Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Inteligentes
Autores
- Miguel Andreu López, Operaciones, Actelser
- Carlos Delgado Viñuales, Director Técnico, Actelser
- Vicente García Lozano, Ingeniero, Actelser
Resumen
Los edificios inteligentes generarán y procesarán gran cantidad de información que necesitará de una red para su transporte con un ancho de banda considerable y fiable. El problema es que la inmensa mayoría de viviendas y edificios no disponen de la infraestructura de canalización de cableado de los sistemas de comunicación Ethernet con fibra óptica, lo que implica un coste añadido de adaptación física a estos nuevos usos. La solución pasa por la fibra óptica de plástico (POF) que cumple con las normativas de construcción y no incorpora carga eléctrica. Esto permite su utilización en canalizaciones eléctricas sin que se vea mermado su rendimiento, sin afectar a otros aparatos conectados a la red y proporcionando un ancho de banda de 1 Gbps”. Con la tecnología gigabit FOP (Fibra Óptica Plástica) y ACTELSER podemos convertir cualquier vivienda en un hogar digital a una alta velocidad de transmisión, de manera sencilla y económica y sin necesidad de obras utilizando las canalizaciones existentes. Los edificios inteligentes han de ser espacios confortables y que permitan poder disfrutar de todo el abanico de servicios tecnológiocos disponibles y que todavía han de llegar del mercardo.
Palabras clave
POF, Gbps, Fibra, Óptica, Velocidad, Datos, Ethernet, RJ45, Red, Domótica
Introducción
Actualmente, las soluciones domésticas en comunicaciones inalámbricas de máxima velocidad se basan mayoritariamente en Wifi. Un uso doméstico que también se está generalizando al ámbito de servicios y sobre todo en hoteles y hospitales, puesto que requieren una red interior que optimice la transmisión de datos a alta velocidad con la máxima fiabilidad. El problema es que la inmensa mayoría de viviendas y edificios no disponen de la infraestructura de canalización de cableado de los sistemas de comunicación Ethernet con fibra óptica, lo que implica un coste añadido de adaptación física a estos nuevos usos. La solución viene de la mano de la fibra óptica de plástico (POF). Y es que la tecnología POF permite comunicar equipos electrónicos aislados eléctricamente
Veamos cómo funciona la fibra óptica de plástico (POF). En primer lugar, se encarga de guiar la luz emitida por los dispositivos electrónicos para lograr que se comuniquen entre ellos. Utilizando una fibra doble, permite la comunicación Full-Duplex con un canal de transmisión y uno de recepción. Puesto que la fibra cumple con las normativas de construcción y además no incorpora carga eléctrica en su interior, se puede aplicar a las canalizaciones eléctricas de potencia sin que se vea mermado su rendimiento y sin afectar a otros aparatos conectados a la red. Al final de cada línea POF se incluirá un conector adecuado que permita al usuario utilizar este medio de comunicación: un RJ45, un módulo Wifi, etc. Estos conectores son los que está desarrollando Actelser SL cuya tecnología se fundamenta en el chip transceptor Gb POF del fabricante KDPOF.
La flexibilidad que permite la tecnología POF hace que hoy día sea posible ofrecer una comunicación punto a punto de 1Gbps hasta 50 metros. Su reducido radio de curvatura, la no emisión de radiación, la imperturbabilidad ante radiaciones externas y la nula transmisión de calor, permite su uso en canalizaciones eléctricas y ofrece grandes ventajas frente a la fibra de vidrio (GOF) y el cobre.
Usando POF se reduce el peso de las instalaciones porque no necesita de malla de protección o coraza, como en el caso del cable Ethernet o la fibra de vidrio. Los sistemas de corte POF no son complicados y su reciclado es mucho más sencillo al estar formado por muchos menos componentes que sus adversarios.
Los puntos diferenciadores de la mencionada red son:
- Mayor ancho de banda en cada punto de acceso. Esta red es capaz de suministrar hasta 1 Gigabit continuo de velocidad atendiendo a las exigentes demandas en la distribución de datos generadas por Internet de banda ancha, IPTV de alta resolución, poder adentrarse en el IoT (Internet de las Cosas), TVHD, servicios multimedia, etc.
- Transmisión de datos por impulsos de luz. Por tanto, no genera ningún tipo de perturbación electromagnética que pueda poner en compromiso el correcto funcionamiento de otros equipos.
