Luego de mucho tiempo se me presenta la oportunidad de realizar una publicación en este Blog. Principalmente por razones de trabajo y académicas me he visto imposibilitado de publicar algo, sin embargo como dice el dicho: “No hay mal que por bien no venga”, debido a una lesión y descanso médico he podido dedicar un tiempo a preparar la presente publicación.
Entrando en materia, hace algunos meses tuve el honor de participar en el Congreso de BICSI que se realizó en Lima y tuve a cargo una breve ponencia, para lo cual tuve que investigar sobre el estado de las TIC a nivel global y a nivel del Perú y me encontré con datos impresionantes, por ejemplo Chirag Dekate, de Gartner, la consultora, estima que para el año 2020 habrá 25,000 millones de “cosas” conectadas en uso. También calcula 44 zetabytes de datos digitales para ese año. Es más indica que “El 2018 marcará el inicio de la democratización de la inteligencia artificial”.
Asímismo, según Gartner, el impacto que tendrá IoT será de cinco a diez veces mayor que el de internet. Un estudio de IDC revela que el mercado mundial de IoT crecerá a 17,000 millones de dólares en tres años, y para el 2020, Frost and Sullivan estima que cada persona tendrá cinco dispositivos conectados en promedio. Los ingresos de empresas latinoamericanas con estrategias IoT se elevarán en 27.1 %, según Forbes.
Se pueden imaginar lo que representa que cada persona tenga cinco dispositivos conectados a la red?. Hoy muchas personas portan dos celulares, tablet, laptop, smart watch, etc.
En el Perú, por otro lado hay camino por recorrer. Según datos de la UIT, el porcentaje de hogares con computadora asciende a 33.47%, y el porcentaje de hogares con acceso a internet llega tan solo al 26.37%, y considerar la velocidad que se tiene, según la UIT el Ancho de banda de Internet internacional por usuario de Internet es de 33,314.69 (Bit/s) (Fuente: UIT: http://www.itu.int/net4/ITU-D/idi/2017/index.html#idi2017economycard-tab&PER).
Volviendo al tema del vertiginoso crecimiento del IoT a nivel global, es necesario contar con una infraestructura idónea a nivel de casas, edificios, …, ciudades, entonces escuchamos de los Smart Home, Smart Building,…., Smart City.
Justamente sobre los Smart Building, quiero compartir con ustedes un valioso artículo que leí en la revista digital de BICSI: ICT Today que se denomina “Evolution of Cabling and IoT Compatibility”, cuyo autor es Gautier Humbert, RCDD. Lo presento en versión traducida al español, esperando que sea de utilidad.(pueden acceder a la versión original en el siguiente link: http://www.epageflip.net/i/1043933-ict-today-nov-dec/0?)
Evolución del cableado y compatibilidad IoT
¿De dónde viene y adonde va?
Desde la primera norma ratificada en 1990, el Sistema de cableado estructurado se ha basado en una topología estrella compuesta por el backbone y el enlace horizontal. Este diseño ha asegurado confiabilidad, flexibilidad, facilidad de manejo, y una base estable para el desarrollo de múltiples aplicaciones. Hoy en día, la norma americana ANSI/TIA 5668, la europea EN 50173 y la internacional ISO/IEC 11801, comparten el mismo diseño básico de dos capas de backbone con un máximo de 90 metros de enlace horizontal en un ambiente comercial.
Desde los teléfonos análogos de 10 megabits por segundo, la tecnología de la información y comunicaciones (TIC) ha progresado a 40 Gbps en la horizontal, 400 Gbps en el backbone y se ha agregado alimentación remota a través de “Power over Ethernet” (PoE). El cableado estructurado ha integrado celulares, data y videocámaras, mientras que la gestión de edificios se ha mantenido en una infraestructura propia. Con la llegada del internet de las cosas (IoT), los LEDs que necesitan menos energía que las anteriores soluciones de iluminación, y USB, ZIGBEE y Bluetooth creando múltiples puentes entre redes, es tiempo que el cableado estructurado provea no solo una infraestructura para la comunicación total del edificio, también para una significante parte de la energía.
