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26/12/2024
Tecnologías de transmisión sobre fibra óptica: A-RoF y PWoF
La transmisión simultánea de energía y datos a través de fibra óptica, mediante la integración de tecnologías como radio sobre fibra analógica (A-RoF, Analog Radio-over-Fiber), transmisión de energía sobre fibra óptica (PWoF, Power-over-Fiber), modulación de amplitud en cuadratura de 64 niveles (64-QAM, 64-Quadrature Amplitude Modulation) y multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), constituye una revolución para las comunicaciones modernas. Estas tecnologías innovadoras no solo incrementan la eficiencia de las redes inalámbricas, sino que también posibilitan la alimentación de dispositivos remotos sin necesidad de infraestructuras eléctricas convencionales, optimizando al mismo tiempo la calidad de las señales transmitidas y la distribución de energía. En un contexto global que demanda una conectividad cada vez más robusta, estas soluciones tecnológicas se perfilan como fundamentales para satisfacer las exigencias futuras.
En este sentido, resulta relevante analizar la Figura 10, donde se presentan las penalidades del vector de error (EVM, Error Vector Magnitude) correspondientes al enlace directo, así como las señales de datos de transmisión ascendente y descendente en sistemas A-RoF. Asimismo, la figura detalla la potencia eléctrica suministrada en función de la potencia total de luz de alimentación inyectada en el enlace PWoF (López-Cardona et al., 2021; Vázquez et al., 2019). Para determinar el impacto de la transmisión simultánea de hasta 150 W de luz de alimentación sobre el desempeño de las señales de datos en A-RoF, se realizaron mediciones de las penalidades de EVM. El experimento empleó un esquema de modulación basado en 64-QAM, en combinación con OFDM, siguiendo el estándar WLAN IEEE 802.11a (Matsuura & Sato, 2015).
Asumiendo, que la frecuencia portadora y la velocidad de transmisión del paquete son de 5.2 GHz y 54 Mbit/s, respectivamente (López-Cardona et al., 2018). En este experimento, el valor de EVM del enlace directo, que representa la señal transmitida directamente entre la central, (CO, Central Office), y la unidad remota de antena, (RAU, Remote Antenna Unit), sin el enlace PWoF, fue de 0.84% cuando la potencia de la señal eléctrica recibida se estableció en −30 dBm. Aunque el valor de EVM debe ser inferior al 5.6% para el formato de señal inalámbrica utilizado en este experimento para una implementación real, las penalidades de EVM obtenidas fueron inferiores al 0.05%, incluso si la potencia de la luz de alimentación se incrementa hasta 150 W (Diouf et al., 2020; Vázquez et al., 2019).
Teniendo en cuenta la capacidad de transmisión de potencia del enlace PWoF, a medida que la potencia óptica de alimentación inyectada en el enlace aumenta hasta 150 W, la potencia eléctrica suministrada se incrementa hasta 43.7 W, y la eficiencia de transmisión de potencia, definida como la relación entre la potencia total óptica de alimentación y la potencia eléctrica suministrada, alcanza aproximadamente el 30% (Matsuura & Sato, 2015; López-Cardona et al., 2021).
Qué es la transmisión de radio sobre fibra (A-RoF)
En cuanto a la transmisión de radio sobre fibra analógica, (A-RoF, Analog Radio-over-Fiber), se trata de una tecnología que facilita la propagación de señales de radiofrecuencia a través de enlaces de fibra óptica sin realizar una conversión digital previa. Este método permite la distribución eficaz de señales de alta frecuencia como las utilizadas en sistemas de comunicaciones móviles y radar. A su vez, la fibra óptica ofrece beneficios clave, como un amplio ancho de banda y bajas pérdidas, optimizando la calidad de la transmisión. Este enfoque simplifica los sistemas al eliminar la necesidad de procesamiento digital, reduciendo costos y complejidad (Li et al., 2021).
Importancia del vector de error (EVM) en comunicaciones inalámbricas
Por otro lado, la magnitud del vector de error, (EVM, Error Vector Magnitude), constituye un indicador esencial para evaluar la calidad de las señales moduladas en comunicaciones digitales. Este parámetro mide la discrepancia entre las posiciones ideales y reales de una constelación de modulación, expresando dicha variación en porcentaje o decibelios. Específicamente, en sistemas que implementan la modulación de amplitud en cuadratura de 64 niveles, (64-QAM, 64-Quadrature Amplitude Modulation), mantener un EVM bajo es fundamental para garantizar la fidelidad en la transmisión y reducir las tasas de error (López-Cardona et al., 2021; Vázquez et al., 2019).
