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Informe Proyecto de Título de Ingeniero Civil Electrónico Juan Ignacio Pinto Rios Diseño, implementación y evaluación de un Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Escuela de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería Valparaíso, 27 de Diciembre de 2019 Juan Ignacio Pinto Rios Informe Final para optar al título de Ingeniero Civil Electrónico, aprobada por la comisión de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso conformada por Sr. Ariel Leiva López Profesor Guía Sr. Francisco Pizarro Torres Segundo Revisor Sr. Ariel Leiva López Secretario Académico Valparaíso, 27 de Diciembre de 2019 Diseño, implementación y evaluación de un laboratorio de comunicaciones ópticas A mis Padres, a Constanza, a mis hermanos y a la Respetable Orden del Magnolio. Sin ustedes no hubiera sido un buen viaje. “Felix qui potuit rerum cognoscere causa” Agradecimientos Todo inició como un viaje para adquirir un breve conocimiento acerca de la naturaleza y como el hombre ha podido manejar y contemplar en ella, un gran abanico de diversas e ingeniosas soluciones para la vida cotidiana, sin enervar la beldad de su oculta esencia. Sin embargo, encontré mucho más gracias a cada una de las experiencias en todo este viaje. Es por eso que agradezco en primera instancia a mis padres; con su apoyo, amor y paciencia han sido capaces de entregarme las herramientas para poder apuntar al cielo con los pies en la tierra. Gracias por entregarme las grandes bases para poder adentrarme en los misterios de la vida misma. A mis hermanos, Pablo y Rodrigo, por darme la sabiduría para manejar el caos que rige cada uno de los aspectos de la vida. Su experiencia y apoyo me hicieron fuerte gracias a sus consejos y apoyo, los cuales me dieron las habilidades de poder desenvolverme de la mejor forma. A Constanza, mi pequeña hermosa; tu amor y compañía son los que me ayudaron a tener una hoja de ruta sobre la cual navegar hasta el mismo Sol. No sabes lo mucho que calmaste mi alma en tus abrazos -el lugar más seguro del mundo- a lo largo de los obstáculos de este proceso. Eres mi Luna, espero poder ser siempre tu Sol. A mis amigos, a todos y cada uno de ustedes, por saber contener y reír conmigo en los buenos y malos momentos, también por permitir conocer su percepción de la realidad y poder conocer los aspectos que hacen que nuestra vida sea única. Quiero agradecer en especial a los miembros de la Respetable Orden del Magnolio, la Liga del Mal y a Dr X por aumentar 2 puntos de magia este proyecto de título. Finalmente y no menos importante, agradecer a cada uno de mis profesores; su conocimiento no se apagará fácilmente, especialmente la de aquellos con los que pude compartir más entre cursos y proyectos, no olvidaré lo invaluable de las habilidades que me permitieron adquirir. Agradezco sinceramente su confianza todos estos años estimados profesores Leiva y Pizarro. Valparaíso, 27 de Diciembre de 2019 El Pinto. Resumen El presente proyecto se trata sobre el diseño, implementación y evaluación de un laboratorio de comunicaciones ópticas para la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Este curso fue elaborado en dos versiones, una como un curso optativo para la carrera de Ingeniería Civil Electrónica (ICE) y como un curso obligatorio para la nueva carrera de Ingeniería Civil en Telecomunicaciones (ICT). El objetivo principal de este proyecto es implementar un curso que sea acorde de los requerimientos de la industria de telecomunicaciones en el ámbito de la fibra óptica, con el fin de que el estudiante pueda adquirir las habilidades básicas en la materia, las cuales son necesarias para desenvolverse en el rubro. Estas van desde poder realizar una mantención a la red, hasta conocer los requerimientos y datos técnicos que hay que considerar al momento de proyectar una nueva red de fibra óptica. Estas habilidades están pensadas para contribuir a cuatro competencias para ICT. A raíz de esta propuesta de curso, durante el primer semestre del año 2019 se imparte 3 versiones del curso de comunicaciones ópticas propuesta. Estas poseen 2 tipos de estudiantes que se pueden clasificar en dos subtipos: Primero está el curso “MIE723 – Redes WDM” de postgrado y “EIE543 – Sistemas de Telecomunicaciones” de pregrado. Los resultados adquiridos están cuantificados en test de inicio y entrada para poder medir el conocimiento adquirido. En este curso existen dos subtipos de estudiantes de ingeniería civil electrónica, los da la malla 2013 (m2013) y los de la malla del 2014 (m2014) en adelante. El segundo grupo corresponde a estudiantes de pregrado de la malla 2013 de ICE, donde se realiza actividades prácticas-dirigidas y demostrativas, con el fin de reforzar los contenidos vistos en el curso. Finalmente, durante los días 4 y 5 de Julio del 2019, Se impartió un taller con una metodología mixta a estudiantes del curso “Comunicaciones Ópticas” para estudiantes la Universidad Austral de Chile. Con este proyecto de título, en definitiva, se busca plantear un curso que pueda aportar al desafío que presenta la academia, como lo es poder generar más profesionales capacitados en el área de la fibra óptica, con el fin de que tengan las herramientas para enfrentar los desafíos que depara la fibra óptica a nivel país a mediano plazo. Palabras claves: Fibra Óptica, Comunicaciones Ópticas, Experiencias, Laboratorio, Competencias. Abstract This project is about the design, implementation and evaluation of an optical communications laboratory for the School of Electrical Engineering of the Pontifical Catholic University of Valparaíso. This course was developed in two versions, one as an optional course for the Electronic Civil Engineering (ICE) course and as a mandatory course for the new Telecommunications Civil Engineering (ICT) career. The main objective of this project is to implement a course that is consistent with the requirements of the telecommunications industry in the field of fiber optics, so that the student can acquire the basic skills in the field, which are necessary for to develop in the field. These range from being able to maintain the network, until knowing the requirements and technical data that must be considered when designing a new optical network. These skills are designed to contribute to four ICT skills. Following this course proposal, during the first semester of 2019, 3 versions of the proposed optical communications course are taught. These have 2 types of students that can be classified into two subtypes: First is the “MIE723 - WDM Networks” postgraduate course and “EIE543 - Telecommunications Systems” undergraduate. The acquired results are quantified in the start and entry test in order to measure the knowledge acquired. In this course there are two subtypes of electronic civil engineering students, the 2013 mesh (m2013) and the 2014 mesh (m2014) onwards. The second group corresponds to undergraduate students of the 2013 ICE network, where practical-directed and demonstrative activities are carried out, in order to reinforce the contents seen in the course. Finally, on July 4 and 5, 2019, a workshop with a mixed methodology was given to students of the “Optical Communications” course for students of Electronic Civil Engineering at the Universidad Austral de Chile. With this project of title, in short, it seeks to propose a course that can contribute to the challenge presented by the academy, as it is to be able to generate more trained professionals in the area of optical fiber, so that they have the tools to face the challenges facing the fiber optic at country level in the medium term. Keywords: Fiber Optics, OpticalCommunications, Experiences, Laboratory, Competence. Índice general Introducción ................................................................................................................. 1 Objetivo general .................................................................................................................................. 3 Objetivos específicos .......................................................................................................................... 3 1 Antecedentes ............................................................................................................. 4 1.1 Infraestructura actual de fibra óptica en Chile .......................................................................... 4 1.1.1 Cables submarinos en Chile .............................................................................................. 4 1.1.2 Red nacional de fibra óptica .............................................................................................. 5 1.1.3 Estado del mantenimiento actual de la red de fibra óptica en Chile ............................. 7 1.2 Proyecciones del tráfico de datos en Chile ................................................................................. 8 1.3 Déficit infraestructura en telecomunicaciones en Chile ......................................................... 10 1.4 Estado del arte en cursos sobre fibra óptica en el país ........................................................... 13 1.5 Problemática y conclusión de antecedentes ............................................................................ 14 2 Propuesta ................................................................................................................. 16 2.1 Descripción de la propuesta ...................................................................................................... 16 2.1.1 Experiencias con instrumentos de medición de campo ............................................... 