Estándares
Los estándares son mayormente vistos como reglas fijas imponiendo requerimientos, pero históricamente los estándares han sido muy flexibles. Estos evolucionan para adaptarse a las nuevas tecnologías, a veces están sujetos a interpretación, pero aún más importante, los estándares proveen el mínimo de requerimientos para las aplicaciones de TIC. Además, es posible crear métodos en los que se supera los estándares, siempre y cuando se cumple el mínimo de los requerimientos. Todos los estándares del cableado estructurado cumplen con la topología estrella, mientras que también permite variaciones topológicas.
La tradicional topología estrella
Cuando se piensa acerca de una topología estrella, uno imagina el usual distribuidor del edificio (BD) en la planta baja y luego a un distribuidor de piso, en cada piso. Este es el caso de la mayoría de las instalaciones y se ha probado que es eficiente y confiable, pero también tiene los siguientes defectos/fallos:
- El cuarto de telecomunicaciones (TR): cuando se diseña, siempre es perfecto, tiene mucho espacio y la administración perfecta de los cables en los racks. Pero luego de la instalación, debido a varias restricciones de tiempo y espacio, el resultado puede llegar a ser totalmente diferente a lo esperado.
- Las rutas: por estándar y en teoría, están diseñados para una tasa de llenado máxima de 40%, pero cuando se realizan cambios, se llenan rápidamente.
- Cambios: con grandes cables en los techos, movimientos, adiciones y cambios (MACs) pueden llevar a significantes interrupciones y costos. Puntos de Consolidación (CPs) y los terminales de telecomunicaciones multiusuario (MUTOAs) pueden mejorar esto mediante la gestión del cableado local.
- Riesgo de fuego: más cables implican más plástico y consecuentemente más combustible en caso de un incendio. La longitud de los cables largos a menudo cruza las barreras de fuego así que se necesitan cortafuegos (firestops), lo cual es riesgoso olvidar durante el MACs.
- Eficiencia de energía: el máximo de 90 metros de longitud en un cable es generalmente usado para diseñar un mínimo de TRs que usan todo el espacio y suben los precios. Sin embargo, con las aplicaciones PoE, una longitud larga también significa mayor resistencia y menos eficiencia de energía. En el peor escenario con un máximo de energía y de longitud, y una categoría baja de cable puede implicar hasta un 25% de desperdicio de energía.
- Desempeño: las aplicaciones están generalmente diseñadas para el estándar de 100 metros de cable, pero hay múltiples áreas grises donde los enlaces más cortos permiten un mayor rendimiento. La primera aplicación estandarizada para esto fue la 10GBase-T. A pesar de que haya sido diseñado para Cat 6, puede funcionar en Cat 6 por distancias limitadas dependiendo en la calidad de los productos y los métodos implementados en la instalación. Recientemente, 2.5GBase-T y 5GBase-T tienen similares métodos de testeo para verificar la posible conformidad de la existencia de Cat 5e y Cat 6 para distancias limitadas. Y la ultima Cat 8, a pesar de estar diseñado para data centers, puede encontrar un lugar en el ambiente comercial con un posible 25 Gb/s hasta 50 metros.
Con el incremento de cableado, PoE, y mejores topologías de ejecuciones, la tradicional topología estrella está empezando a alcanzar sus límites.
La solución FTTZ
La solución fibra-a-la-zona (FTTZ) no es nueva. Se solía referir como fibra-al-gabinete (FTTE). El concepto es simplemente extender la fibra backbone más allá en el espacio de oficina removiendo el rack principal o el gabinete en el TR, reemplazándolo con gabinetes más pequeños en las zonas alrededor de los usuarios.
Claramente, esto va a incrementar el costo de los gabinetes y a veces el material activo debido al bajo uso del puerto, pero también ofrece varias ventajas incluyendo:
- Ahorra espacio en bienes raíces con menores FDs y más pequeños.
- Zonas de trabajo más pequeñas, lo que garantiza una gestión del cable más sencilla.
- Más pequeñas y menos densas rutas. El mayor cambio es en la ruta principal afuera del TR, previamente soportando cientos de cables de cobre; ahora lleno con algunos cables de fibra.
- MACs: añadiendo o cambiando la ubicación de los cables puede ser más simple con longitudes cortas. Esto puede hacer la diferencia entre interrumpir solo una oficina e interrumpir un piso entero.
- Riesgo de incendio: hay menos material inflamable en caso de incendio. Más importante aún, los cables de la zona de trabajo hacia la salida de usuario, no cruzan las barreras de fuego. La necesidad de cortafuegos es eliminada, junto al riego de incumplimiento.