Modulación 64-QAM: eficiencia espectral y desafíos
De manera adicional, la modulación de amplitud en cuadratura de 64 niveles, (64-QAM, 64-Quadrature Amplitude Modulation), es una técnica que transmite datos mediante la variación de amplitud de dos señales portadoras ortogonales. Esta modulación representa 64 estados distintos al combinar seis bits por símbolo, maximizando la eficiencia espectral. Sin embargo, su sensibilidad al ruido y a las distorsiones incrementa los requisitos exigidos a la relación señal-ruido para un desempeño confiable, subrayando la importancia de mantener un control estricto de parámetros como el EVM (Diouf et al., 2020).
Multiplexación OFDM: optimización del espectro de frecuencias
De igual forma, la multiplexación por división de frecuencia ortogonal, (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), divide el espectro disponible en múltiples subportadoras ortogonales, permitiendo la transmisión paralela de datos. Esta técnica es altamente robusta frente a las interferencias y la dispersión por múltiples trayectorias, adaptándose a condiciones adversas del canal de comunicación. Es empleada ampliamente en estándares como la WLAN IEEE 802.11a por su eficiencia y capacidad para manejar altas velocidades de transmisión de datos (Matsuura & Sato, 2015).
Integración de transmisión simultánea de energía y datos
Asumiendo, que la transmisión simultánea de niveles ópticos de alimentación de alta potencia, integra el suministro eléctrico a través de fibra óptica con la transmisión de señales de datos mediante A-RoF. Este enfoque, permite alimentar dispositivos remotos sin infraestructura eléctrica local. Aunque la luz de alta intensidad podría impactar el rendimiento de los datos, investigaciones muestran que, incluso con potencias de hasta 150 W, las penalidades de EVM permanecen en niveles aceptables (<0.05%), manteniendo la calidad de la señal (López-Cardona et al., 2021; Vázquez et al., 2019).
En aplicaciones prácticas, estas tecnologías encuentran un uso combinado para optimizar redes inalámbricas. Por ejemplo, la integración de A-RoF con 64-QAM y OFDM permite transmitir datos de alta calidad en redes de gran escala. Asimismo, la transmisión de luz de alimentación de energía de alta potencia, mejora la conectividad en ubicaciones remotas sin acceso a fuentes de energía convencionales (Matsuura & Sato, 2015).
En este contexto, la Tabla I presenta el presupuesto de potencia de un enlace de transmisión de energía sobre fibra óptica, (PWoF, Power-over-Fiber). En ella, se destaca que la mayor pérdida ocurre durante la conversión óptica-eléctrica en el convertidor de potencia fotovoltaica, (PPC, Photovoltaic Power Converter). Además, es importante señalar que la pérdida en la fibra de doble revestimiento, (DCF, Double-Clad Fiber), depende significativamente de la longitud de onda óptica de alimentación utilizada, lo que convierte la selección de dicha longitud de onda en un factor crítico para futuras aplicaciones de la tecnología PWoF que empleen fibras de doble revestimiento más extensas. Por lo tanto, resulta indispensable considerar no solo la eficiencia de transmisión de energía eléctrica en comparación con los sistemas convencionales de suministro eléctrico, sino también la eficiencia de conversión electro-óptica, (E/O, Electro-Optical), en el diodo láser de alta potencia, (HPLD, High-Power Laser Diode).
Por otro lado, de acuerdo con los resultados de diversas investigaciones, se ha determinado que la eficiencia de conversión del diodo láser HPLD es del 45%, lo que permite que la eficiencia total de transmisión de energía eléctrica en un enlace PWoF alcance aproximadamente el 13,5%. Aunque este valor es considerablemente bajo en comparación con la eficiencia de las líneas de alta tensión utilizadas en los sistemas eléctricos comunes subterráneos o aéreos, como señalan Novak et al. (2016), no es tan bajo como el de las líneas de baja tensión destinadas a uso en interiores. Sin embargo, es relevante destacar que, si se lograra mejorar la eficiencia de conversión tanto de los diodos láser HPLD como de los convertidores fotónicos PPC, la eficiencia de transmisión de energía podría alcanzar niveles similares a los de las líneas de baja tensión, especialmente en sistemas con líneas de transmisión más largas. En este sentido, Novak et al. (2016) indica que la transmisión de energía a través de Ethernet, (PoE, Power-over-Ethernet), ha sido estandarizada para distancias de hasta 100 m, aunque presenta una pérdida de transmisión de aproximadamente el 30% en ese rango, salvo que se utilicen funciones de potencia extendida.