- Tecnología innovadora. La fibra POF no es nueva pero sí lo es su introducción en el ámbito del hogar con esta nueva funcionalidad gracias a los equipos que pasaremos a desarrollar. El cable POF lleva años utilizándose en la industria y es una solución perfecta para los nuevos requerimientos de la sociedad.
- Sección mayor a la fibra tradicional. Su mayor diámetro respecto a la fibra de vidrio le convierte en menos frágil y permite poder realizar radios de curvatura menores sin provocar una pérdida en la comunicación.
- Sencillez de montaje. Para la instalación sólo es necesario un sencillo cúter que permita cortar el cable POF de manera fácil y limpia.
- Red fácilmente ampliable. Debido a la sencillez del montaje y a la posibilidad de compartir canalización eléctrica existente, el hecho de ampliar la red para dotarla con mayores puntos de acceso o con módulos adicionales es sumamente fácil.
- Dotar de red Gigabit los edificios de antigua construcción.
- Impactar menos en el medio ambiente que las tecnologías actuales, reduciendo la utilización de cobre en el cableado.
Conocidas las prestaciones y versatilidad de la fibra POF, Actelser enfoca su objetivo en el desarrollo de elementos (switches y rosetas principalmente) con esta tecnología para su uso en redes de datos Ethernet de alta velocidad 1Gbps.
Actualmente la tecnología POF se comercializa de forma minoritaria en algunos sectores a velocidades de 100Mbps. Estas velocidades han quedado obsoletas o “lentas” para las actuales demandas de alta transmisión de datos, haciendo necesaria una nueva tecnología POF a 1Gbps, tecnología que aproveche los beneficios del POF y a su vez esté acorde a las necesidades del momento actual en que vivimos. Tecnologías alternativas (pares trenzados de cobre y fibra óptica de vidrio, por ejemplo, ya alcanzan velocidades de 1Gbps).
Todo esto es posible, gracias a la reciente aparición de la familia de chips electrónicos KD1000 de la compañía española KDPOF (Knowledge Development of Plastic Optical Fibres). Combinado con el transceptor FOT -de la compañía Avago- que es un conversor de medio de señal eléctrica en señal lumínica vía MLCC Multi-Level Coset Coding a 1Gbps) se abre una nueva ventana de posibilidades en la tecnología POF, la velocidad a 1Gbps. Actelser diseña, desarrolla y fabrica en España elementos de red de datos basados en POF 1Gbps bajo la tecnología de los chips de Kdpof.
Tecnología KDPOF KD1000
Tecnología de comunicación de datos de bajo coste y gran eficiencia que explota la capacidad disponible del gran núcleo de la fibra óptica de plástico (POF). Es una solución de ingeniería completa para grandes estándares de fibra como SI-POF que se pueden implementar con microelectrónica.
Esta tecnología proporciona un sistema de transmisión de datos adaptado a la capacidad de comunicación disponible (bit-rate y ecualización) a variables operativas como la temperatura, la fibra, las pérdidas en las uniones, el desgaste del conector, etc.
Como medio de transmisión, POF es más similar al cobre o al aire que a la fibra óptica de cristal. Se utilizan técnicas similares a aquellas implementadas en los sistemas de comunicación eléctrica (cobre) y de comunicación inalámbrica (aire) para alcanzar la máxima capacidad de la fibra.
Modulación
La tecnología se basa en modulaciones de tiempo. La modulación en tiempo proporciona una adaptación de señal como si de un amplificador se tratase (low Peak-to-Average Ratio, PAR), mientras que la variación de la señal de transmisión se maximiza para utilizar el rango completo del emisor de luz (LED o láser).
Los métodos de medición de laboratorio demuestran que las tecnologías alternativas como DMT (Discrete Multi-Tone) o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) son demasiado complejas, y que no son necesarias para alcanzar la velocidad Gigabit sobre el estándar SI-POF.
Esta familia de chips incorpora el eficiente Digital Signal Processing (DSP) para compensar dinámicamente la distorsión no-lineal causada por los componentes optoelectrónicos, así como el desfase de dispersión causado por la fibra.
Codificación de Canal
Se implementa una modulación codificada multi-nivel para llegar a la máxima capacidad del canal. Esto se consigue con una adaptabilidad espectral precisa, que proporciona un equilibrio óptimo entre la computación compleja y el retraso. Esta es la clave, juntamente con los algoritmos de ecualización no-lineal, para alcanzar la máxima capacidad del POF. Además, el sistema incorpora estructuras para proporcionar un enlace rápido y una implementación eficaz de la adaptación de la ecualización y la velocidad en cada instante (on-the-fly bit-rate set-up).