- Eficiencia mejorada: comparado con el promedio de 50 metros de longitud con la solución tradicional (entre 15 m y 90m), los cables ahora se reducen a un promedio de 15m, bajando la resistencia y la perdida mientras se transmite energía. PoE es más eficiente en longitudes cortas.
- Desempeño: cables más cortos significan mejor desempeño, aumentando la probabilidad de cumplimiento para la aplicación de mayor tasa de datos. También permite el despliegue de la Categoría 8 en un ambiente comercial.
La solución FTTZ mejora en varios aspectos la topología estrella tradicional, mientras mantienen el cumplimiento con los estándares. Un aspecto que siempre resalta es que también permite todas las aplicaciones estándares. Los gabinetes están disponibles en una variedad de opciones. Incluyendo montaje en pared tradicional, montaje en pared vertical poco profundo, y techos uniformes y versiones de suelo elevado. La redundancia eléctrica y de TI, si es necesario, se puede proporcionar fácilmente a la zona de gabinetes.
Empujando a FTTO
Ya que podemos llevar fibra cerca de los usuarios y evitar colocar equipos en el TR, ¿por qué no ir más allá en los espacios de oficina yendo directamente al escritorio? Aunque, si lo pensamos, fibra-al-escritorio (FTTD) ha sido implementado varias veces. Con la excepción de aplicaciones específicas, como seguridad o protección de EMI, realmente nunca ha tenido éxito porque todos los dispositivos vinieron con puertos de cobre, no de fibra. La solución fibra-a la salida de usuario (FTTO) se usa unos mini-switch en la salida de usuario, conectado a la fibra. Esto asegura que el usuario no tiene acceso a la fibra y todo el material puede ser conectado a cobre.
En esta solución, el mini-switch generalmente tiene una conexión de fibra al costado, y 4 o 5 puertos de cobre (a veces con PoE) al frente. Combina la mayoría de las ventajas del FTTZ con algunas más incluidas:
- No hay cables de cobre
- Hay menos manejo de cables
- No hay zona de Gabinetes para gestionar
- Con un estándar de puerto transceptor, la solución puede basarse en una fibra multimodo o monomodo dependiendo del transceptor elegido.
Sin embargo, existen desventajas:
- Dependencia de la fuente de alimentación local para el mini-switch.
- Cumplimiento de normas: generalmente, está prohibido extender el cable horizontal hasta el backbone. No obstante, es requerido que los cables de fibra horizontales se empalmen con los cables del backbone en el TR. Aunque esto no es complicado, se puede pasar por alto y crear riesgos de incendio.
- MACs: tener los cables muy cerca del usuario, es necesario que estén habilitados algunos núcleos de hilos de fibra extra.
- Falta de elección: hay muy pocos proveedores de esos productos; el formato y las opciones son limitadas.
- Compatibilidad con formatos locales: con el americano, inglés, francés, italiano, japonés, y otros múltiples formatos de placa frontal existentes en el mundo, puede ser desafiante encontrar el producto indicado para la región indicada.
La solución FTTO tiene algunas ventajas, pero también tiene serias desventajas que limitan el uso de aplicaciones específicas.
El PON
La tecnología PON fue introducida para apoyar la aplicación fibra-al-hogar (FTTH). Volviendo al proveedor de servicios, múltiples hilos son unidas con divisores pasivos, permitiendo una conexión de hasta 32 casas en una sola fibra. Claramente, esto ahora en cableado y provee una alta tasa de datos al hogar comparado con otras soluciones, tales como ADSL o cable coaxial.
Hace poco, esta tecnología ha sido introducida en el entorno LAN empresarial como una óptica pasiva LAN (POL) y como un reemplazo de la estructura de cableado. Esto ha sido ratificado en algunos estándares como una alternativa reconocida. POL provee algunas interesantes ventajas:
- La eliminación del equipo en el FD, como en la solución FTTO.
- Poco cableado, a veces con solo un hilo de fibra en el piso con algunos divisores pasivos.
- Una extrema reducción del manejo de cable.
- Una posible flexibilidad para MACs, dependiendo del diseño.
- Inmunidad al EMI, como otras soluciones a base de fibra.
Sin embargo, esta tecnología no fue originalmente diseñada para un entorno LAN, así que tiene sus desventajas:
- Un material de red costoso, diseñado para enviar señales a largas distancias.