17 2.1.2 Experiencias con amplificador óptico dopado de Erbio (EDFA) ................................. 21 2.1.3 Experiencias de laboratorio basadas en redes de acceso GPON. ................................. 22 3 Propuesta de programa curso EIE407 .................................................................. 27 3.1 Competencias a tributar ............................................................................................................. 27 3.2 Resultados de aprendizaje ......................................................................................................... 28 3.3 Herramientas de evaluación ...................................................................................................... 29 3.3.1 Test de entrada y salida .................................................................................................... 30 3.3.2 Informes sobre actividades de laboratorio .................................................................... 30 3.4 Contenidos del curso .................................................................................................................. 31 3.5 Análisis de costo del curso ......................................................................................................... 33 4 Implementación curso piloto ................................................................................ 37 4.1 Grupos de trabajo ....................................................................................................................... 37 4.2 Metodologías aplicadas .............................................................................................................. 39 Índice general 5 Cursos impartidos y toma de muestras ................................................................ 42 5.1 EIE543: Sistemas de telecomunicaciones ................................................................................. 42 5.2 MIE723: Redes WDM. ................................................................................................................. 43 5.3 “Comunicaciones ópticas” de la UACH .................................................................................... 44 6 Resultados obtenidos ............................................................................................. 45 6.1 EIE543 Sistemas de telecomunicaciones ................................................................................. 45 6.2 MIE723 Redes WDM ................................................................................................................... 48 6.3 “Comunicaciones ópticas” de la Universidad Austral de Chile .............................................. 50 7 Trabajo futuro ......................................................................................................... 53 7.1 Cédulas con mayor detalle en su pauta .................................................................................... 53 7.2 Integración de nuevas herramientas y evaluaciones de percepción ..................................... 53 Discusión y conclusiones .......................................................................................... 55 Bibliografía ................................................................................................................. 58 A Test de aprendizaje ................................................................................................ 60 B Cédulas de laboratorio ........................................................................................... 72 7.3 “Conociendo el OSA” .................................................................................................................. 72 7.4 “Conociendo el OTDR” .............................................................................................................. 75 7.5 “Eventos Reflexivos y Zonas Muertas” ...................................................................................... 78 7.6 “Rango Dinámico, Ecos y Fantasmas” ...................................................................................... 81 7.7 “Fusionar FO y Caracterizar una red óptica” ........................................................................... 84 7.8 “Diseño de una red GPON” ........................................................................................................ 87 7.9 “Pruebas de potencia en red GPON”......................................................................................... 90 7.10 “Puesta en servicio red GPON” ................................................................................................ 93 7.11 “Prueba Espectral en red GPON” ............................................................................................ 95 C Programa del curso EIE407 ................................................................................. 101 1 Introducción Durante el transcurso del último tiempo, la sociedad ha ido creciendo y evolucionando gracias a la integración de la tecnología. Desde la revolución industrial, los avances científicos han dispuesto que labores consideradas imposibles para el hombre, puedan ser alcanzadas. Un ejemplo icónico; la implementación de la máquina a vapor, lo que permitió manufacturar y transportar cantidades de materia prima, que antes eran impensables. Considerando que estamos ad-portas de la implementación de la industria 4.0, nos localizamos en pleno auge de la “revolución digital”, la cual no solo las herramientas basadas en semiconductores tienen un rol protagónico como un agente de cambio, sino es que son las telecomunicaciones [2] las que han tenido un rol más importante aún, gracias a su capacidad de generar intercambiar información entre los dispositivos electrónicos alrededor del globo, lo que ha permitido que la información pueda ser compartida, almacenada y mejorada, a raíz de la cooperación global que las redes de internet permiten, a velocidades queactualmente son casi instantáneas. Esto es lo que ha permitido realizar los avances que nos depara la próxima revolución industrial. Actualmente, la fibra óptica se ha vuelto esencial para las telecomunicaciones ya que tienen un potencial gigantesco en el área de Redes [3]. Existen tres tipos conexiones en las redes de fibra óptica; los enlaces troncales que se encargan del transporte de los datos de regiones, ciudades o países al resto del mundo. Por otra parte, existen redes intermedias que distribuyen el acceso a las troncales, para así llegar a las redes de acceso, estas son las que conectan a los usuarios finales con la red. Estas se encargan de distribuir la información desde los proveedores a los usuarios. En Chile se ha detectado un abrupto cambio en el tráfico de datos. En el año 2014 [1] [4], se realizó una proyección a 20 años del tráfico de internet en horario punta. Solamente en la banda ancha fija, específicamente en del sector hogar para esa fecha, se midió un total en hora peak (22-23 horas) un promedio de tráfico nacional de unos 1.1 [Tbps], sin embargo, debido al cambio de contenido preferido por los usuarios, se proyecta un alza a 6.1 [Tbps] en el año 2019, llegando a 64.1Tbps en 15 años más. El responsable de este crecimiento exponencial [1], se debe a la predominancia del streaming de video como consumo preferente de los usuarios, lo que no solamente se limita al consumo de servicios especializados de estos, sino que también a la capacidad de las redes sociales en compartir videos en formato HD, UHD y similares. Esto proyecta que a futuro las redes de fibra no podrán dar abasto ante la creciente demanda en el Introducción 2 tráfico, por lo que deja en evidencia la urgencia en la actualización en las redes, no sólo en aumentar la capacidad para llegar a más usuarios para llegar, sino que en una actualización tecnológica que permita dar abasto a los requerimientos futuros. Considerando las falencias en esta área que se presentarán en los próximos 5 años, se han generado distintas iniciativas para fortalecer las redes actuales, como la Agenda Digital 2020 y el proyecto Fibra Óptica Austral [1]. Estas apuntan a mejorar y volver más robustas las conexiones en el país en el mediano plazo, considerando la mayoría de estos puntos a las redes ópticas, que van desde establecer más kilómetros de redes troncales, aumentar los nodos locales y nuevas conexiones de fibra entre terminales de comunicación de Radio frecuencia [5]. Sin embargo, hay un déficit en la oferta de profesionales capacitados en el área de redes en Latinoamérica [6], siendo el desarrollo de las iniciativas de gran escala, que se mencionaron anteriormente, las que requieren profesionales capacitados en el área, no solamente desde una formación teórica, sino que también deben tener conocimiento y habilidades prácticas de la tecnología. Esto se presenta como una oportunidad que la Escuela de Ingeniería Eléctrica puede tomar, ya que actualmente solo imparte asignaturas de esta tecnología de forma teórica en sus mallas, ya que el Laboratorio de Telecomunicaciones posee equipamiento, los cuales serán la base de una propuesta de laboratorio que vaya más allá del estado del arte actual, el cual considera la realización de un curso de comunicaciones ópticas, donde se puedan entregar los contenidos teóricos como la realización de experiencias prácticas. Actualmente en la PUCV, gracias al plan ingeniería 2030, existe un cambio de paradigma educacional, la cual se manifiesta mediante la actualización de las mallas curriculares en función de una estrategia educacional con base en las competencias, la idea es aportar a los estudiantes