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7/22/2019 Telefonia Sdh

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1.5 JERARQUAS DE TRANSMISIN DIGITAL

Objetivo

Describir el estndar SONET/SDH para el transporte de datos sncronos a travs de redes de fibra

ptica, luego de analizar la evolucin de las redes digitales basadas en el estndar PDH.

IntroduccinEn los aos 1980 las tecnologas de alta velocidad dominantes eran las llamadas jerarquas

digitales no-sncronas, referidas por el trmino PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). En aquellostiempos, el trfico de voz era el reinante en las redes de telecomunicaciones.

Con el pasar de los aos, se ha incrementado espectacularmente el volumen de trfico de datostransportado en las redes troncales, debido a la generalizacin del uso de Internet que implica el transportede unidades cada vez mayores de informacin, como pginas Web, archivos de video o msica MP3.

Las redes de alta velocidad, hoy en da, son pticas y estn basadas principalmente en dosestndares conocidos como SONET y SDH ((Synchronous Optical Network y Synchronous DigitalHierarchy), los cuales consisten de anillos de fibra ptica en los cuales la informacin es intercambiadaelectrnicamente en los nodos.

Desarrollo

La infraestructura PDHPDH es una tecnologa que se basa en el transporte de canales digitales sobre un mismo enlace.

Los canales a multiplexar se unen formando tramas de nivel superior a velocidades estandarizadas. Existentres estndares PDH utilizados en las telecomunicaciones mundiales: europeo, americano y japons.

En el estndar europeo, cada nivel de multiplexacin TDM se denomina E-1, E-2, E-3 y E-4 (veala Figura 5.1). El grupo bsico E-1 utilizado es el dado en la Rec. G.732, es decir PCM de 32 canales. Enlas tramas pares, el canal 0 es usado para transportar la seal de alineamiento de trama, mientras que enlas impares se usa para alarmas y ortros usos. El canal 16 se usa para transportar la sealizacin de loscanales tiles. Por ltimo, los canales 1 a 15 y 17 a 31 corresponden a la carga de los 30 canales tiles quepuede soportar la trama primaria.


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Figura 5.1. Jerarqua PDH estndar europeo.

En los estndares americano yjapons, cada nivel de multiplexacin se denomina T-1, T-2, T-3 yT-4. El grupo bsico T-1 utilizado es el dado en la Rec. G.733, es decir PCM de 24 canales ms un bit parasincronizacin. Cada canal contiene 7 bits de datos y uno de sealizacin.

La Figura 5.2 muestra las velocidades y vas de interconexin en los tres estndares PDH.

Figura 5.2. Los 3 estndares PDH.

Limitaciones de la PDHPDH es una jerarqua de concepcin sencilla, sin embargo tiene muchas limitaciones, entre ellas:

No tiene un estndar mundial.

Existen tres incompatibles entre s: el europeo, el americano y el japons.


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No es sncrona.

El trmino plesicrono se origina del griego plesio ("casi") y cronos ("reloj"), es decir casisncrono. En PDH, cuando se quiere pasar a una trama de nivel superior se combinan flujos de datosprovenientes de diferentes fuentes que tienen sus propias seales de reloj, por lo que puede haber algunapequea diferencia en la velocidad de transmisin. Cuando los flujos llegan a un multiplexor, existe unproceso de adaptacin de seales de reloj de cada uno de ellos y el del nivel superior; que consiste en

agregar bits de justificacin o de relleno. La Figura 5.3 muestra, como ejemplo, el proceso dejustificacin que hace que a la seal que es ms rpida que la del oscilador local se le agregue un solo bitde justificacin y para la que es ms lenta, 4 bits. Slo cuando las tasas de bit son iguales puede procedersea una multiplexacin bit a bit como se define en PDH. El demultiplexor debe, posteriormente, reconocerlos bits de relleno y eliminarlos. Este modo de operacin recibe el nombre de plesicrono o casi sncrono.

Como consecuencia de este proceso de adaptacin, la velocidad binaria de la seal multiplexadano es un mltiplo entero de las velocidades binarias de las seales entrantes.

Figura 5.3. Justificacin en multiplexor PDH.

La gestin de tramas es compleja.

Los bits de relleno del proceso de adaptacin de seales de reloj y la multiplexacin bit a bit,convierte en tarea muy compleja seguir un canal de trfico a travs de la red, es decir, la administracin dela red es muy limitada.

Fue desarrollada para medios no pticos.