- Falta de elección en el equipo de red, así como pocos proveedores.
- La necesidad de “cajas electrónicas” al nivel del usuario, llamadas terminales de redes ópticas (ONTs). Estas deben estar en el escritorio, sujeto a riegos, aunque los nuevos modelos ahora pueden estar en las paredes, techo o muebles.
- Dependencia de la fuente de alimentación local, con una dificultad de crear redundancia.
- Bajo rendimiento: un puerto de fibra con un rendimiento de 10G desde el interruptor del núcleo puede ser dividido en 32 hebras por cada conexión a 4 puertos ONT, efectivamente proveyendo un aproximado de 78 Mb/s por puerto. En comparación a un switch con 48 puertos de 1 gigabit conectado a un Cat 5e con un backbone de 10G en OM3 provee más de 200 Mb/s de media.
La tecnología PON proporciona una solución de bajo costo, inmunidad a EMI, mientras ahorras espacio y equipos en el FDs. También permite distancias más largas a comparación de otras operaciones. Pero igual tiene desventajas, limitando las aplicaciones específicas. De hecho, la tecnología PON es muy similar a FTTO, con menos cableado de fibra y mayores distancias, pero con un menor rendimiento y equipamiento específico a la red del área inalámbrica en vez del entorno LAN.
Cableado para los puntos de acceso inalámbricos
Hasta hace poco, el cableado para los puntos de acceso inalámbrico(WAPs) se realizaban después de la inspección del lugar. Con este método, la infraestructura inalámbrica no fue considerada parte de la estructura de cableado, ya que esta no sigue los mismos estándares. Todo lo que tomaba era la adición de muebles de metal en el cuarto para imponer la reubicación del dispositivo inalámbrico, requiriendo la rehabilitación de la longitud completa del cable.
Los estándares han tomado esto en cuenta y ahora proponen un guía especifica de cableado para la infraestructura inalámbrica. Ambos TIA TSB-162 y ISO/IEC TR 24702 proponen instalar salidas de usuario en el techo a intervalos regulares. La versión americana está basada sobre una rejilla cuadrada de 18.3m de lado, mientras que la versión internacional está basada en una estructura de panal con celdas de 12m de radio. Ambos definen un servicio inalámbrico (SO) con dos puertos Cat 6A mínimo. Los puntos de acceso están conectados al SO más cercano con un cable de conexión después de la inspección del lugar. En el futuro van a poder ser fácilmente movilizadas. Mientras que no se espera que reemplace el cableado tradicional, esta adición es similar al punto de consolidación o MUTOA. ANSI/BICSI 009-2018, Wireless Local Area Network(WLAN) Systems Design and Implementation Best Practices cubre locaciones y la ubicación de puntos de acceso a detalle.
Diseño de edificios inteligentes para IoT
Con la llegada de IoT, ANSI/TIA-862-B y ISO 11801-6 ofrecen soluciones para el cableado estructurado de sistemas de gestión de edificios como una alternativa a las soluciones de red propietarias. Las guías y mejores practicar para una visión global del diseño de edificios inteligentes están cubiertas en ANSI/BICSI 007-2017, Information Communication Technology Design and Implementation Practices for Intelligent Buildings and Premises.
Estos estándares permiten servicios de salida similares conectados a un dispositivo llamado punto de conexión horizontal (HCP) de acuerdo con TIA, y punto de conexión de servicio (SCP) por ISO/IEC. En primera instancia, el HCP es como un CP. No obstante, tiene dos características distintivas:
- Permite una conexión directa con los dispositivos sin necesidad de una salida; esta parte del cableado es considerada no estructurada.
- Permite tener un material activo adentro, algo que está prohibido en un CP. De esta manera, se asemeja al gabinete en el diseño FTTZ.
Las posiciones de HCPs y SOs están en una cuadricula similar al cableado para WAPs. Este tipo de infraestructura está diseñado para reemplazar todo otro cableado en el techo, permitiendo que la gestión de edifico implemente un sistema de sonido, un sistema de localización en tiempo real, cámaras de vigilancia, HVAC, luces LED, y muchas otras funciones de tecnología operativa (OT).