a fortalecer los contenidos teóricos que se imparten mediante diversos recursos como metodologías para impartir las clases [7], lo que representa una novedosa metodología para una propuesta de un laboratorio en fibra óptica. Es por esto que se medirá el impacto del curso diseñado bajo estas características, considerando un plan de actividades pilotos, para así validar la hipótesis anterior y recibir retroalimentación en base a la experiencia misma y los estudiantes para mejorar el curso en su versión definitiva. Es por esto que se utilizará un esquema sistemático[8] propuesto por el profesor Dr. Ing. Héctor Vargas O. el cual propone un método que permite diseñar un curso de Comunicaciones Ópticas que contengan actividades de laboratorio, lo que permitirá entregar habilidades que tributen a dichas competencias, tanto de carácter disciplinar como profesional. Se explica en este informe: La problemática asociada a la fibra óptica a nivel nacional, las variaciones y crecimiento de demanda de tráfico actual y proyectado, la solución propuesta ante esta problemática: El diseño del curso de comunicaciones ópticas utilizando metodologías basadas en competencias, (tanto como para las actividades propuestas como para los instrumentos de evaluación) cédulas de trabajo de laboratorio, programas de curso y análisis de costos de implementación del curso, y una propuesta de adquisición de equipos. Además se presenta los resultados para tres cursos pilotos implementados durante el primer semestre del año 2019. Estos poseen 2 perfiles distintos: Para pregrado se implementa en los cursos de Introducción 3 “EIE543 Sistemas de Telecomunicaciones” y “Comunicaciones Ópticas” de la UACH, mientras que para el postgrado se imparte en el curso “MIE723 Redes WDM” Objetivo general El objetivo general de este proyecto es: Diseñar e implementar un laboratorio de comunicaciones ópticas, evaluando el impacto en el aprendizaje de los estudiantes, en un curso piloto para la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la PUCV, denominado “EIE407: Comunicaciones Ópticas” para la carrera de Ingeniería Civil en Telecomunicaciones. Objetivos específicos Los objetivos específicos para llevar a cabo el objetivo general, son los siguientes: Diseñar una propuesta de curso, que considere una metodología de aprendizaje basada en competencias, para el curso “EIE407 – Comunicaciones Ópticas”, tanto como los contenidos, actividades y cronograma. Implementar un laboratorio piloto para medir el impacto en el aprendizaje de un grupo de estudiantes (grupo de prueba). Diseñar rúbricas que permita medir el conocimiento y habilidades adquiridas en el curso piloto. Proponer mejoras para una futura implementación, en función de la retroalimentación de los estudiantes y la experiencia misma del curso piloto. Evaluar la factibilidad económica de implementar un laboratorio de comunicaciones ópticas, en función del material disponible en el laboratorio de telecomunicaciones, con el fin de maximizar la cantidad de estudiantes en sala. 4 1 Antecedentes 1.1 Infraestructura actual de fibra óptica en Chile Para lograr un mejor entendimiento del proyecto, es necesario entender los antecedentes acerca del estado actual en lo que respecta a fibra óptica en el país. Considerando los planes y falencias [1] que debe enfrentar Chile en el mediano plazo. 1.1.1 Cables submarinos en Chile El país se encuentra conectado al mundo mediante 4 cables submarinos. En la Figura 1-1 se puede apreciar los enlaces. En detalle se tiene: Pan-American (PAN-AM): Llega a la ciudad de Arica, este proviene desde Puerto Rico, pasando por el Caribe, llegando al País por Perú; Esta cuenta con más de 7.225 [km] y en Chile es manejado por Entel Chile. South American 1 (SAm-1): Uno de los 3 que llegan a la quinta región, específicamente en el sector de Playa Ancha de Valparaíso. Conecta Argentina con Chile mediante un anillo por el Caribe con más de 25.000 [km] de enlace. South American Crossing (SAC): Este posee un largo de unos 20.000 [km], con recorrido por el lado del Pacifico sudamericano llegando hasta el Caribe. Finalmente. South American Pacific Link (SAPL) queconectará la ciudad de Los Ángeles, Estados Unidos, con la ciudad puerto de Valparaíso. Actualmente estos son los enlaces que están en funcionamiento en el país, y conectan internacionalmente distintas empresas de telecomunicaciones, sin considerar el enlace de fibra exclusivo de la empresa estadounidense Google. 1 Antecedentes 5 a) b) c) Figura 1-1: Enlaces submarinos que llegan a Valparaíso, a) SAC b) Sam-1 c) SAPL. (Fuente: www.submarinecablemap.com) 1.1.2 Red nacional de fibra óptica Respecto a la red nacional, esta ha tenido un crecimiento progresivo, lo que se ha traducido en un aumento de usuarios conectados a internet en una tecnología Fiber to the home (FTTH) o Hybrid Fiber-Coaxial (HFC). Actualmente estos se han ido extendiendo para poder abarcar a más personas en el territorio nacional, lo que se encuentra dentro del plan llevado a cabo por el Plan Agenda Digital 2020 [1] y actualmente en nuevas iniciativas anunciadas por el gobierno del presidente Sebastián Piñera en mayo del año 2019, el Plan Matriz Digital, que tiene por objetivo acortar la brecha digital y de telecomunicaciones en el país. 1 Actualmente en Chile, a marzo del 2019[9], presenta una cantidad de abonados a la banda ancha fija con tecnología Fiber to the X de 783 mil abonados, lo cual representa un 23.8% del total de usuarios de banda ancha fija en el país, lo que contrasta al mismo informe SUBTEL de Marzo 2018 presentado en [9], con un 14,2% de abonados en total. Como se puede apreciar en la Figura 1-2, la cantidad de abonados a los diversos tipos de tecnología de banda ancha fija. Además, se puede apreciar en la Figura 1-3, se puede apreciar que la zona austral del país, no hay una un enlace que pueda conectarlo directamente, con el resto del país. Notar que al 2017 [2], las redes troncales, se concentran en el 23% de las localidades, en las zonas donde se encuentran el 80% de la población, esto quiere decir además, que la gran mayoría de las ciudades en el país, no cuenta con acceso a esta tecnología. Proceso que se está solucionando con la aplicación de las nuevas iniciativas estatales y los planes gubernamentales 1 Información disponible en: https://www.gob.cl/matrizdigital/ 1 Antecedentes 6 vigentes. Un ejemplo de ella es la red para mover gran volumen datos de observatorios entre La Serena y Santiago, a cargo de REUNA2 (Red Universitaria Nacional). Figura 1-2: Cantidad de usuarios de banda ancha fija por tecnología, SUBTEL 2018 [9] Figura 1-3: Trazado referencial de fibra óptica al año 2014 según SUBTEL [1]. 2 Noticia al respecto en: https://redg9.cl/chile-inaugura-primer-tramo-de-red-optica-de-alta- velocidad/ 1 Antecedentes 7 1.1.3 Estado del mantenimiento actual de la red de fibra óptica en Chile Además de los proyectos de ampliación de las redes, tanto troncales como redes de acceso, han aparecido diversos estudios que apuntan al estado actual de las redes troncales y locales. Uno de ellos fue emitido por la Universidad de Chile (Piquer, 2017) [2] [10]. Este afirma que hay un gran deterioro en las redes en ciertos tramos, lo que implica una pérdida en la capacidad de señal, considerando diversos efectos, uno de ellos es la atenuación, debido a la degradación de los empalmes por malas prácticas en su instalación, lo que implica no tener un correcto manejo al momento de realizar mantención e instalación de las conexiones, esto debe corregirse y controlarse con el fin de salvaguardar un estado óptimo de operación de las redes de fibra óptica. Lo expuesto anteriormente atenta directamente con la calidad del servicio y su eficiencia, sin embargo, se debe considerar que el país se enfrenta constantemente con escenarios delicados, como por ejemplo, movimientos telúricos, frentes de mal tiempo e incluso actividad volcánica, los cuales son característicos del territorio, que posee una variedad de fallas y volcanes a lo largo de él, es por esta razón los sistemas de telecomunicaciones deben estar en un estado óptimo de operación para estos casos, donde la comunicación es vital para todas estas situaciones de emergencia. Dado a que la instalación de la red no puede permitir la presencia de malas prácticas en su instalación, debido a lo delicada naturaleza de la tecnología, es donde hay que tomar medidas preventivas, una de ellas, sería proporcionar una correcta formación a los operarios, con el fin de evitar efectos derivado de malas práctica, como por ejemplo, partículas de suciedad en el empalme o una mala instalación de la mufa, poniendo en riesgo las delicadas conexiones de fibra óptica, como se puede apreciar en la Figura 1-4. Esto se puede mitigar realizando una correcta educación sobre la materia, tanto a los operarios como a ingenieros que están a cargo de este despliegue y mantención de la red de fibra óptica nacional. Figura 1-4: Ejemplo de malas prácticas en empalmes en Santiago. [10] 1 Antecedentes 8 1.2 Proyecciones del tráfico de datos en Chile Actualmente, nos encontramos con dos procesos en el marco de la transición a un país digitalizado, lo que favorecen a un futuro colapso y saturación de las redes actuales [1], este proceso ha tenido un crecimiento exponencial gracias a las nuevas tecnologías de la información, agente vital dentro la época de la “Revolución Digital”, lo que llama a tener una alerta temprana y planificación a futuro, tal como el país no ha estado ajeno a eso con sus propuestas gubernamentales en sus propuestas digitales. En primer lugar, debemos considerar el aumento del tráfico por parte de los usuarios finales, tanto como en el consumo de banda ancha móvil como fija, estos han presentado un incremento abismal en consideración a los últimos 4 años, como se puede apreciar en la Figura 1-5, el aumento pronosticado para el 2019, supera con creces la capacidad de la red de internet de esa época, considerando que la infraestructura medida, data del 2014, en donde el promedio mensual era de 6 Exabytes, para el próximo año se prevé alcanzar una cifra de al menos 25 Exabytes cada mes [1]. Figura 1-5: Gráfico por CISCO del Informe CChC “Infraestructura crítica para el 2016-2025” [1] Según la Cámara Chilena de la Construcción (CChC), en su informe acerca de las infraestructuras críticas para el desarrollo 2016-2025, este incremento se debe al cambio del contenido que el usuario hogar consume actualmente, y a la competencia en el mercado nacional, respecto a las capacidades en los planes y equipos. Las cifras presentadas en el informe, da cuenta de las preferencias del usuario en su uso de los planes de datos, se observa que el área de contenido multimedia aumenta considerablemente, debido al repentino uso de las redes sociales y usos de servicios de streaming de video. Se espera que este ítem sea un 72% del volumen de datos que se deben mover mensualmente el tráfico nacional. Para mayor detalle se puede ver la Figura 1-6 que da cuenta de cada ítem en preferencias del usuario. 