Sistemas de radio sobre fibra y redes 5G: perspectiva y aplicaciones

3.1. Panorama internacional

La revista de tecnología Lightwave publicó un artículo denominado “Sistema de Radio sobre Fibra de 25Gb/s OFDM de 60 GHz basado en un láser de ganancia conmutada”, en el que los autores demuestran un sistema de transmisión que emplea un láser DFB de ganancia conmutada para la generación de ondas milimétricas ⁶. Por su parte, la Universidad Autónoma de Madrid realizó un proyecto en el que se desarrolló un sistema de comunicaciones digitales de banda base, realizando modificaciones oportunas para implementar una modulación sobre una portadora de radiofrecuencia de la señal transmitida, al que denominó Radio sobre Fibra. Además, en este estudio se evaluó el impacto de la señal en parámetros como la atenuación, la distorsión y la transmisión de varios canales, simultáneamente ⁷.

En esa misma línea, en Reino Unido, Varghesey otros ⁸ llevaron a cabo una descripción general rudimentaria de la arquitectura RoF, elaborando técnicas diseñadas para mejorar el rendimiento alcanzable del sistema. Finalmente, se describieron las técnicas para reducir los costos de instalación de los sistemas Radio sobre Fibra.

En el artículo “Tecnologías de Radio sobre Fibra para sistemas inalámbricos emergentes” se analiza la tecnología de Radio sobre Fibra que puede soportar la distribución de señales inalámbricas de banda ancha en una red óptica/inalámbrica convergente, también se describen algunos desafíos para la aplicación exitosa de tecnologías de Radio sobre Fibra en los futuros sistemas inalámbricos, como las redes 5G y 60 GHz ⁹.

Desde otra perspectiva, la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Escuela Politécnica Nacional efectuó un proyecto en el que se aborda el diseño de material didáctico, orientado a la implementación de un laboratorio de comunicaciones ópticas con base en el uso de herramientas computacionales de simulación como Matlab, en combinación con el Communication System Toolbox y el paquete de simulación OptiSystem ¹⁰. Así mismo, en el 2016 Kabalan ¹¹. realizó una tesis doctoral en la que se estudian y simulan enlaces RoF utilizando circuitos eléctricos equivalentes de componentes fotónicos. Esta investigación se destinó a aplicaciones inalámbricas de alto ancho de banda (60 GHz), permitiendo una tasa de transmisión muy alta.

La Revista Fotónica de IEEE publicó un artículo presentando un sistema de transporte híbrido de fibra hasta el hogar (FTTH) y Radio sobre Fibra (RoF) para transmitir una señal cableada y dos señales inalámbricas, simultáneamente, a través de una onda de luz óptica. Los resultados demostraron que las señales FTTH independientes y RoF de dos bandas se pueden generar y separar mediante dispositivos de radiofrecuencia, de frecuencia relativamente baja, moduladores ópticos y divisores de haz de polarización ¹².

Un año más tarde, en Malasia se presentó un artículo sobre el formato de modulación utilizado para producir los pulsos ópticos, que son de retorno a cero (RZ) y no retorno a cero (NRZ). Adicionalmente, evalúa el rendimiento de la tasa de error de bits para el sistema OCDMA-RoF, lo cual se considera un método prometedor para mejorar la eficiencia espectral ¹³.

En otra investigación para la revista de tecnología Lightwave , titulada “Investigaciones de Fronthaul de Radio sobre Fibra analógica de 60 GHz”, examinaron dos esquemas para generar señales de ondas milimétricas de 60,25 GHz basados en una variación de las técnicas de modulación de banda lateral única óptica (OSSB) y portadora suprimida de banda lateral doble óptica (DSB-SC). También se desarrollaron y verificaron modelos analíticos de Fronthaul analógicos propuestos, logrando una buena concordancia entre los resultados experimentales y analíticos ¹⁴.