Las seales PDH se desarrollaron para cable coaxial y transmisin por microondas, por lo que noaprovechan por completo el ancho de banda disponible con la fibra ptica ni permiten interconexiones anivel ptico.

Es rgida la insercin / extraccin de flujos de baja capacidad.

Una de las principales debilidades de las redes PDH es la rigidez en la extraccin de canales debaja capacidad desde una trama de alta capacidad. Por ejemplo, para derivar un canal de 64 kbps desde unatrama de 140 Mbps, se debe demultiplexar desde los niveles ms altos hacia los ms bajos. Esto requiere elempleo de gran cantidad de demultiplexores hasta llegar al canal requerido (vea la Figura 5.4).


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Figura 5.4. Extraccin e insercin plesicrona desde los 140 Mbps.

No existe interfaz de nodo de red.

Los cdigos de lnea de cada fabricante son especficos, de forma que equipos de diferentesfabricantes son incompatibles entre s.

La infraestructura SONET/SDH

Orgenes de SONET/SDH

Para evitar los problemas derivados de las limitaciones de PDH, en 1985 se comienza a desarrollaruna red para el transporte de datos sncronos a travs de redes de fibra ptica. Este estudio dio comoresultado la red SONET, la cual sirvi de plataforma de diseo para el equivalente europeo SDH. Ambas

son tan similares que se usa la abreviatura SONET/SDH para describirlas.

SONET es utilizada en Estados Unidos, Canad, Corea, Taiwan y Hong Kong; mientras que SDHes utilizada en Europa y el resto del mundo. Los estndares de SONET estn definidos por la americanaANSI y los de SDH por la internacional ITU-T.

En consecuencia, SONET/SDH es un estndar mundial que aporta un principio deinterfuncionamiento de redes digitales, facilitando el acomodo de las seales existentes en las redes PDH,al igual que otros formatos digitales.

Descripcin general de SDH

SONET/SDH especifica una velocidad de transmisin bsica normalizada, un formato de trama y

una estructura de multiplexacin que ha de transportarse a travs de un interfaz ptico normalizado,denominado Interfaz de Nodo de Red, INR (Rec. G.707).

El concepto de INR permite la interconexin de los elementos de red para el transporte de cargastiles (tributarios), entre las que estn incluidas las seales binarias PDH, flujos ATM, flujos PRI, canalesde n64 kbps y, en el futuro, otras seales como pueden ser propias de las redes MAN, sin limitacionespor velocidad binaria. Vea la Figura 5.5.


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Figura 5.5. Concepto de interfaz nodo de red.

SDH define un primer nivel jerrquico bsico denominado Mdulo de Transporte Sncrono (STM-1) que consta de campos de carga til de seal y de campos de gestin (denominados encabezados deseccin SOH), organizados en una estructura de trama ordenada como un marco con una distribucin de

bytes en 9 filas con 270 columnas (9270 = 2.430 bytes), que se repite cada 125 s. Vea la Figura 5.6. Latransmisin de una trama comienza en la esquina superior izquierda y termina en la esquina inferiorderecha. La informacin est adaptada para su transmisin por el medio elegido, a una velocidad binariade 155,520 Mbps, que se sincroniza con la red.

vb = (2.430 8)/12510-6 = 155,520 Mbps.

La seal STM-1, en un primer nivel, representa un interfaz de nodo de red que puede ser elctrico,cdigo CMI, segn se especifica en la Rec. G-703, o puede ser ptico, conforme a Rec. G-957. Avelocidades binarias superiores, STM-N, el interfaz es siempre ptico.

Figura 5.6. Estructura de trama STM-1.


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Caractersticas bsicas de la SDH

1) La trama STM-1 est organizada en bytes (octetos), no en bits. Es decir, los espacios de carga paralos tributarios son intercalados byte a byte.

2) Todas las estructuras de trama SDH utilizan 9 filas. Esta cantidad hace posible que todos los bytesen una columna pertenezcan a una misma fuente de informacin, lo cual facilita el procesado de

seales.3) La trama de lnea STM-1 y todas las estructuras tributarlas se repiten 8.000 veces por segundo,

que corresponde a la tasa de muestreo para telefona digital, por lo que cada trama posee unalongitud de 125 s, al igual que la trama primaria de nivel E-l a 2,048 kbps. Esto significa quecada octeto del espacio de carga, en cualquier trama, tiene capacidad para transportar 64 kbps.