1 Antecedentes 9 Figura 1-6: Cifras del uso en el tráfico por servicio según SUBTEL [1] Por otro lado, el segundo proceso a considerar, es la transición en la industria que se está llevando a cabo dentro de lo que es el proceso a una “Industria 4.0”, la cual implica el utilizar los recursos que ofrecen las tecnologías de la información (TIC’s) en distintas niveles en la zona productiva, utilizando recursos como dispositivos IoT (Internet of Things) o D2D (Device to Device) para controlar o vigilar la producción. Otro punto a considerar, es el aumento en la demanda de servicios de respaldo de datos en la nube, y un creciente uso de las tecnologías como videoconferencia en las pymes. Todos estos elementos son característicosdel paradigma de la Industria 4.0, la cual se resume en la Figura 1-7. Este es otro indicador, considerando que los horarios de tráfico en comparación a los hogares, pose otro tipo de uso horario, haciéndolo incompatible y obsoleto en el tiempo. Figura 1-7: Representación de la Industria 4.0 (Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Industria_4.0) En ese sentido, se hace latente una actualización en las redes actuales que existe en el territorio, por lo que se están llevando diversas iniciativas que apuntan a esta actualización de la actual 1 Antecedentes 10 infraestructura, como lo puede ser la Agenda Digital 2020, que apuntan a actualizar los puntos vitales en déficit que se presentan, en dicho plan, en su introducción se puede citar: “Alcanzar la conectividad universal: acceso de todas las personas a redes de alta velocidad y de calidad. Al 2020, esperamos conectar digitalmente todas las regiones del país con infraestructura robusta y de calidad; alcanzar 90% de hogares con banda ancha fija, de los cuales 20% use fibra óptica. Además, aspiramos a que 90% de las comunas tengan zonas Wi-Fi públicas. Esperamos que antes del 2020, la velocidad promedio de acceso a Internet sea de al menos 10Mbps (Megabits por segundo); y que 100% de las escuelas públicas disponga de conexión de banda ancha. La mejora en conectividad contribuirá a una mayor inclusión y desarrollo social“. 1.3 Déficit infraestructura en telecomunicaciones en Chile Para definir el déficit actual, no solo debemos considerar las proyecciones de tráfico, sino que también se debe considerar un indicador de referencia a lo que el país apunta en el desarrollo. En este contexto, el informe de la CChC realiza comparaciones utilizando ciertos indicadores internacionales, comparando a Chile con el promedio de los países de la OCDE, en los cuales, definen los parámetros que enmarcan los objetivos de las diversas iniciativas nombradas en la sección anterior. Para ver las cifras presentadas en este informe, la Tabla 1-2 muestra las inversiones en infraestructura para el desarrollo. En este, el sector telecomunicaciones presentará una fuerte suma respecto a las inversiones, que se deben realizar en el periodo 2018-2027, alcanzando una cifra de MM US$24.838, lo que la convierte en la segunda cifra más alta en inversión de infraestructura para el desarrollo. También agrega un ítem, donde se mencionan los déficits por sector, clasificándolas por Banda Ancha Fija (BAF) y Banda Ancha Móvil (BAM). Aquí se presenta los kilómetros de redes troncales como distribución ramal, para poder equiparar el promedio de acceso a internet de los habitantes del territorio, en comparación al promedio OCDE, tal como se puede ver en la Figura 1-8. Además, considerando la Agenda Digital 2020, sugiere mantener un promedio de velocidad de conexión del usuario final, de al menos 50[Mbps] (Megabytes por segundo) como se puede ver en la Tabla 1-2. Estos factores determinan a futuro los requerimientos que se esperan, diversas áreas requieren inversión para su actualización, con el fin de dar abasto. Según el informe de la CChC que se requerirán al menos 18.000[km] de fibra para el 2020, tanto en ramificaciones como troncales, y para el 2025, estas cifras se elevarían un déficit de 36.000[km] solo en líneas de transmisión, a esto hay que agregar la electrónica y protocolos que se deben utilizar, para asegurar un óptimo uso de los recursos provisto por los troncales internacionales. 1 Antecedentes 11 Figura 1-8: Promedio penetración BAF según la ITU. [1] Por otra parte la OCDE define un estándar que deben tener las conexiones de internet, acorde a los usos y necesidades actuales. La Tabla 1-2 presenta un resumen de estas. Esto fue la base de la proyección que el país debe actualizar. La proyecciones de la agenda digital 2020 se adjunta en la Tabla 1-4. Tabla 1-1: Inversiones en distintas áreas de infraestructuras críticas en Chile [1] Requerimientos de inversión 2018/2027 (Millones de Dólares) Sector Inversión estimada Avance 2016-17 2018-2022 2018-2027 Recursos hídricos 12.540 1.250 9.217 18.254 Energía 11.566 1.503 6.619 8.959 Telecomunicaciones 26.246 2.459 12.317 24.383 Vialidad Interurbana 20.198 1.202 10.722 20.343 Vialidad urbana 54.020 2.283 39.348 60.776 Aeropuertos 1.729 255 1.177 1.659 Puertos 4.390 1.300 989 5.242 Ferrocarriles 4.0306 769 1.309 4.893 Logística - - 624 1.785 Espacios públicos 859 - 320 640 Salud 4.650 851 4.789 10.448 Cárceles 698 59 877 975 Educación 10.385 321 2.249 15.693 Total 151.417 12.252 90.467 174.505 1 Antecedentes 12 Tabla 1-2: Velocidad promedio para cada hogar, proyectado al 2020 [1] Servicio Cantidad Ancho de banda unitario (Mbps) Ancho Banda Total (Mbps) Televisor/computador recibiendo video Full HD 1 5 5 Televisor/Computador recibiendo video en 4k 2 20 40 Smartphone conectados via WI-FI 2 2 4 Consola de juegos 1 2 2 Otros dispositivos como cámaras de vigilancia, alarmas, equipos IOT, etc 2 0.5 1 Total 53 Tabla 1-3: Déficit proyectada en Chile para el 2020 y 2015 [1]. Chile(2015) Penetración Meta 2020 Penetración Meta 2025 Penetración Hogares BAF 2.718.219 41.6% 6.207.297 88% 7.587.784 100% Hogares 2.357.335 42.9% 5.520.519 90% 6.308.737 100% Empresas 360.884 34.4% 926.778 80% 1.279.047 100% Acceso BAM 9.814.121 55% 18.896.684 100% 27.611.979 140% Total Móviles 23.929.702 133% 26.246.641 139% 28.577.507 145% km fibra Óptica troncal 18.000 N/A 45.000 N/A 72.000 N/A Dentro de la Agenda Digital 2020, se encuentra una iniciativa que apunta al déficit de la fibra óptica en las localidades australes, el denominado Proyecto Fibra Óptica Austral. Este pretende conectar el sur del país, mediante un enlace submarino y ramificaciones en estrella para las redes de acceso, con el fin de proveer un mejor acceso a localidades a internet, a aquellas localidades que antes no tenían conexiones con esta tecnología, considerando lo mencionado en la sección 1.2. En la Figura 1-9, se puede apreciar el trazado que contempla el proyecto, siendo no menor la planificación para implementar una red que no sea obsoleta en el plazo establecido por la Agenda Digital 2020. 1 Antecedentes 13 Figura 1-9: Trazado Proyecto Fibra Óptica Austral. [5] 1.4 Estado del arte en cursos sobre fibra óptica en el país En las empresas de telecomunicaciones existe una preocupación constante por la formación de sus operarios, a modo de ejemplo, existe un informe denominado “Cisco skill’s gap” [6], donde se mide el grado de conocimiento en el materia de redes a varias empresas en los países de Latam. En este informe se puede ver que a nivel país en el año 2015, se presentaba una brecha del 18%, sin embargo, gracias a las distintas iniciativas en esta materia, se proyecta que esta baje a un 5% para el 2019, varias de estas iniciativas han sido de carácter estatal en conjunto con los privados, siendo parte de la agenda digital 2020. Las operadoras que requieren contratar mano de obra especializada, deben invertir dinero en su capacitación en áreas de interés, lo que implica un tiempo de inactividad hasta que esté capacitado para ejecutar la labor asignada, sin contar el gasto extra en capacitación. En el área de fibra óptica existen diversas instituciones, como el Centro de Entrenamiento Tecnológico, que posee cursos de capacitación con convenios SENCE, orientados a las diversas áreas, entre estas está la fibra óptica, en el cual sus contenidos apuntan al aprendizaje sobre la física de la fibra óptica hasta su mantención. 