Asimismo, es importante seleccionar longitudes de onda óptica de suministro de energía con menor pérdida en las fibras ópticas, ya que la pérdida se vuelve predominante al transmitir sobre distancias muy largas. Sin embargo, como la eficiencia de conversión de los diodos HPLD y los convertidores fotónicos PPC, (Photovoltaic Power Converter), varía con el cambio en la longitud de onda óptica de alimentación, es esencial usar una longitud de onda óptima en función de la distancia de transmisión. Matsuura y Minamoto (2017) destacan que la selección adecuada de la longitud de onda puede mitigar significativamente las pérdidas de potencia, mejorando así la viabilidad del sistema.
Por último, una característica importante de la técnica PWoF es la alta linealidad del control de alimentación de energía, como se ilustra en la Figura 10. Además, esta linealidad está relacionada con las características de linealidad de los diodos HPLD y PPC. Dado que la tecnología PWoF no requiere convertidores de corriente alterna a corriente continua y viceversa, la alta linealidad puede facilitar el control remoto al ajustar el suministro de energía apropiado según el tráfico de datos móviles en las unidades de antena remota, (RAU, Remote Antenna Unit). Según Matsuura et al. (2020), este enfoque podría transformar significativamente la capacidad de los sistemas distribuidos de antenas basados en radio sobre fibra, (RoF, Radio-over-Fiber).
Eficiencia en enlaces PWoF: retos y avances tecnológicos
En primer lugar, el presupuesto de potencia en un enlace de transmisión de energía sobre fibra óptica (PWoF, Power-over-Fiber) se refiere al balance total de energía desde la fuente emisora hasta el receptor final. Este cálculo considera todas las pérdidas inherentes al sistema, incluyendo la atenuación de la fibra óptica, las pérdidas en los conectores y la eficiencia de los dispositivos de conversión electro-óptica y fotoeléctrica. Por ejemplo, en un enlace PWoF que utiliza un diodo láser de alta potencia (HPLD, High-Power Laser Diode) con una eficiencia de conversión del 45% y un convertidor de potencia fotovoltaica (PPC, Photovoltaic Power Converter) con una eficiencia similar, la eficiencia total del sistema sería aproximadamente del 13,5%, considerando también las pérdidas en la fibra óptica (Novak et al., 2016).
Además, los convertidores de potencia fotovoltaica (PPC) siendo dispositivos que transforman la luz en energía eléctrica, se hacen esenciales en sistemas PWoF, ya que reciben la potencia óptica transmitida a través de la fibra óptica y la convierten en electricidad utilizable. Un ejemplo práctico es el KPC8H-FC, un convertidor de energía fotovoltaica de alta potencia desarrollado por Kyoto Semiconductor, que ofrece una alta eficiencia en la conversión de potencia óptica a electricidad (Diario Electrónico Hoy, 2022).
Por otro lado, la fibra de doble revestimiento (DCF, Double-Clad Fiber) es un tipo de fibra óptica diseñada con dos capas de revestimiento que permiten la propagación eficiente de luz de bombeo de alta potencia para aplicaciones con amplificadores ópticos y láseres. Esta estructura facilita la combinación de múltiples fuentes ópticas en una sola fibra, mejorando la eficiencia en la transmisión de energía. Por ejemplo, los combinadores de bombeo para fibra ópticas, como el (6+1)×1 Multi-Mode Fiber Combiner, utilizan fibras de doble revestimiento para combinar seis láseres de bombeo y una señal en una única fibra óptica de salida, optimizando la entrega de energía en sistemas láser de alta potencia (Box Optronics, s.f.).
Asimismo, los diodos láser de alta potencia (HPLD), se han convertido en fuentes ópticas que emiten intensos haces láser y se emplean en diversas aplicaciones, incluyendo la transmisión de energía a través de fibra óptica. Estos láseres ofrecen alta eficiencia y estabilidad, siendo fundamentales en sistemas PWoF para generar la luz que será transmitida por la fibra óptica. Por ejemplo, los módulos láser de diodos de alta potencia de Oxxius proporcionan emisiones multimodo con potencias que pueden alcanzar hasta 1200 mW, siendo utilizados en aplicaciones de biomedicina, iluminación e inspección industrial (Iberoptics, s.f.).
En otro contexto, como una técnica complementaria, la transmisión de energía a través de Ethernet (PoE, Power-over-Ethernet) se ha convertido en una tecnología que permite suministrar energía eléctrica junto con datos a través de cables Ethernet estándar. Esta técnica es común en redes de área local para alimentar dispositivos como teléfonos IP, cámaras de seguridad y puntos de acceso inalámbricos, eliminando la necesidad de cables de alimentación adicionales y simplificando la instalación de dispositivos en lugares donde el tendido de cables eléctricos sería complicado o costoso (Matsuura et al., 2020).