3) El inicio de las tramas de las seales tributarias en el espacio de carga til es sealado porpunteros (PTR). La cuarta fila y primeras 9 columnas se utilizan para el puntero AU.

4) La SDH posee un encabezado (OH) en cada trama. Las primeras 3 filas y 9 columnas contienen elencabezado para la seccin de regenerador (R-SOH), accesible en regenerador y multiplexor.Desde la quinta fila hasta la novena y las primeras 9 columnas contienen el encabezado para laseccin de multiplexor (M-SOH) accesible solamente en multiplexor.

5) Las siguientes 261 columnas corresponden a la carga til. Si esta carga til se completa coninformacin de trayecto (POH), se denomina contenedor virtual VC-4.

Velocidades binarias de la red SONET/SDH

Las velocidades definidas para SDH son las siguientes:

El nivel cero (STM-0) de la SDH es 51,840 Mbps. Se considera a esta velocidad como mtodode transmisin SDH a baja y mediana capacidad, tales como en los medios de transporte deradio y satlite. No representa un nivel valido de SDH, aunque se lo representa como STM-0.

El primer nivel (STM-1) de la SDH es 155,520 Mbps.

Las velocidades binarias superiores se obtienen como mltiplos enteros de la velocidad binaria

de primer nivel y se indican mediante el correspondiente factor de multiplicacin de lavelocidad de primer nivel. Se denominan STM-N, siendo N el nivel jerrquico. Actualmenteestn definidas para N= 4, N=16, N= 64 y N=256. Esta ltima velocidad alcanza casi 40 Gbps,que est dentro de la capacidad presente de enlaces pticos DWDM.

La tabla de la Figura 5.7 muestra la equivalencia entre SONET y SDH en cuestin de velocidades.

Figura 5.7. Jerarqua Digital Sncrona SONET/SDH.


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Cuando se transmite en una fibra ptica, se hace referencia a la misma seal como portadora pticaOC (en SONET). En la actualidad, debido a la evolucin de las redes pticas, se puede hablar ya deseales OC-1536 (80 Gbps) o incluso OC-3072 (160 Gbps), que no se encuentran definidas inicialmenteen el estndar. De hecho, existen equipos comerciales que operan a algunas de estas velocidades, por loque no se puede establecer todava dnde se encuentra el lmite de velocidad,

Las velocidades binarias de orden superior se obtienen a travs de multiplexacin por intercalacinde bytes de varias seales primarias (vea el ejemplo de la Figura 5.8). Las seales binarias ms elevadas noutilizan ningn procedimiento de justificacin ni de relleno para acomodar las seales de ms bajo nivel,de ah el concepto de SDH. Pero s se debe completar el proceso de terminacin de los encabezados deseccin SOH y renovacin de punteros (AU) correspondientes a cada STM inferior. Finalmente seensambla un nuevo SOH listo para STM-N.

Figura 5.8. Estructura de trama STM-N.

Contenedores virtualesEn SDH, la informacin se transporta dentro de una caja llamada contenedor (C), que es una

estructura de informacin con capacidad de transmisin para transportar seales PDH, flujos ATM, flujos

PRI, canales de n64 kbps y otras. Se han definido funciones de adaptacin de muchas velocidadesbinarias de red comunes en un nmero limitado de contenedores normalizados, que se muestran en la tablade la Figura 5.9. En el futuro se definirn otras funciones de adaptacin para nuevas velocidades binariasde banda ancha.

Figura 5.9. Contenedores normalizados para SONET/SDH.Si la carga til del contenedor se completa con informacin para soportar conexiones de capa de

trayecto (POH), se denomina contenedor virtual (VC). Se preparan (proceso llamado mapear) varios VCdiferentes para contener distintos tipos de informacin (vea la tabla de la Figura 5.10), identificndose dostipos de contenedores virtuales:

Contenedor virtual-n de orden inferior: VC-n (n=1, 2). Este elemento comprende un solocontenedor-n (n = 1, 2) ms la POH de contenedor virtual de orden inferior adecuada a ese nivel.


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Contenedor virtual-n de orden superior: VC-n (n = 3, 4). Este elemento comprende un solocontenedor-n (n = 3, 4) o un conjunto de grupos de unidades tributarias, junto con la POH decontenedor virtual adecuada a ese nivel.

Figura 5.10. Tipos de VC y su capacidad.