1 Antecedentes 14 Actualmente, hay diversos planteles que presentan algún curso práctico, teórico o de capacitación en la fibra óptica, por ejemplo el CET METACOM [11] que se dedica a la capacitación de técnicos. Dentro del ambiente universitario,se destaca la USACH, UChile y UTFSM como las casas de estudios que presentan un mayor equipamiento, obtenido gracias a diversos proyectos [12] en los cuales, se han generado enlaces con fines investigativos y de conectividad, mediante redes basadas en WDM. También destaca CET METACOM DUOC UC [13] e INACAP [14], que presentan cursos de capacitación en fibra óptica. Sin embargo, estos cursos se limitan a impartir contenidos a nivel de mantención de carácter técnico, entregando habilidades y formación en herramientas como OTDR, OSA, etc. Respecto a lo realizado en la PUCV, se han llevado a cabo distintos proyectos de titulación, en el contexto del proyecto FONDECYT [15-16], donde se ha podido adquirir el equipo necesario para poder montar un laboratorio propio, iniciando el estudio del equipamiento y la creación de experiencias docentes sobre estos instrumentos por parte de estudiantes de pregrado. En estas experiencias, se destaca el uso de una red GPON para realizar experiencias docentes, siendo esta las tecnologías actuales, utilizadas para el Fiber to the Home (FTTH). Actualmente, la UTFSM cuenta con una red GPON, sin embargo, solo se utiliza para conectividad, planteándose a futuro su implementación en actividades docentes. Figura 1-10: Resumen cursos de FO en el país (Elaboración propia). 1.5 Problemática y conclusión de antecedentes Es patente la necesidad de las comunicaciones en la época actual, por lo que expandir la infraestructura en el territorio se ha convertido en una prioridad para mantener un desarrollo no sólo social, sino que también en el área productivo. 1 Antecedentes 15 Respecto a la temática de la fibra óptica, este tiene un rol fundamental al momento de implementar nuevas tecnologías, ya que el despliegue de enlaces no solo se limita a enlaces dedicados FTTx, estas redes también son utilizadas para la transmisión de datos de dispositivos como antenas, como lo es el caso de la tecnología Radio Frecuency on Fiber, que es utilizada para trasmitir datos entre estaciones de servicios como GSM, no obstante, también hay que considerar los nuevos avances a implementar que requieren una infraestructura con fibra óptica de alta capacidad, tal como es el caso de la nueva tecnología 5G. Por lo tanto, al haber identificado el déficit actual, no solo a nivel de infraestructura, sino también como el capital humano que debe estar detrás de ello, surge la necesidad de poder formar profesionales competentes a estas nuevas necesidades. La Escuela De Ingeniería Eléctrica de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, a través del Grupo de Telecomunicaciones, presenta diversos cursos teóricos y prácticos que apuntan a áreas como las Comunicaciones Inalámbricas, Redes y Telecomunicaciones en su malla curricular. Sin embargo, en el área de fibra óptica solo presentan cursos de carácter teórico, lo que es una oportunidad para iniciar por sobre el estado del arte, un curso sobre esta tecnología, considerando los antecedentes descritos del contexto país. Por lo tanto, para poder aportar en medidas que permita hacer frente a la necesidad en la industria, es menester impartir un curso que permite formar ingenieros con habilidades necesarias para enfrentar este desafío. 16 2 Propuesta Para poder enfrentar de mejor manera el desafío en la infraestructura de telecomunicaciones, es menester plantear un curso de manera integral, con el fin de entregar de una manera correcta las habilidades necesarias en la materia de fibra óptica. De esta manera, poder aportar en el mediano plazo a la demanda de profesionales que se necesitará en esta área. Por lo tanto, se propone crear un curso que considere 3 puntos esenciales: Conocimiento teórico de la fibra: Tiene como fin dar introducción a la física tras los diferentes componentes, como conectores, cables y tipos de fibra al estudiante, considerando que ya tiene las nociones teóricas de su funcionamiento físico. Mantención de la red: Considera entregar las habilidades para que puedan aprender sobre instrumentos de medición de campo, y las herramientas para mantención (como la fusionadora) con el fin de aplicarlas en experiencias que permitan al estudiante visualizar los fenómenos que han observado solo de forma teórica. Diseño de red: Por último, se plantea una unidad de aplicación, teniendo en consideración que el estudiante haya adquirido las habilidades para poder medir y diagnosticar la red, para ser utilizadas en una experiencia práctica que implique diseñar y configurar una red GPON. En esta deberán aplicar los conocimientos de diseño, considerando cálculos como el balance de dispersión cromática y potencia, las cuales deben ser medidas y corroboradas con los instrumentos de medición de campo. 2.1 Descripción de la propuesta Para hacer frente los 3 ejes que conlleva el laboratorio, es necesario que los estudiantes ya hayan pasado por cursos teóricos que mencionen los fenómenos de la fibra óptica, de manera que puedan entender rápidamente los conceptos que hay detrás de cada equipo y material que van a utilizar. Se propone una asignatura que contenga una cátedra apoyada por actividades de laboratorio, con el fin de poder complementar los conocimientos teóricos entregados. Esto también tiene un impacto positivo en el estudiante, ya que tiene una instancia para poder manipular los 2 Propuesta 17 elementos vistos en las cátedras. Esto permitiría que el estudiante asimile y profundice los conocimientos, volviendo menos abstractos los fenómenos revisados durante la cátedra. Para poder plantear los contenidos entregar al estudiante, hay que manejar un conjunto de actividades de laboratorios realizables. En el marco de las actividades desarrolladas por el grupo de Investigación en Redes Ópticas, se ha adquirido equipamiento que son de gran utilidad en el ámbito de investigación como docente. En estas se han creado a lo largo de varios trabajos de titulación en los cuales se han caracterizado dichos equipos, al igual de proponer actividades docentes, las cuales se puede clasificar en 3 categorías que se ajustan a la propuesta de un curso (en la sección 2.1.1 se profundiza al respecto). Por lo tanto, con dicho equipamiento y estudios en el que se propondrá un conjunto de actividades que permitan al estudiante observar los fenómenos de la fibra óptica en un curso práctico de laboratorio. En base a estas experiencias, se debe tomar los contenidos y equipamientos, con el fin de realizar el debido ajuste de los tiempos, además se debe maximizar los recursos en función de una cantidad óptima de estudiantes, para que puedan tener un desarrollo efectivo del programa de este laboratorio. A continuación se describe en detalle cada unidad del curso, considerando que en la creación de las actividades uno de los mayores limitantes, es la cantidad de equipos que el Laboratorio de Telecomunicaciones posee en sus dependencias. 2.1.1 Experiencias con instrumentos de medición de campo El objetivo principal de la unidad, es que los estudiantes puedan caracterizar una red de comunicaciones ópticas, mediante el uso de dos instrumentos básicos: Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) y Optical Spectrum Analyzer (OSA) [15]. Además de poder reparar e intervenir enlaces gracias a la incorporación de la maquina fusionadora a las actividades. El conjunto de experiencias de esta unidad, tiene como objetivo introducir al estudiante a los elementos que se usan en la práctica, los que se listan a continuación: Tipos de fibra. Tipos de conectores, adaptadores y empalmes. Laser, Splitter, Multiplexores y Atenuadores. Bobinas de lanzamiento. Sonda de inspección de fibra. También es preciso conocer, comprender y analizar trazas y espectros ópticos obtenidos por los instrumentos de medición. De esto, se plantea un conjunto de 4 experiencias. En cada Experienciade laboratorio, el estudiante debe realizar las actividades según una cédula. Cada guía del estudiante consta de un cuestionario previo (Acerca de los manuales de los dispositivos y elementos involucrados) y el detalle de las actividades prácticas. A continuación se da el detalle de cada experiencia. 2 Propuesta 18 Experiencia OSA: “Conociendo el OSA” El objetivo general de esta experiencia es que los estudiantes puedan conocer, preparar y manejar las funcionalidades básicas de un analizador de espectros y su aplicación en un entorno básico de comunicaciones ópticas. El primer experimento consiste en corroborar el estado de limpieza de los conectores ópticos del OSA. Para esto, se debe utilizar la sonda FIP (Fiber Inspection Probe) y un kit de limpieza. En la Figura 2-1.a se muestra la configuración a implementar. (a) (b) Figura 2-1: Configuración para (a) visualización de estado de limpieza de conectores y (b) visualización del espectro de un láser (transceptor óptico) con una OSA [15] El segundo experimento consiste en utilizar el OSA para caracterizar una portadora óptica proveniente de un láser. Para esto son necesarios los siguientes elementos: Conversor de medios Ethernet a fibra, transceptor SFP y un splitter óptico. El conversor de medios y el transceptor son necesarios para generar una portadora óptica, y el splitter es para que el nivel de potencia óptica entregado al OSA, no supere al nivel máximo permitido de potencia recibida para este instrumento. La Figura 2-1.b muestra un esquema de la configuración a implementar Figura 2-2: Visualización de medición esperada con el OSA [15] Experiencia N°1 OTDR: “Conociendo el OTDR” El objetivo general de esta experiencia es que los estudiantes puedan conocer, preparar y manejar las funcionalidades básicas de un reflectometro óptico en el dominio del tiempo y su aplicación (medición) en su entorno básico de fibra óptica. 