Optimización
El paquete de datos ha sido diseñado con dos objetivos en mente: rentabilidad de la carga y eficiencia energética. Cada paquete contiene una señal concreta que sirve para adaptarse en cada momento a las condiciones del canal (on-the-fly adaption). Dispone de un modo especial de operación para velocidades de datos más lentas que utiliza un único tipo de paquete para reducir el consumo de energía, a la vez que reduce el tiempo de reinicio del enlace.
Resumiendo, ventajas de la tecnología en desarrollo a utilizar por los equipos de Actelser
- Capacidad del Canal: se acerca al máximo teórico de la capacidad del canal (limite de Shannon”).
- Implementación eficiente: Mínima superficie y reducido tamaño.
- Adaptación de velocidad (Adaptative bit-rate): flexible, adaptada en cada momento a las variaciones del canal y a sus prestaciones (on-the-fly adaptation).
- Diagnósticos: gran capacidad de diagnosis y monitorización del funcionamiento.
- Interficies de datos adaptadas a las necesidades de cada producto y sector.
- Eficiencia energética: alto rendimiento comparado con los estándares para aplicaciones de Gigabit Ethernet.
Tecnología ACTELSER
El despliegue de fibra que está llegando a cada vez más hogares y puntos donde, hasta hace unos años era impensable, lleva consigo la superación de nuevos retos a los instaladores. La principal dificultad con la que se encuentran en instalaciones interiores en vivienda, es que no existen canalizaciones adecuadas para la distribución de las telecomunicaciones y han de realizarse vistas, aprovechando los zócalos y esquinas para disimular su presencia, y agujereando los tabiques para llegar a los puntos definidos.
La utilización de la fibra óptica de plástico, permite aprovechar las canalizaciones eléctricas de la vivienda para distribuir la red de telecomunicaciones por toda la vivienda. Los dispositivos fabricados por ACTELSER se integran en los alojamientos de los mecanismos eléctricos de las viviendas para ofrecer una modernización limpia, práctica y sencilla de las viviendas.
El switch de 4 puertos POF y una entrada Ethernet, permite su instalación tanto en sobremesa como en pared o armario, junto al router de la compañía de telecomunicaciones. El funcionamiento del equipo en baja tensión mediante convertidor AC/DC, permite operar con unos valores seguros de tensión que eviten riesgos eléctricos a las personas. Las salidas de fibra deberán entrar en la canalización de la vivienda aprovechando cualquier punto de la instalación.
Los media-converters son fácilmente integrables en los mecanismos y permiten que las conexiones permanezcan en el interior del cajetín para obtener un mejor acabado.
La fuente de alimentación interna de estos equipos tiene una potencia suficiente para su normal uso y su consumo en stand-by muy reducido, de acuerdo a la norma IEEE.
El usuario final tendrá una toma de red en la pared donde poder conectarse a la red a velocidad Gigabit y, según la versión, tomas USB para la carga de dispositivos móviles y conexión de módulos auxiliares, y enchufe con toma de fuerza para la conexión de aparatos eléctricos.
El módulo auxiliar Wifi, se conecta a uno de los puertos USB para obtener la alimentación de 5 voltios y al puerto Ethernet para conectarse a la red. Dispone de un puerto de salida RJ45 que evita perder esta conexión al instalar el módulo Wifi.
El módulo Wifi de baja potencia está pensado para el uso personal del usuario y no para la utilización en toda la vivienda, si bien la potencia emitida por el mismo, puede llegar a dar cobertura a toda la vivienda dependiendo de sus dimensiones.
Media Converter
En el media-converter podemos encontrar los siguientes bloques:
FA – Convertidor AC-DC de entrada universal y salida regulada de 5vdc@2A
La entrada universal entre 90 y 260vac – 50/60 Hz de clase II, sin conexión de tierra, está pensada para conectar cables eléctricos. Después del filtro de entrada, la señal se rectifica y pasa al transformador donde el circuito de control regula la conmutación para que la salida mantenga el voltaje de salida estable en 5v +/- 10%.
La conmutación de la fuente debe ser alta (superior a 100 KHz) para que el alimentador ofrezca una respuesta rápida a las necesidades de consumo del puerto USB y del circuito electrónico. Los reguladores de tensión son muy sensibles a las sobretensiones, por lo que la salida deberá protegerse convenientemente.
REG – Reguladores de tensión que transforman los 5v en los voltajes adecuados para los circuitos de comunicación, 1v26, 2v5 y 3v3
Los reguladores de tensión que alimentan el circuito digital, han de contar con una frecuencia de conmutación superior a 1 MHz. Es necesario que dispongan de protección por sobre-voltaje y exceso de consumo.