Aplicaciones prácticas de A-RoF y PWoF en redes modernas
Hay que resaltar, que una característica destacada de la tecnología PWoF es su alta linealidad en el control de alimentación. Esta propiedad permite un ajuste preciso de la potencia suministrada, facilitando el control remoto y la adaptación dinámica según las necesidades del sistema. Por ejemplo, en sistemas de antenas remotas, la alta linealidad de la PWoF permite ajustar el suministro de energía de acuerdo con el tráfico de datos móviles, optimizando el rendimiento y la eficiencia energética del sistema (Matsuura et al., 2017).
En conclusión, las tecnologías A-RoF y PWoF, junto con avances como 64-QAM y OFDM, demuestran ser fundamentales para las redes del futuro. Su integración permite comunicaciones más rápidas y eficientes, al tiempo que optimizan el uso de energía en aplicaciones remotas. Invitamos a los lectores a profundizar en estas áreas tecnológicas, cuya evolución impactará significativamente en la conectividad global y en las soluciones energéticas sostenibles de las próximas décadas.
La Importancia de las Licencias Creative Commons en la Difusión del Conocimiento Científico
En el ámbito de la investigación científica, compartir el conocimiento de manera abierta y accesible es clave para el avance de la humanidad. Por esta razón, cada vez más autores y publicaciones eligen utilizar licencias que permitan el uso responsable de sus trabajos. Entre ellas, la licencia Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY 4.0) destaca por su capacidad para democratizar el acceso al conocimiento, promoviendo el uso, la adaptación y la redistribución del contenido, siempre y cuando se otorgue el crédito correspondiente al autor original. Así, esta licencia fomenta una cultura de colaboración en la que el reconocimiento y la apertura se combinan para impulsar la innovación y el desarrollo.
Por otro lado, la licencia Creative Commons Attribution 4.0 es particularmente valiosa porque permite a los usuarios compartir y modificar el contenido para cualquier propósito, incluso con fines comerciales. Aunque se otorga libertad para utilizar los materiales de múltiples maneras, la condición principal es que se atribuya correctamente al autor original, incluyendo el título del trabajo y la fuente. Además, al tratarse de una licencia internacional, es ampliamente aceptada en diferentes contextos legales, lo que la convierte en una herramienta versátil para el intercambio global de conocimientos. De esta manera, se garantiza que los resultados de las investigaciones puedan llegar a un público amplio, trascendiendo fronteras y promoviendo una verdadera comunidad académica global.
Asimismo, un ejemplo claro de esta filosofía es el artículo “Power-Over-Fiber Using Double-Clad Fibers” de Motoharu Matsuura, publicado en el Journal of Lightwave Technology. Este trabajo, bajo la licencia CC BY 4.0, no solo ofrece un análisis detallado sobre el uso de fibras ópticas de doble revestimiento para la transmisión de energía, sino que también se convierte en una base fundamental para futuros proyectos e investigaciones. En el caso del presente artículo, el uso de este paper como documento principal no solo es posible, sino que está plenamente respaldado por la licencia. Además, esta apertura permite contextualizar, adaptar y aplicar los conceptos presentados en el paper, siempre reconociendo el mérito y la contribución del autor original.
Por estas razones, es evidente que las licencias como la CC BY 4.0 facilitan el acceso universal al conocimiento. En primer lugar, eliminan barreras económicas y legales que muchas veces limitan el alcance de las investigaciones científicas. Además, al permitir la adaptación del contenido, se abren puertas para el desarrollo de nuevas ideas, aplicaciones y tecnologías que enriquecen tanto el ámbito académico como el industrial. Sin embargo, también es importante destacar que este modelo protege los derechos del autor, asegurando que su trabajo sea valorado y reconocido, incluso cuando se comparte de manera abierta y gratuita.
En última instancia, el uso de licencias Creative Commons, como la elegida por Motoharu Matsuura para su publicación, no solo enriquece la investigación individual, sino que también contribuye a un ecosistema científico más inclusivo y dinámico. Por lo tanto, al incorporar estos principios en la preparación de artículos académicos o divulgativos, se refuerza el compromiso con una ciencia abierta y accesible para todos. Así, el conocimiento alcanza su mayor impacto, cumpliendo con su propósito más fundamental: ser compartido y utilizado para el progreso colectivo.
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