En SDH, un VC es considerado como una unidad a ser sometida a procesamiento (multiplexacin,conexin cruzada, etc.), por lo que las caractersticas del servicio dejan de ser una preocupacin, pues todala informacin, por muy distinta que sea, lleva la misma apariencia del VC. Al mismo tiempo, todainformacin de control necesaria para la administracin del VC de extremo a extremo es aadida a este.

Cuando dos o ms unidades tributarias se insertan en una nica trama STM-1, se entrelazancolumna a columna. SDH proporciona mecanismos para identificar cada VC y separarlos sindemultiplexar el flujo entero.

SeccionesUna seccin es el enlace ptico que conecta dos dispositivos vecinos. Existen dos tipos de seccin:

(vea la Figura 5.11).

La seccin de regenerador. Representa un segmento entre un elemento de lnea terminal(LT), donde se ensambla o desensambla una seal STM-N, y un regenerador o entre dosregeneradores.

La seccin de multiplexor. Es un medio de transmisin entre dos LT consecutivos. Uno seencarga de ensamblar la seal STM-N y el otro de desensamblarla.

Figura 5.11. Secciones y trayecto en una red SDH.


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TrayectoUn trayecto o camino es la porcin extremo a extremo de la red situada entre dos multiplexores

STM donde se ensambla un VC y otro donde este es desensamblado. Es como un tubo que conecta dospuntos, entre los cuales se manifiesta un servicio atravesando una serie de secciones de multiplexacin.Vea el ejemplo de la Figura 5.12.

Figura 5.12. Ejemplo de secciones y trayecto en una red SDH.

Estructura de multiplexacin SDHLa Figura 5.13 muestra la relacin entre diversos elementos de multiplexacin que se definen en la

tabla de la Figura 5.10, e ilustra posibles estructuras de multiplexacin.

Una TU-n (unidad tributaria-n) es una estructura de informacin cuya funcin es proveeradaptacin entre un VC de orden inferior y uno de orden superior. Consiste en un VC de orden inferior yun puntero TU que seala el desplazamiento del comienzo de la trama VC de orden inferior con relacin alcomienzo de la trama VC de orden superior. A esto tambin se le llama alineamiento.

Un TGU-n (grupo de unidades tributarias) se encarga de de combinar una o varias TU. Porejemplo, un TUG-2 puede combinar un solo TU-2, o un grupo homogneo de TU-12 TU-11 idnticos.Un TUG-3 puede combinar un TU-3 o un grupo homogneo de TGU-2.

Una AU-n (unidad administrativa-n) es una estructura de informacin cuya funcin es proveeradaptacin entre una carga til de un VC de orden superior y un STM-N. Consiste de un VC de ordensuperior y un puntero AU que seala el desplazamiento del comienzo de la trama VC de orden superior

con relacin al comienzo de una trama STM-N. Por ejemplo, AU-4 consiste de un VC-4 y un puntero AU,mientras que AU-3 consiste de un VC-3 y un puntero AU.

Un AUG (grupo de unidad administrativa) es una o ms AU que ocupan posiciones fijas ydefinidas en un STM-N. Un AUG-1 consta de un conjunto homogneo de un AU-4 o de tres AU-3combinados por multiplexacin por intercalacin de bytes.


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Figura 5.13. Estructura de multiplexacin SDH.

La Figura 5.14 muestra el proceso de multiplexacin para insertar una seal PDH de 2 Mbps.

Figura 5.14. Insercin de una seal de 2 Mbps.


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Comparacin entre la estructura de multiplexacin PDH y SDHEn SDH, gracias a que todos los elementos de red trabajan con la misma seal de reloj, se hace

posible que el proceso de multiplexacin sea simple, y que sea fcil el acceso de seales tributarias en unaseal multiplexada de alta velocidad. En la Figura 5.15 se muestra cmo se mapea o inserta directamenteuna seal de 2 Mbps en una ranura de tiempo disponible en la carga til de SDH. La demultiplexacin selogra con un simple proceso de extraccin de la seal de 2 Mbps.

Figura 5.15. Comparacin entre estructuras de multiplexacin.

Arquitectura de red SONET/SDHLos elementos bsicos de una red ptica SONET/SDH son:

Sistemas pticos de lnea. Formados por fibras pticas, amplificadores y regeneradores, entreotros, y proporcionan la capacidad de transmisin de la red.

Multiplexores terminales. Se encargan de multiplexar el trfico de los diferentes servicios atravs de interfaces normalizados.