La alimentación de los circuitos digitales tener un rizado inferior al 5%, que podrá ser mejorado con filtros externos al circuito del propio regulador.
FOT – Un transceptor que permite la conversión eléctrica en luz y viceversa
Usamos un transceptor diseñado expresamente para su uso con el chip de KDPOF y cuyo funcionamiento se describe en el gráfico anterior.
El transceptor emite, a la misma potencia, la información que recibe de un par diferencial Tx y la señal recibida por el foto-receptor es amplificada según los parámetros que determine el KD para optimizar la recepción.
KD – Dispositivo que interpreta los datos del FOT y permite una comunicación RGMII
El chip usado en esta aplicación dispone de un puerto de comunicación RGMII que funciona a una velocidad de reloj de 125 MHz. La información se transforma internamente para poder atacar el transceptor POF.
La lógica interna tiene como base los 25 MHz generados por un oscilador de precisión de 50 ppm.
PHY – Dispositivo que adapta la comunicación RGMII para atacar un puerto RJ45
El dispositivo que controla los cuatro pares diferenciales del puerto Gigabit Ethernet es un chip estándar con conectividad RGMII. La lógica de control trabaja también con una señal de reloj de 25 MHz 50 ppm.
RJ45 – Puerto Ethernet donde se conectará el cable eléctrico de red
El puerto Gigabit Ethernet está formado por componentes pasivos que permiten la transferencia segura de la información entre el conector exterior y la lógica digital.
MEM – Dispositivos de memoria donde se carga el firmware de configuración
Los chips de KDPOF incorporan un firmware propio que les permite cumplir con su funcionamiento.
USB – Puertos que ofrecen alimentación de 5vdc
Los puertos USB no incorporan ninguna lógica, son puertos de alimentación que permiten el funcionamiento de componentes externos hasta una potencia determinada, 5v@1A.
Switch
El Switch de 4 puertos presenta los siguientes bloques:
FA – Convertidor AC-DC de entrada universal y salida regulada de 5vdc@3A
El esquema del alimentador será similar al del media-converter, un alimentador de clase II cuyo conector irá en función del país de destino. De todas formas, la conexión al producto se realiza por un conector estándar de 2,1/5,5 mm, lo que permitiría poder integrarlo en un sistema de alimentación existente, siempre y cuando se cumplan los límites fijados anteriormente.
REG – Reguladores de tensión que transforman los 5v en los voltajes adecuados para los circuitos de comunicación, 1v26, 2v5 y 3v3
Los reguladores son similares a los utilizados en las rosetas, pero en los switch se requiere mayor potencia y pueden variar los modelos y distribución de filtros en la PCB.
FOT – Un transceptor que permite la conversión eléctrica en luz y viceversa
KD – Dispositivo que interpreta los datos del FOT y permite una comunicación SGMII
Cuando es necesario el uso de un switch, la comunicación se realizará mediante el puerto Serdes y se escogerá un chip de KD diferente que contiene este tipo de conectividad. Los pares diferenciales SGMII permiten distancias más largas y reducen el número de líneas empleadas. A través del MDIO, se realiza la comunicación entre los diferentes puertos para dar prioridad y paso a unos y otros.
La frecuencia de la lógica digital sigue con la base de los 25 MHz 50 ppm.
PHY – Dispositivo que adapta la comunicación SGMII para atacar un puerto RJ45
Puede ser necesario el uso de un puerto Ethernet en el switch y para ello se dispone de su consiguiente circuitería adaptada a la comunicación SGMII.
RJ45 – Puerto Ethernet donde se conectará el cable eléctrico de red
Es idéntico al empleado en el media converter.
SW – Dispositivo que controla el flujo de datos en todos los puertos
Para el control del flujo de datos entre los diferentes puertos utilizamos un chip genérico de Marvell que cuenta con puertos SGMII y cuya programación se realiza mediante una memoria serie.
La frecuencia de trabajo es la misma que para el resto de componentes del sistema, 25 MHz.
MEM – Dispositivos de memoria donde se carga el firmware de configuración
En el switch disponemos de dos tipos de memoria, las de los KD y la del switch. La memoria de los KD se carga con el firmware que entrega el fabricante, y en la del switch introducimos los parámetros de los registros que queremos modificar para que el flujo de datos sea el adecuado.
Resultados
En la exposición serán presentados los resultados obtenidos en la prueba piloto realizada con la operadora Telefónica.