En el 2017 los investigadores Browingy otros ¹⁵ realizaron una transmisión analógica de Radio sobre Fibra de cinco bandas de UF-OFDM, con heterodinamiento óptico de alrededor de 60 GHz. Los autores lograron un rendimiento muy por debajo del límite de corrección de errores hacia adelante para un bit sin procesar agregado y destacaron la importancia de la correlación de fase óptica precisa en estos sistemas con respecto a los requisitos futuros de los sistemas 5G. En ese mismo año, la universidad Ghent describió una comparación experimental entre Radio sobre Fibra Analógica (ARoF) y Radio sobre Fibra modulada Sigma Delta (SDoF). Los experimentos se llevaron a cabo utilizando una constelación 16-QAM con una velocidad en baudios de 20 a 125 MBd, modulada en una frecuencia portadora central de 1 GHz ¹⁶.

En España, Morte Palacios ¹⁷ diseñó y caracterizó mezcladores pasivos en una tecnología CMOS para aplicaciones de Radio sobre Fibra (RoF) en redes de área doméstica. El proyecto constó de tres fases: en la primera hizo una revisión bibliográfica de los mezcladores pasivos y filtros polifase, posteriormente se centró en el desarrollo de los mezcladores I-Q y en la última fase realizó el diseño físico, aplicando las técnicas de diseño apropiadas.

El Grupo de Comunicaciones Móviles de Zaragoza, España, propuso la linealización de un sistema RoF de doble banda mediante predistorsión digital. Los resultados fueron evaluados experimentalmente con señales LTE en un sistema RoF, obteniendo de esta forma mejores resultados que con el predistorsionador clásico de una banda ¹⁸. Otro investigador español desarrolló un proyecto de grado titulado “Linealización mediante predistorsión digital en un enlace de Radio sobre Fibra con rama de realimentación”, en el que aplicó las técnicas de linealización en un sistema de transmisión híbrido. Para esto, se estudiaron, caracterizaron y evaluaron los efectos degradantes que se producen en estos sistemas, tanto en la parte óptica como en la de radiofrecuencia¹⁹.

En Japón se efectuó una revisión sobre sistemas de ondas milimétricas y terahercios de Radio sobre Fibra para futuras redes móviles. Se concluyó que el uso de tecnología fotónica para la generación, transmisión y conversión ascendente de señales puede ayudar a realizar sistemas inalámbricos de fibra sin costuras simples, de baja latencia, alta capacidad y alto rendimiento ²⁰.

En otro estudio, Cepeda y otros ²¹ presentaron la implementación de un sistema de Radio sobre Fibra OFDM a 2,5 GHz utilizando radio definida por software (SDR). Compararon un sistema RoF OFDM en tres escenarios diferentes, modificando las distancias inalámbricas y la distancia de la fibra con el fin de evaluar su rendimiento.

En el 2018, en la Revista de Microondas, Optoelectrónica y Aplicaciones Electromagnéticas se expuso un artículo en el que se propuso y evaluó una red fronthaul WDM-PON bidireccional incoloro que transporta señales analógicas de Radio sobre Fibra como una alternativa. Los resultados experimentales muestran una transmisión exitosa bidireccional en las bandas inalámbricas de 1,25, 2,5 y 5 GHz con velocidades de datos de 155, 622 y 1250 Mbps ²².

Por su parte, Dixit ²³ diseñó una red flexible de Radio sobre Fibra (RoF) para redes de telecomunicaciones de próxima generación, estudiando los enlaces RoF y descubriendo que las técnicas de modulación de subportadoras de última generación son adecuadas para lograr un balance de enlace de 20 a 45 km. Así mismo, propuso un nuevo algoritmo que se conoce como MIP, demostrando que una red RoF, un mecanismo de sondeo híbrido entre MIP y sondeo simple dependiendo del área de la celda es el más óptimo.

En el 2018, el instituto de Tecnología Rajiv Gandhi propuso mejorar el rendimiento de un enlace bidireccional de Radio sobre Fibra mediante el uso de red de Bragg de Fibra, en una reutilización de longitud de onda basada en modulación de banda lateral doble suprimida por portadora, que incorpora una unidad de procesamiento de señal y detección coherente como DSP ²⁴.

En el Instituto Nacional de Tecnología de Malaviya (India) realizaron una tesis denominada “Modelado y simulación de esquema OFDM usando QAM para Radio sobre Fibra”, en la que utilizaron las técnicas de modulación de amplitud de cuadratura (QAM) y multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM), proponiendo un modelo de sistema RoF-OFDM, usando la longitud de fibra óptica hasta 10 km ²⁵.