Es importante considerar la cantidad de cableados involucrados para entender que el equipo activo dentro del HCP es vital. Sin él, habría un aumento de todas las fallas en la tradicional topología estrella, siendo la más crítica: el calor en el cable. Los cables largos pueden causar una deficiencia en la distribución, la perdida de energía se transforma en calor, que puede llevar a un bajo desempeño de energía. Todos los cálculos de la estructura de las distancias del cableado están basados en una temperatura de 20 grados centígrados. Si la temperatura del cable aumenta, la distancia del cable debe reducirse.
Las fórmulas de cálculo pueden encontrarse en ANSI/TIA 568.2-D y ISO/IEC 11801-2. En el peor escenario indica que el en enlace permanente de 90m puede reducirse a 2 a una temperatura de 60 grados Celsius. Encima de 60°C, el sistema no es conforme con los estándares e incapaz de proveer cualquier garantía de desempeño, junto con la posibilidad de la degradación de los componentes. En Norteamérica, NEC puede requerir una calificación especifica de cable para la entrega de energía y las altas temperaturas. En el resto del mundo, ISO/IEC requiere el control de la instalación PoE para mantener la temperatura debajo de 60°C.
Elegir el diseño óptimo para la flexibilidad
Para la infraestructura de cableado TIC, hay muchas opciones y cualquiera de ellas se puede considerar la mejor solución dependiendo de las necesidades del cliente. Para la infraestructura de gestión de edificios y, especialmente IoT, solo un diseño de acuerdo a ANSI/BICSI 007 (tomando en cuenta ANSI/TIA-862-B e ISO 11801-6) proveerán la flexibilidad necesaria. Debido a la eficiencia de PoE vinculada a la longitud de los cables, el uso de HCP (SCP) con un equipo activo es inevitable mientras aumenta la densidad de potencia.
No hay nada malo en la separación de redes; uno para TI y el otro para la gestión de edificio. A veces puede ser una estrategia elegir separar las responsabilidades. En este caso, un puente entra las dos redes puede ser creada en el TRs. Para alcanzar una máxima flexibilidad, es lógico combinar todas las infraestructuras bajo una sola red. En este caso, algunas arquitecturas no cumplirán con los requerimientos para una óptima flexibilidad y eficiencia.
- La estrella tradicional, incluso con CP o MUTOA, generalmente tiene cables horizontales que no sean tan largos para una óptima eficiencia.
- FTTO, con solo una infraestructura de fibra, es incompatible. De hecho, también es incompatible con un cableado para WAPs, el cual necesitaría estar en una infraestructura separada.
- PON, por las mismas razones, es también incompatible. También es más complicado unirlo con una red de cobre separada, ya que el equipo activo es completamente único.
Habiendo analizado las varias topologías, FTTZ emerge como la mejor opción. El diseño básico de FTTZ no es extremadamente cercano al HCP (SCP), sino también al SO inalámbrico. Solo están faltando algunas conexiones de cobre para un dedicado gabinete en TR o en el cuarto eléctrico donde el equipo de gestión de edificio pueda ser situado. Para un diseño optimo, combinar TIC y gestión de edificio para IoT, la más flexible solución es modificar FTTZ con un enlace de cobre extra hacia otro gabinete dedicado.
¿Qué va a venir después?
Así como la red telefónica fue absorbida por la red TIC, ahora es tiempo que la gestión de edificio sea combinada. Sin embargo, hay algunos cambios radicales, no solo con los dispositivos IoT, sino también con las luces LED que ahora pueden ser alimentadas con una estructura de cableado. Hay una gran duda en la industria acerca de la adaptabilidad del cable de 4 pares, ya que está diseñado para altas tasas de data. Mayormente, los LEDs necesitan energía, junto con bajas tasas de data para el control, haciendo el cable de 4 pares una exageración.
Los estándares están evolucionando con un nuevo proyecto llamado SPE (Ethernet de un solo par). La industria ICT muy pronto descubrirá nuevos cables de un solo par con nuevos conectores de un solo par diseñados para proveer la energía necesaria con bajas tasas de data por largas distancias.
Se tiene que buscar IEEE 802.3cg, IEEE 802.3BW y IEEE 802.3bp para las aplicaciones de data y IEEE 802.3bu para los aspectos de energía. Para cableado, TIA y ISO/IEC trabajan para proponer las especificaciones correctas. También se esperan los avances en los switches SPE, así la integración de SPE en una red existente sería extremadamente fácil en el diseño FTTZ modificado. Si se trabaja con una topología estrella tradicional, FTTO, o PON, la integración podría ser más difícil y complicada.