2 Propuesta 19 El primer experimento consiste, al igual que en el caso del OSA, visualizar el estado de limpieza de los conectores (Figura 2-3.a). El segundo experimento consiste en obtener una traza de perdida vs distancia con una bobina e lanzamiento. Este último elemento, consiste en un rollo de unos pocos km de fibra óptica. En la Figura 2-3.b a implementar. a) b) Figura 2-3: Configuración para (a) visualización de estado de limpieza de conectores y (b) visualización de una traza OTDR de una bobina de lanzamiento [15] Se espera que los estudiantes sean capaces de manejarla configuración para obtener una traza (atenuación vs distancia) del OTDR. La configuración tiene relación con los siguientes parámetros: Longitud de onda, duración de los pulsos ópticos y alcance, los cuales son las que regulan la adquisición de la trama, considerando los efectos de reflectometría. La Figura 2-4 muestra una imagen referencial de medición que los estudiantes deberían obtener. Figura 2-4: Visualización de una medición esperada con el OTDR en una bobina de lanzamiento [15] Experiencia N°2 OTDR: “Eventos Refleximos y Zonas Muertas” El objetivo general de esta experiencia es que los estudiantes puedan conocer, preparar y manejar las funcionalidades básicas de un OTDR y su aplicación (medición) en un entorno de comunicaciones ópticas más cercano a la realidad (con mayores secciones de fibra óptica) 2 Propuesta 20 El experimento consiste en conectar varios rollos de fibra óptica, y unir estos al OTDR, para así obtener la traza de pérdidas vs distancia. Así, se debe visualizar la ubicación y pérdida de cada unión de fibra óptica, el fin de estas y la identificación de zona muerta. El Figura 2-5 muestra el esquema sugerido de conexión. Figura 2-5: Esquema de conexión para medición con OTDR [5] Lo resultados esperados es que los estudiantes sean capaces de obtener trazas OTDR en un entorno más real al de la experiencia anterior, es decir, con diversos eventos reflexivos (uniones entre fibra óptica y fin de ellas). Además, se espera que sean capaces de configurar el instrumento para obtener una buena resolución (capacidad de distinguir dos eventos reflexivos cercanos) e identificar zonas muertas (en la que nos e puede realizar una medición). En la Figura 2-6 se muestra una imagen referencial de la medición con un OTDR que los estudiantes debiesen obtener. Figura 2-6: Visualización de medición esperada con el OTDR [15] Experiencia N°3 OTDR: “Rango dinámicos, Ecos y Fantasmas” El objetivo general de esta experiencia es que los estudiantes puedan realizar mediciones con el fin de comprender en mayor profundidad los conceptos que involucra el uso de un OTDR (rango dinámico, resolución, ecos y fantasmas) y su aplicación (medición) en un entorno de comunicaciones ópticas. 2 Propuesta 21 El primer experimento consiste en obtener las trazas de pérdidas vs distancia de un tramo óptico compuesto por una bobina de lanzamiento y los carretes de fibra óptica, reconociendo la distancia de los eventos, analizando las pérdidas de eventos, de reflectancia máxima por sección y atenuación, para luego reconocer el mejor rango dinámico al hacer modificaciones de la duración de los pulsos (ver configuración sugerida en la Figura 2-7), Con el desarrollo del segundo experimento, que consiste en la implementación y análisis del tramo compuesto por la bobina de lanzamiento y un carrete de fibra óptica, se busca visualizar e identificar los ecos en las tazas OTDR. Figura 2-7: Esquema Experiencia N°3 [15] Se espera que los estudiantes sean capaces de manejar la configuración para obtener una traza de OTDR, realizar con éstas las mediciones pertinentes de las perdidas y del eco. Luego, de realizar las mediciones con tres pulsos de duraciones distintas se espera que el estudiante aprecie, de forma explícita, como es la relación entre el rango dinámico y la resolución. Es por esto que se debe ser capaz de concluir que, a mayor rango dinámico, es decir, a un pulso más largo en el tiempo, la resolución de los eventos disminuye. 2.1.2 Experiencias con amplificador óptico dopado de Erbio (EDFA) El EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) es un tipo de amplificador óptico, el cual se ocupa como solución al problema de la atenuación de la misma fibra, sin necesidad de una reconversión optoelectrónica como en los regeneradores 1R. Estos efectos se hacen presentes en enlaces muy extensos (sobre 80 Km). En la actualidad el amplificador EDFA es el más utilizado entre los amplificadores dopados, debido a las características intrínsecas del Erbio, que permite operar en la zona cercana a 1550 [nm], región en la cual la fibra monomodo posee mínimas perdidas, gran ancho de banda de operación, baja figura señal de ruido, independencia de polarización y una gran estabilidad. Experiencia N°1 EDFA: “Conociendo el EDFA y sus configuraciones” El objetivo general de esta experiencia es que los estudiantes puedan entender el funcionamiento básico del EDFA, realizar calibraciones de potencia y conocer las diversas configuraciones en que se puede utilizar el EDFA. [17] En el primer experimento, se utiliza la configuración de la Figura 2-8.a. En este se atenuó la señal en la fibra, de modo de configurar la potencia del láser para que no dañe el EDFA. Se procederá a realizar la medición de la potencia con el OSA, para comparar los valores, después 2 Propuesta 22 de integrar el EDFA Luego, se procede a realizar el esquema de la Figura 2-8.b, de modo que puedan medir la ganancia de la señal después de insertar el EDFA. Luego, el segundo experimento, consiste en realizar las mediciones de potencia y ganancia con el OSA, debido a las diversas configuraciones, estas pueden ser como amplificador de línea, como booster o pre-amplificador., las diversas configuraciones se puedenapreciar en la Figura 2-9 y la Figura 2-10. a) b) Figura 2-8: Configuración, calibración y medición laser (a), Primera medición de ganancia EDFA (b) [17] Figura 2-9: Configuración Booster en enlace de 25[km] y 50[km] [17] a) b) Figura 2-10: Amplificador de línea (a), Pre-amplificador (b) [17] 2.1.3 Experiencias de laboratorio basadas en redes de acceso GPON. Estas experiencias tienen como objetivo general reforzar los conocimientos de fibra óptica como medio físico, que el estudiante se interiorice respecto al proceso de diseño, implementación y puesta en servicio de una red de acceso GPON, además del correcto uso y manipulación de los equipos de medición ópticos para mantener y monitorear la red. Experiencia N°1 GPON: “Diseño de una red de acceso óptico GPON” En todo proyecto de implementación de redes FTTH, se requiere un estudio previo, el que consiste en el diseño y planificación de despliegue de fibra óptica que se va a utilizar, comprender los elementos que componen una red GPON, entender cómo se debe elegir un cable y conocer los distintos tipos de tendidos de cables, para poder elegir el más adecuado en el despliegue a realiza. Como objetivo general, considera capacitar al estudiante para diseñar una red GPON, considerando el presupuesto óptico. Con esto, se espera que el estudiante realice las debidas 2 Propuesta 23 mediciones en los puntos de acceso que se van a dar, lo que correspondería a los usuarios finales. Para el diseño de la red PON, en general, se debe tener presente las siguientes consideraciones: Minimizar el número de conectores y adaptadores Maximizar el número de empalmes por fusión Emplear siempre un mismo tipo de fibra. (ITU-T G.652, monomodo) Calcular el balance de potencias que recibirá cada usuario residencial a priori, teniendo en cuenta el umbral de sensibilidad, mínimo de sobrecarga, potencias mínimas y máximas de transmisión de equipos activos, para que no haya problemas posteriores de relación señal ruido, y haya una correcta recepción de la información. Para esto, se debe investigar en un pre-informe, los manuales de los equipos disponibles en el laboratorio. En la Figura 2-11 se puede apreciar el esquema a implementar en esta experiencia. Figura 2-11: Esquema implementación red GPON [16] Experiencia N°2 GPON: “Pruebas ópticas de potencia en red GPON” Una vez implementado la red de acceso óptico, y prueba puesta en servicio, es necesario realizar mediciones de potencia, para verificar que la red no presente problema de conexión en alguna trama. El objetivo principal, es obtener la traza de red GPON con el OTDR, analizar los eventos reflexivos y no reflexivos de la red. Obtener la pérdida que presenta la red, mediante un power meter y finalmente, comparar el valor teórico obtenido, mediante el cálculo de balance de potencias, con el valor obtenido de forma práctica. El esquema a implementar se puede apreciar en la Figura 2-12, mientras que los resultados esperados, en la Figura 2-13. 2 Propuesta 24 Figura 2-12: Esquema conexión OTDR a la red GPON [16] Figura 2-13: Traza de la red GPON [16] Experiencia N°3 GPON: “Püesta en marcha de la red GPON” El objetivo principal es conocer y realizar la configuración de una OLT, mediante comandes de línea CLI, realizar la gestión de tráfico de servicios para cada ONT y finalmente, analizar el rendimiento de la red, mediante la aplicación de Test de velocidad. El esquema a implementar, se puede ver en la Figura 2-14. Figura 2-14: Esquema configuración OLT [16] Para comprobar que la red se encuentra operativa, se conecta un computador a uno de los puertos configurados de la ONT, verificar si hay conexión, y luego poder realizar un test de velocidad. 