De la misma forma, en Chipre, el Laboratorio de Investigación de Fotónica de Microondas, expone un concepto basado en fibra multinúcleo (MCF), utilizado simultáneamente para generar señales de ondas milimétricas (mm-wave), en el que se empleó un enlace de Radio sobre Fibra para proporcionar alta capacidad y una baja latencia ²⁶. En ese mismo año, la Universidad Nacional y Kapodistrian de Atenas publicaron el artículo “Compensación de sesgo estático en sistemas de radio multinúcleo sobre fibra para formación de haces de ondas de 5G Mm”, en el cual plantean un método eficiente para compensar los retrasos diferenciales, sin una ecualización completa de las longitudes de ruta de transmisión, reduciendo la pérdida de potencia y la complejidad ²⁷.

En el 2019, en España, Salueña ²⁸ caracterizó y modeló una superficie de cavidad vertical (VCSEL) para el diseño de un láser driver con elevada linealidad para aplicaciones Radio sobre Fibra con tecnología CMOS. El proyecto constó de diversas fases: el estudio teórico, la caracterización experimental y la comprobación de la estructura ecualizadora elegida.

En la revista de tecnología Lightwave se puede observar el desarrollo que ha tenido la tecnología de Radio sobre Fibra en los últimos años. Esta publicación describe la evolución y los múltiples desafíos técnicos en torno al costo de implementación, la interoperabilidad y la compatibilidad ²⁹.

En Corea del Sur se diseñó una red móvil 5G para interiores, basada en ondas milimétricas 4x4, logrando un rendimiento total de 4Gb/s, comprobando experimentalmente el sistema de antena distribuida (DAS) basado en Radio sobre Fibra. La medición del rendimiento estaba limitada por la unidad móvil 5G; por lo tanto, podría mejorarse aún más si se explotan unidades móviles de mayor velocidad ³⁰.

De vuelta en la India, Singh y Kumar ³¹ evaluaron la comparación experimental de varias técnicas de Fiber Bragg Grating, utilizando fibras de dispersión compensada para la arquitectura híbrida GPON-RoF, concluyendo que para satisfacer las demandas de un número creciente de usuarios se requiere una arquitectura híbrida móvil y fija. En otra investigación, denominada “Implementación de Radio sobre Fibra (RoF) usando MZM para comunicación de larga distancia”, se discutieron importantes cuestiones de diseño y se presentó un ejemplo de enlace para un sistema inalámbrico, empleando la modulación PAM RZ a la señal aleatoria de radiofrecuencia ³².

En el 2019 se hizo una revisión detallada en la que demuestran la tecnología de Radio sobre Fibra perfecta para la futura generación de sistemas de comunicación con menor atenuación, mayor ancho de banda e inmunidad a interferencias electromagnéticas con gran área de cobertura. Así mismo, se discutieron en detalle las diversas técnicas de multiplexación y modulación para mejorar su rendimiento ³³.

En la misma revista de tecnología Lightwave se demostró el primer transmisor digital de Radio sobre Fibra Sigma-Delta en tiempo real en la banda de 22,75 - 27,5 GHz, sin la ayuda de conversión ascendente analógica/óptica o duplicación de la frecuencia portadora habilitada por un 100-GS/s de baja latencia del moduladora sigma-delta ³⁴.

En la Universidad de Paris-Est, en el 2020, se presentó una tesis doctoral en la cual se estudió el desempeño de la tecnología de Radio sobre Fibra para la transmisión de formas de onda 5G sobre enlaces entre estaciones base y unidades remotas que brindan cobertura de radio a los usuarios móviles, permitiendo determinar los rangos de funcionamiento óptimos del sistema vinculados a la elección de componentes y parámetros de transmisión ³.

