar dos estrategias: Una relacionada con la prevención (evitar fallas) y la segunda relacionada con las acciones correctivas luego de una falla, a los efectos de disminuir el MTTR (Mean Time To Repair). 6.2 Estrategias para la Prevención. basar una estrategia para la prevención en: • •

medición, Criterios de medición, Frecuencia de las mediciones, Tiempo de medición, etc. Si bien el empleo de esta estructura permite determinar estado y tendencias de la red, en función de los protocolos originales de medición, solo nos enteramos de una falla cuando el usuario efectúa un reclamo por la falta del servicio. Este aspecto contribuye a aumentar el MTTR. Una metodología más eficaz es la que se basa en el empleo de un Sistemas de Gestión de Red, mediante el cual se está monitoreando la red permanentemente. El empleo de esta herramienta asociada a una metodología de prevención nos permite:

Podemos

Herramientas disponibles. Metodología empleada.

• •

Teniendo en cuenta estas consideraciones, se puede optar por estructuras de trabajo que se basan en uno o más grupos de técnicos, con el instrumental correspondiente (Herramientas), que realizan verificaciones periódicas de la red, de acuerdo a un plan perfectamente estudiado (Metodología).

• • •

Monitorear en tiempo real el estado de todos los parámetros de la red. Realizar pruebas de medición a los efectos de evaluar la perfomance. Evaluar las tendencias futuras relacionadas con el comportamiento de la red. En el supuesto de fallas, tomar conocimiento en el momento que ocurrieron. Llevar registros estadísticos sobre fallas.

Tiempo de Transmisión 99,995 % Tiempo de Disponibilidad (Enlace Disponible)

Indisponibilidad

99,999 %

100 % Inaceptable

Enlace Aceptable (Confiable) 100 % EFS

100 %

99,99 % EFS

Perfomance Excelente

DM

Fuera de Servicio

Pocos ES

Burst ES

SES

VSB

Short Term < 10 s de duración

Long Term >10 s de duración

RBER