2 Propuesta 25 Experiencia N°4 GPON: “Prueba espectral en red GPON” El objetivo principal es obtener el espectro óptico de una red GPON operativa, visualizando las longitudes de onda para transmisiones downstream y upstream. Además, visualizar los métodos de transmisión de información Broadcast y TDMA. En la Figura 2-15 aparece el esquema a implementar y en la Figura 2-16, los resultados esperados para el análisis espectral y visualización del TDMA, respectivamente. Figura 2-15: Esquema para prueba espectral. [16] Figura 2-16: Resultados esperados, prueba espectral y visualización TDMA OLT. [16] 2 Propuesta 26 Con estas actividades, se plantea un conjunto de experiencias que entregaran conocimiento utilizado en la industria, lo que permitiría dotar al estudiante de experiencia previa con estos elementos antes de ingresar a la industria. En el contexto país presentado durante el primer capítulo, estos conocimientos pueden permitir dotar de profesionales que ya tengan habilidades afines en el área de la fibra óptica. Para asegurar que dichos conocimientos sean correctamente entregados, se propone utilizar una metodología sistemática, propuesta por el profesor de la escuela Dr. Héctor Vargas [8], el cual permite hacer seguimientos que permitan garantizar que el estudiante posee habilidades que tributan a las competencias planteadas en el perfil de egreso de la carrera de Ingeniería Civil en Telecomunicaciones. 27 3 Propuesta de programa curso EIE407 Dentro de la propuesta de la elaboración de la carrera de Ingeniería Civil en Telecomunicaciones se considera en su malla un curso obligatorio de comunicaciones ópticas. Este curso lleva por nombre “EIE407: Comunicaciones Ópticas” y presenta como prerrequisito en la malla propuesta por “EIE402: Comunicaciones Digitales” y “EIE403: Optoelectrónica”, lo que a su vez tienen como prerrequisito dos cursos que ya se están impartiendo en la malla 2014 de la carrera de Civil Electrónica: “EIE310: Análisis de Señales y Sistemas” y “EIE420: Telecomunicaciones y Protocolos”. Esto permite realizar una traslación y acomodamiento de los tópicos que se han hecho, utilizando una base ya conocida, para proyectarla hacia la futura carrera de Ingeniería Civil en Telecomunicaciones, utilizando la posibilidad de impartir un curso piloto dentro de Ingeniería Civil Electrónica. 3.1 Competencias a tributar Dentro de los mayores cambios, se considera el ajuste de competencias para que sea acorde al perfil de egreso de la carrera de Ingeniera Civil en Telecomunicaciones, en donde el laboratorio de comunicaciones ópticas pretende tributar habilidades disciplinares (D) como profesionales (P), debido a que el curso se encuentra en el octavo semestre de la malla. A continuación se entregan dichas competencias: Disciplinar: D1. Aplica los fundamentos teóricos de las ciencias básicas para la resolución de problemas que puedan plantearse en el área de la ingeniería. (Competencia número nueve del perfil de egreso de ICT) 3 Propuesta de programa curso EIE407 28 Profesional: P1. Realiza experiencias prácticas para comprobar y aplicar los fundamentos teóricos de la especialidad en contextos reales, analizando e interpretando la información recopilada de los resultados de estos experimentos (Competencia número once del perfil de egreso de ICT) P2. Diseña sistemas de telecomunicaciones con el fin de capturar señales provenientes de distintas fuentes y preparar la información para ser enviada por diversos medios, empleando las tecnologías apropiadas para ello. (Competencia número trece del perfil de egreso de ICT) P3. Especifica los componentes, equipos y algoritmos necesarios para transportar información por distintos medios/canales, tanto de forma local como a grandes distancias en un sistema de telecomunicaciones. (Competencia número quince del perfil de egreso de ICT) 3.2 Resultados de aprendizaje Para cada competencia a tributarse realizaron resultados de aprendizaje (RA), las cuales se destacan en negrita aquellos resultados en el cual el laboratorio aportará al estudiante en el desarrollo de la asignatura. 3 Propuesta de programa curso EIE407 29 RA.D1.1: El estudiante utiliza los principios físicos y matemáticos asociadas a señales, óptica y electrónica para solucionar problemáticas relacionado con la fibra óptica. RAD1.2: El estudiante utiliza los principios físicos y matemáticos asociadas a señales, óptica y electrónica para diagnosticar lo que está pasando en las experiencias. RAP1.1: El estudiante es capaz de llevar las experiencias prácticas, aplicando una correcta metodología, manipulación y medición en la fibra óptica. RAP1.2: Utiliza los instrumentos de medición de campo, para poder diagnosticar el estado actual de la red. RAP2.1: El estudiante es capaz de realizar diseños de redes troncales de fibra óptica considerando condiciones de calidad de servicio, en un entorno real considerando fenómenos físicos. RAP2.2: El estudiante identifica y soluciona las problemáticas en diseños redes opacas y transparentes. RAP3.1: Comprende como diseñar, configurar y optimizar una red, identificando y parametrizando los requerimientos para el aseguramiento de calidad. RAP3.2: Optimiza recursos de red utilizando técnicas adecuadas a las condiciones de calidad de servicio solicitadas. Con estas competencias y resultados de aprendizaje, se debe plantear las herramientas de evaluación pertinentes para poder utilizar indicadores en que nos permita ver que realmente el estudiante, está obteniendo los resultados de aprendizaje propuesto. 3.3 Herramientas de evaluación Tal como se describe en la sección 5.1, se detalla la hipótesis a validar, respecto al impacto en el aprendizaje de los estudiantes en un laboratorio de comunicaciones ópticas, utilizando las herramientas de evaluación diseñadas bajo el siguiente esquema hecho por el profesor de la EIE Dr. Héctor Vargas [8] para tener un control respecto a las habilidades a tributar, el esquema propuesto se resume en la Figura 3-1: 3 Propuesta de programa curso EIE407 30 Figura 3-1: Propuesta de diseño de herramientas de evaluación [8] Con este esquema se determinó las siguientes competencias que el curso puede tributar habilidades para la carrera de Ingeniería Civil en Telecomunicaciones. El detalle se puede ver en la Tabla 3-1 que contiene un resumen con los resultados de aprendizaje, indicadores y herramientas de evaluación para cada competencia a tributar. 3.3.1 Test de entrada y salida Estos instrumentos de medición serán para poder cuantificar la capacidad del curso en generar una profundización del conocimiento teórico de la fibra óptica en los estudiantes. Estas constan de preguntas con cuatro alternativas, que a su vez están dividas las siguientes categorías: Correcta, medianamente correcta, mala y no responde. Con esto se pretende visualizar el impacto real midiendo un delta de conocimiento, considerando la diferencia entre los test de entrada y salida luego de haber iniciado y terminado cada unidad. Estos test se dividieron en cuatro secciones, la primera es sobre fibra óptica, conectores y empalmes con un total de diez preguntas, luego viene una sección de veinte preguntas sobre instrumentos de medición de campo y fusionadora, finalmente viene una sección sobre redes de acceso GPON que contiene veintidós preguntas. 3.3.2 Informes sobre actividades de laboratorio Los informes de laboratorio medirán el porcentaje de logro obtenido por los estudiantes en las actividades prácticas, con esto se pretende medir las habilidades para desenvolver y resolver cada una de las cedulas realizadas. Estas cedulas constan de tres partes. La primera consta de un cuestionario previo, con el fin de dar un contexto al estudiante de lo que se revisará a lo largo de la actividad a desarrollar. Luego viene la sección que deben responder en el informe, estos son cuestionarios teóricos y prácticos acorde al fenómeno a observar. Esto permitirá medir la 3 Propuesta de programa curso EIE407 31 capacidad del estudiante en poder entender la temática a revisar, como desarrolla las ideas y como resuelve lo solicitado por la cédula. Tabla 3-1: Indicadores y herramienta de evaluación Resultado de aprendizaje Indicadores Herramienta de Evaluación RAD1.2 El estudiante utiliza los fenómenos físicos y matemáticos asociados a las señales, óptica y electrónica para diagnosticar lo que está ocurriendo en la experiencia 1) El estudiante identifica las variables y fenómenos asociados al OTDR 2) El estudiante identifica las variables y fenómenos asociados al OSA 3) Analiza los efectos de las perdidas y su origen 4) Analiza los efectos de las perdidas Test I (50%) Informe de experiencia Modulo I RAP1.1 El estudiante es capaz de llevar las experiencias prácticas, aplicando una correcta metodología, manipulación y medición en la fibra óptica. 1) El estudiante es capaz de tomar muestras en fibra óptica con un procedimiento adecuado. 2) El estudiante asocia los parámetros de los instrumentos en los problemas de FO 3) Analiza y asocia las mediciones a Test I (50%) Informe de experiencia Modulo I RAP1.2 Utiliza los instrumentos de medición de campo, para poder diagnosticar el estado actual de la red. 1) El estudiante es capaz de tomar muestras y analizar el estado en función a ellas 2) Analiza los distintos fenómenos asociado mediante los instrumentos 3) Diseña la mejor configuración en función al diagnóstico realizado Test II (50%) Informe de experiencia Modulo II RA3.1 Comprende como diseñar, configurar y optimizar una red, identificando y parametrizando los requerimientos, acorde a los modelos de la fibra óptica. 