Por su parte, en la Revista Internacional de Ingeniería Eléctrica e Informática Tan Tran y Trung Bui ³⁵ presentaron un modelo mejorado de sistemas de comunicación RoF, utilizando la técnica de multiplexación por subportadora/multiplexación por división de longitud de onda (SCM/WDM). Los resultados de las simulaciones confirmaron que se podría obtener la menor tasa de errores de bits usando la modulación óptica de banda lateral única (OSSB) en las frecuencias 193.1 THz, 193.2 THz, 193.35 THz y 193.6 THz. En la investigación denominada “Radio sobre Fibra: una tecnología de red de banda ancha alternativa para IoT” se proyecta un estudio de dos estrategias de Radio sobre Fibra, en el que ambas tienen un rendimiento excelente e incluso ofrecen la posibilidad de extender la cobertura del área inalámbrica donde las redes móviles no llegan o la red 802.11 presenta problemas. La Radiofrecuencia sobre Fibra (RFoF) y la Frecuencia Intermedia sobre Fibra (IFoF) son dos estrategias de transmisión compatibles con los nuevos servicios de banda ancha ³⁶.

De igual forma, en el 2020, en Indonesia lanzaron un programa para la transición de los sistemas de televisión analógica a digital (DTV) para mejorar la eficiencia y la calidad de las señales; sin embargo, la infraestructura fue desafiada por la topografía única y la distribución de la población del país. Por esta razón, se analizan dos esquemas de distribución de Radio sobre Fibra (RoF), que son Fibra a la Torre y Fibra al Hogar, como candidatos para resolver este problema. Este análisis se consideró para siete regiones de Indonesia. Finalmente, se recomiendan diferentes esquemas para cada región, basados en consideraciones de pérdida de enlace a lo largo de todas las rutas ³⁷. En ese mismo año, en Australia, Lim y Nirmalathas ³⁸ expusieron los sistemas de Radio sobre Fibra como una tecnología híbrida que se introdujo por primera vez en el campo de las telecomunicaciones en los años ochenta. Esa investigación tuvo como objetivo proporcionar una descripción general de las áreas de investigación actuales en RoF, discutiendo los desafíos y las perspectivas de futuro en este campo de estudio.

En el 2021, Li y otros ³⁹ publicaron el artículo “Procesamiento de Señal MIMO de dominio óptico asistido por Radio sobre Fibra Analógico para redes de acceso de radio de alto rendimiento y bajo costo”, en el que proponen un concepto de RAN asistido por Radio sobre Fibra rentable, pero de alto rendimiento. La señal MIMO se transporta por la fibra y se procesa ópticamente en una unidad central, demostrando que el diseño ARoF es capaz de reducir el costo total de RAN.

Finalmente, en Ecuador se hizo una evaluación del sistema de RoF utilizando diferentes esquemas de modulación digital convencionales e híbridos a través del software de simulación OptiSystem 7.0, comparando las métricas de factor Q, la tasa de error de bits (BER) y la potencia recibida (Rx) ⁴⁰.

3.2. Panorama nacional

En Colombia, la Revista Ingeniería, Investigación y Tecnología publicó un artículo acerca de un estudio comparativo de técnicas de generación de señales para el transporte de información en sistemas de Radio sobre Fibra usando técnicas de combinación óptica. El estudio se basó en tres técnicas de generación: brazo doble, generación en paralelo y generación serial. Los resultados muestran que los índices de modulación para los esquemas de brazo doble y serial presentan una dependencia entre sí, mientras que la configuración de generación en paralelo tiene una mayor flexibilidad en el establecimiento de los índices de modulación ⁴¹.

Por su parte, la Facultad de Ingeniería en Tecnologías de Información y Comunicación de la Universidad Pontificia Bolivariana propuso el uso de Radio sobre Fibra como una solución alternativa para la nueva generación de redes inalámbricas y cableadas para futuras aplicaciones como el 5G, ya que al implementar esta tecnología se pueden transmitir señales de radio a grandes distancias con bajas tasas de error de bit y baja latencia, logrando obtener bajas tasas de VER en distancias superiores a 1 km ⁴².

En el año 2016, Flórez Guevara ⁴³ analizó el desempeño de dos técnicas de compensación electrónica: algoritmo de módulo constante (CMA) y back-propagation (BP). Estas técnicas se utilizaron para compensar la degradación ocurrida a señales eléctricas en banda base y señales de Radio sobre Fibra, observando que ambos logaritmos logran disminuir la distorsión de la señal recibida. Para este análisis se empleó la herramienta computacional Matlab para las simulaciones. Se pudo concluir que las aplicaciones de RoF, CMA y BP presentan buen desempeño para redes de acceso, mientras BP actúa mejor para redes de área metropolitana.

En Bogotá, en el 2017, Díaz Díaz ⁴⁴ presentó su trabajo de grado “Análisis de sistemas de Radio sobre Fibra usando fibras ópticas de plástico”, en el cual se exploraron los avances en la transmisión de información, encontrando que el objetivo en materia de entrega de servicios multimedia es una red convergente de fácil instalación, en la que se pretende alcanzar conexiones inalámbricas a las velocidades de transmisión de conexiones fijas de hasta 10 Gbps. Adicionalmente, se discutieron las ventajas que implica el uso de fibras ópticas de plástico en escenarios en lo que otros medios de transmisión pueden llegar a ser insuficientes, generar inconvenientes en la transmisión o sobrecostos innecesarios.

Un año después, Patiño ⁴⁵, presentó el diseño de un sistema de Radio sobre Fibra óptica para ondas milimétricas en redes móviles 5G, planteando la necesidad de usar un nuevo segmento del espectro radioeléctrico superior en frecuencias a los actualmente utilizados por los sistemas de comunicaciones móviles, estas frecuencias se denominan ondas milimétricas (MMW). En consecuencia, se presentó la tecnología de Radio sobre Fibra como la base del transporte de las señales convergentes entre la CO (central de procesamiento) y las RB (radio bases).

En otra investigación en el 2018, en la Universidad del Cauca se estudiaron los sistemas de Radio sobre Fibra aplicados a servicios Quad Play (voz/datos, video y radio - telefónico celular) para tecnologías FTTH. Se utilizó la herramienta de simulación OptSim con el fin de analizar el sistema FTTH-GPON para servicios Quad Play. Finalmente, se evaluó el desempeño a nivel físico de la red FTTH-GPON, al integrar el módulo RoF, con base en los parámetros de monitoreo óptico ⁴⁶. Nuevamente en Bogotá, Castillo y Moreno ⁴⁷ desarrollaron un transmisor de frecuencias de Radio sobre Fibra para tener una capacidad mayor de transmisión y pérdidas de propagación bajas, logrando un ancho de banda superior en transmisión de señales de RF. Para la elaboración del sistema se realizaron pruebas de laboratorio, concluyendo que con la implementación de este sistema se genera un bajo consumo de potencia.

En el 2019 se presentó un artículo de investigación científica denominado “Análisis del impacto de la conversión analógica a digital en el desempeño de sistemas de RoF digitalizado”, en el cual se evaluó numéricamente el impacto del proceso de digitalización en el desempeño de escenario Radio sobre Fibra digitalizado a frecuencia intermedia (IF-DRoF). El sistema IF-DRoF comprende una solución flexible de bajo costo, que extiende la distancia de transmisión y escala la tasa de bit con el producto n bits x frecuencia muestreo, comparando con el sistema RoF analógico. De esta forma, se demuestra que el rango dinámico es independiente de la distancia de transmisión, excepto cuando el nivel de señal cae por debajo de la sensibilidad del fotodetector del enlace óptico ⁴⁸.

En ese mismo año, Ortiz Londoño ⁴ desarrolló un algoritmo, implementado en Matlab, que permitió la transmisión de señales en un canal óptico utilizando la técnica de multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal (OFDM) en el medio óptico, Radio sobre Fibra y el modelo matemático que describe un canal de fibra óptica. Presentó el análisis del modelo desarrollado a partir de las constelaciones de las señales a lo largo de la transmisión, centrándose en el desfase observado y el efecto de los esquemas de compensación de errores ⁴⁹.

En el 2020, el Departamento de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad de Antioquia caracterizó un sistema de red híbrido de Radio sobre Fibra, operando en las frecuencias 60, 75 y 82 GHz, siendo la de 60 GHz banda de uso libre y las de 75 y 82 GHz bandas para las redes 5G, determinando la viabilidad del modelo y su alcance. Adicionalmente, se implementaron técnicas de Machine Learning que mejoraron el desempeño de la red, en términos BER. Este proyecto se dividió en dos etapas. En la primera se llevó a cabo un sistema de simulación en el que se desarrolló un sistema de Radio sobre Fibra y se caracterizaron parámetros del sistema. En la segunda se describió la etapa eléctrica de una red de comunicación utilizando un sistema de radio definido por software (SDR) ⁴.