1) Optimiza la red en función de los requerimientos y diagnostico 2) Entiende los conceptos detrás de las redes de computadores 3) Sabe manejar el balance de Test II (50%) Informe de experiencia Modulo II 3.4 Contenidos del curso A continuación, se adjunta los contenidos a tratar a lo largo del curso EIE407: Comunicaciones Ópticas: Física de la fibra óptica: 3 Propuesta de programa curso EIE407 32 Fibra óptica (F.O) como medio de transmisión: Cualidades físicas de la fibra óptica y fenómenos asociados Ventanas de Operación: Espectros de transmisión en F.O Parámetros ópticos y geométricos Componentes y tipos de Fibra Óptica Tipos de Fibra Óptica: Tipos de fibra monomodo, multimodo. Tipos de Cables de Fibra Óptica. conectores y empalmes. Dispositivos para redes de Fibra Óptica Principios básicos de operación Dispositivos para el envío y recepción de datos en F.O Dispositivos para la línea de transmisión en F.O Instrumento de medición de campo de Fibra Óptica Reflectómetro óptico en el dominio del tiempo (OTDR): Conociendo el OTDR, operación y parámetros claves Eventos reflexivos y zona muerta Rango dinámico, ecos y fantasmas Analizador de Espectro Óptico (OSA): Conociendo el OSA, operación y parámetros claves Empalmes: Fusionadora por alineación de núcleo y mediciones Amplificador de Fibra dopada con Erbio (EDFA) Conociendo el EDFA: Características y curvas de potencia Precauciones de uso y aplicaciones Configuraciones: Booster, Amplificador de línea y Pre-Amplificador Aplicación: Gigabit Passive Optical Network (GPON) Diseño de una red de acceso óptico GPON 3 Propuesta de programa curso EIE407 33 Aplicación de Power Budget y dispersión cromática Diseño de una red, pensando en minimizar conectores y empalmes Uso de los componentes aprendidos anteriormente para diseñar la red Pruebas ópticas de potencia en la red GPON Uso de los instrumentos de campo para diagnosticar la red (OTDR, OSA) Puestaen servicio de una red GPON Configuración OLT mediante CLI Gestión de tráfico para ONT Analizar desempeño 3.5 Análisis de costo del curso El laboratorio sólo cuenta con un equipo de cada tipo, se propone en la Tabla 3-2 un número base óptimo para el desarrollo de actividades docentes, con la finalidad de optimizar la cantidad de estudiantes en sala para realizar las actividades. Este misma cifra fue la base para un desarrollo óptimo de las actividades, en el marco de la implementación de cursos pilotos de laboratorio durante el primer semestre 2019, en las asignaturas “EIE543: Sistemas de Telecomunicaciones” y “MIE723: Redes WDM”, de la carrera de Ingeniería Civil Electrónica. Los cuales son los únicos cursos que la escuela dicta sobre esta tecnología en sus programas, con la salvedad que EIE543 es un curso integral de telecomunicaciones, el curso MIE723 es un curso optativo de magister, el cual es exclusivo de la fibra óptica. Esto se detallará en el siguiente capítulo. Teniendo como base el curso piloto implementado para la carrera de Ingeniería Civil Electrónica durante el primer semestre del año 2019, la experiencia ha mostrado que las actividades de laboratorio, tienen un costo asociado a los implementos a utilizar además del equipamiento. Estos costos se han pensado para la realización de sesiones para ocho estudiantes, considerando un grupo máximo de cuatro estudiantes por grupo de trabajo, esto considerando una ejecución de actividades paralelas, un ejemplo de ello se puede ver en la Sección 4.2 del siguiente capítulo. A continuación se adjunta un resumen en la Tabla 3-2 y Tabla 3-3, una con un resumen de características a la cual fue diseñado las actividades y otra con los equipos necesarios junto a sus valores unitarios y cantidades. 3 Propuesta de programa curso EIE407 34 Tabla 3-2: Cantidad base de estudiantes para desarrollo de actividades Característica curso Cantidad de estudiantes máxima por grupo 4 estudiantes Cantidad de grupos máximos por sesión 2 grupos simultáneamente Tiempo de ejecución por cedula 45 minutos, 1 hora pedagógica De la tabla anterior se infiere que por sesión de actividades sólo se pueden realizar a un máximo de 8 personas, lo que es la cantidad óptima para una asignatura de carácter optativa, sin embargo, esto no representa la realidad de los cursos obligatorios en donde esta cantidad aumenta más del doble. Por lo tanto, de haber más estudiantes inscritos, las actividades se deben llevar a cabo en diferentes días tomando como referencia los valores máximos que indica la tabla anterior. A continuación se describe los costos asociados al grupo a la unidad de instrumentos de medición de campo en base a los instrumentos ya adquiridos por el laboratorio de telecomunicaciones de la Escuela de ingeniería Eléctrica de la PUCV: Tabla 3-3: Costos asociados para actividad de instrumentos de medición de campo Costos equipos y componentes Instrumentos de medición de campo Dispositivo/Componente Cantidad Valor unitario (CLP) OTDR FTB-730C + FIP-430B 1 $11.300.000 OSA FTB-5240S 1 $18.000.000 Rollo de fibra óptica 25 KM Corning 2 $450.000 Conversor-Ethernet-Fibra Fiberstore 2 $25.000 Mux/Demux Fiberstore 2 $27.000 Transceiver SFP Fiberstore 2 $40.000 Atenuador Óptico 1 $63.000 Bobina de Lanzamiento 1 KM 1 $59.990 Peladora de Fibra Óptica alta precisión 1 $11.990 Cuplas y adaptadores 30 $700 Fusionadora De Fibra Óptica Signal Fire AI-8 1 $990.000 3 Propuesta de programa curso EIE407 35 Tabla 3-4: Costos para actividades de red de acceso GPON y EDFA Costos equipos y componentes redes de acceso GPON Dispositivo/Componente Cantidad Valor unitario (USD) Concentrador óptico standalone gpon fk-olt-g4s 1 2.505,19 Fuente de alimentacion ac para concentrador óptico standalone gpon 1 288,78 Transceptor sfp gpon olt classe b+ para concentrador óptico 1 148,09 Módulo sfp ge sx 850nm (550m) para concentrador óptico 1 35,79 Cordon Duplex conectorizado om3 lc-upc/lc-upc 1.5m - cog - acqua (a - b) 1 20,42 Cordon monofibra conectorizado sm g-652d sc-apc/sc-upc 1.5m - cog - amarillo 1 8,19 Dio b48 - modulo basico 1 83,96 Kit 3x tapas ciegas lgx - plastico 1 7,15 kIt de Anclaje y acomodacion para dio b48 1 10,01 Kit bandeja de emenda stack 12f 1 11,06 Soporte de anclaje para cables 1 7,86 Extension óptica conectorizada 06f sm g-652d sc-apc - d0.9 - amarillo 1 44,65 Cordon monofibra conectorizado sm g-652d sc-apc/sc-apc 1.5m - cog - amarillo 5 9,03 Splitter óptico modular lgx 1x4 g.657a sc-apc/sc-apc 2 94,76 Cable óptico fiber-lan indoor 12f bli g-657-a1 lszh am 50 1,23 Cdoi 12 (caja de distribucion óptica interna 12f) 1 13,76 Cable óptico fiber-lan indoor 02f bli g-657-a1 lszh am 200 0,40 Roseta óptica 2p 4x2 superposicion c/ 1 adap sc-apc shutter - beige 4 3,5 Extension monofibra bli a/b g-657ª sc-apc 1.5m - cog - blanco - d0.9 4 3,6 Modem óptico gpon fk-ont-g400r (modelo export.) 4 124,15 Fuente de alimentacion para modem óptico estandar nema (modelo exportacion) 4 7,33 Patch cord u/utp gigalan cat.6 - cm - t568a/b - 2.0m - azul 16 4,34 Amplificador óptico EDFA100s 1 4.223,96 Total USD $9.560 CLP $6.679.572 3 Propuesta de programa curso EIE407 36 Lo que respecta a las actividades asociadas a las redes de acceso GPON, el laboratorio ya cuenta con un rack que lo compone una OLT y cuatro ONTs, a continuación se adjunta la tabla con los precios y cantidades para el desarrollo de actividades, en función a la cantidad máxima de estudiantes. A continuación se adjunta el balance total de todas las actividades, en función de la Tabla 3-2 de estudiantes bases. Tabla 3-5: Costo total actividades laboratorio EIE407 Unidad Costo total Unidad(CLP) Instrumentos de medición de Campo $32,000,000 Amplificador óptico EDFA $3,000,000 Redes de acceso GPON $3,800,000 Total $38,800,000 Debido a los altos costos de los equipos, se propone una cotización de elementos una gamma inferior a los que posee actualmente el laboratorio, sin embargo, estos serían perfectos para ser utilizados para fines docentes. Esto permitiría liberar los equipos para las investigaciones que deba realizar el laboratorio. Su uso es vital para la realización del curso, ya que su uso obligatorio para desarrollar todas las actividades propuestas. La Tabla 3-6 adjunta una propuesta en base a la oferta del mercado, la cual que equivale a un 10% del precio actual de los equipos que posee el laboratorio, utilizados para la unidad: “Instrumentos de medición de campo”. Dichos elementos están pensados solo para fines docentes, debido a sus limitadas características en comparación al equipo actual, sin embargo esta clase de equipos permitirá expandir el curso a un número mayor de estudiantes, sin mayores consecuencias monetarias al haber inconvenientes o accidentes con el equipo de laboratorio. Tabla 3-6: Equipamiento para base de estudiantes máximos por actividad. Propuesta para instrumentos de medición de campo Equipamiento Costo (CLP) OTDR mini cy190s $290.000 Fusionadora A-81S $410.000 OSA exfo ftb-300 ftb-5220 $2.200.000 Total $2.900.000 37 4 Implementación curso piloto Dentro de seminario de proyecto se terminó por diseñar el piloto del curso en conjunto a las actividades, la programación del curso, las habilidades que tributan a las competencias de las mallas de ingeniería civil electrónica como para ingeniería civil e telecomunicaciones, por último, las rubricas de evaluación de cada una de las habilidades a medir para estudiantes de la carrera de ingeniería civil electrónica. Además de esto, se diseñaron las actividades y las herramientas
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