Desde otro enfoque, en el 2020 Rodríguez Franco ⁵⁰ presentó un trabajo de grado que consistió en la simulación de un enlace de Radio sobre Fibra para la transmisión de imágenes diagnósticas en patologías cardiorrespiratorias de neonatos, mostrando los resultados producto de la simulación en GNU radio de un enlace radio que compara la señal de transmisión cuando se envía una imagen radiográfica de tórax de 40.1 KB con data rates de 20 Mbps, 200 Mbps y 2 Gbps, en un escenario ideal, únicamente de radio con canal de fibra óptica. También se presentan los resultados de la tasa de error de bits de la simulación en OptiSystem de todo el enlace de Radio sobre Fibra, comprobando que el prototipo es totalmente funcional con una tasa de error de bit cercana a cero.

Por otro lado, en el 2021 la Universidad Católica de Colombia publicó un trabajo de grado titulado “Sistema de RoF como plataforma física de transporte de datos de metrología en Colombia”, en el cual se simula un prototipo de red RoF aplicada a las necesidades del Instituto Nacional de Metrología (INM). Este sistema RoF tiene como finalidad servir de plataforma física para el transporte datos que requieran ser precisos, exactos, seguros, en tiempo real y con gran capacidad de transmisión ⁵¹.

3.3. Panorama regional

En el 2016, en Cúcuta, Torres y otros ⁵ describieron la simulación de un sistema RoF utilizando multiplexación WDM mediante el software Matlab, el cual tuvo como objetivo modelar y simular un sistema de Radio sobre Fibra para evaluar las degradaciones producidas por la dispersión que afectan la señal en la transmisión de información. Una de las degradaciones más significativas se produce por la atenuación que afecta la amplitud de la señal óptica en la salida en un factor de 0.22 dB/km. Implícitamente se nota que cada 31,5 km de longitud se cae 6 dB, por lo que se recomienda implementar una etapa de amplificación óptica en el fotorreceptor para recuperar adecuadamente la señal enviada ⁵.

En el 2016, la Revista Colombiana de Tecnologías de Avanzada presentó un artículo acerca del estudio, simulación y evaluación de los fenómenos ópticos no lineales, auto-modulación de fase (SPM), modulación de fase cruzada (XPM) y mezcla de cuatro ondas (FWM), los cuales se muestran en una comunicación por fibra óptica y son generados por el efecto eléctrico-óptico Keer. El modelado de los fenómenos no lineales se efectuó en la herramienta computacional Matlab, para determinar las degradaciones producidas en la transmisión de información. En los resultados se evidenció que la incidencia de los fenómenos no lineales es directamente proporcional a la potencia óptica que adquiere la señal a la entrada del canal ⁵².

En el 2018, Puerto López y otros publicaron un artículo en el que mostraron la metodología para evaluar los efectos lineales y no lineales presentes en un sistema de Radio sobre Fibra, empleando la técnica de multiplexación por división de onda densa, con esparcimientos de 50 GHz, según las normas de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, con una velocidad de canal de 10 Gbps, a una potencia de entrada en el canal óptico de 30 mW, para tramos de fibra óptica de 40, 60 y 80 km. Al final, se observó que los efectos que degradan la señal son proporcionales a las distancias de la fibra óptica establecidas y que la potencia óptica de entrada empleada es óptima para que la fibra se comporte como medio no lineal ⁵³.

Finalmente, en el 2020 Ropero y otros ⁵⁴ plantearon un sistema de comunicaciones óptico, en el que se modularon los datos usando modulación por desplazamiento de fase (PSK) y la técnica de multiplexación por división de frecuencia (FDM). De esta manera, se analizó el rendimiento de comunicaciones óptico, realizando una comparación entre los formatos de modulación Q-PSK, 8-PSK y 16-PSK. Se concluyó que el valor promedio de la tasa de error de modulación para 16-PSK está en un 41% mayor que en Q-PSK y 8-PSK, arrojando que el formato 16-PSK genera un mayor rendimiento y calidad en la transmisión de información para este tipo de sistemas ⁵⁴.