Add-drop multiplexers ADM. Ofrecen las mismas funcionalidades que los multiplexoresterminales, si bien permiten adems acceder a una porcin del trfico que los atraviesa para

realizar labores de insercin/extraccin (add/drop) de canales. Digital cross-connects DXC. Se encargan de realizar funciones de conmutacin. Un DXC

permite conexiones sin bloqueo entre cualquiera de sus puertos de entrada y de salida.

La forma de conectar los anteriores elementos proporciona la topologa de la red SONET/SDH. tc.Las topologas ms comunes son el anillo y la malla (vea la Figura 5.16). En el caso de la malla, cadanodo de red puede conectarse con cualquier otro por medio de un DXC. Esta topologa permite grannmero de rutas alternativas en caso de cada de algn elemento de red o de corte de alguna fibra. Sueleutilizarse en el ncleo de la red. Por otro lado, el anillo consiste en una concatenacin de ADM, cada uno


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de los cuales se encarga de insertar/extraer trfico en/de el anillo desde/hacia una determinada rea. Sueleutilizarse como red de acceso y dispone de mecanismos de gestin de ancho de banda y de proteccinfrente a cortes de fibra o fallas de los equipos.

Figura 5.16. Topologas de malla y anillo en SONET/SDH.

Las topologas de red pueden combinarse y enlazarse entre s para formar arquitecturas de red mscomplejas. As, por ejemplo, varios anillos pueden enlazarse entre s utilizando DXC (o DCS) para enrutarel trfico en los puntos de unin. En la Figura 5.17 se muestra una posible arquitectura de red. Variosanillos SONET/SDH se encargan de recoger el trfico de diferentes usuarios, por medio de ADM yencaminarlo por medio de DXC hacia otras redes metropolitanas.

Figura 5.17. Arquitectura de redes SONET/SDH.

El espectacular incremento de trfico, debido principalmente al uso de Internet, ha provocado quelas redes SONET/SDH se encuentren actualmente al lmite de su capacidad, y frente a la opcin de ampliartoda la infraestructura, se plantea la utilizacin de la tecnologa DWDM (multiplexacin por longitud deonda-densa), que ofrece una capacidad de transmisin ilimitada, preservando la actual instalacin en fibray optimizndola con al menos un factor de 32. Cualquier aumento de trfico se puede soportar aumentandoel nmero de longitudes de onda de la fibra sin costo de actualizacin. Los equipos SONET/SDH actuales,no necesitan ser reemplazados; a menudo las nuevas implementaciones pueden eliminar equipamientoexistente.

Por medio de multiplexores, DWDM combina multitud de canales pticos sobre una misma fibra,de tal modo que pueden ser amplificados y transmitidos simultneamente (vea la Figura 5.18). Cada uno


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de estos canales, a distinta longitud de onda, puede transmitir seales de diferentes velocidades y formatos:SDH/SONET, IP, ATM, etc. Es decir, DWDM puede multiplexar varias seales TDM sobre la mismafibra. Las redes DWDM futuras se espera que transporten 80 canales STM-16 de 2,5 Gbps (un total de 200Gbps), 40 canales STM-64 de 10 Gbps (un total de 400 Gbps), la capacidad equivalente a unos 90.000volmenes de enciclopedia por segundo.

Figura 5.18. SONET/SDH con DWDM.

Caractersticas funcionales de los elementos de red SONET/SDH

RegeneradorMantiene las caractersticas de la seal (vea la Figura 5.19), la cual est expuesta a:

Atenuacin, debido a la dispersin y la resistencia. Distorsin de los pulsos transmitidos. Ruidos diversos dependiendo del medio.

Figura 5.19. Regenerador.

Multiplexor terminal de lneaMultiplexa seales PDH en tramas STM-N y a la inversa (vea la Figura 5.20).

Los puntos de entrada y de salida de la red definen los trayectos. Es la interfaz entre la red SDH y el mundo exterior. Realiza el mapeado/demapeado de las seales.


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Figura 5.20. Multiplexor terminal de lnea.

Multiplexor de extraccin e insercin ADMInserta y extrae seales PDH y sncronas en tramas STM-N (vea la Figura 5.21).

Es el elemento clave de las redes con topologa en anillo. Es adecuado para configuraciones redundantes y tolerantes a fallas, flexible y verstil.

Figura 5.21. Multiplexor ADM. Representacin y detalle.

Multiplexor de lneaMultiplexa / demultiplexa seales sncronas STM-N en STM-M (vea la Figura 5.22).

No altera el contenido de las seales transportadas y la seal resultante de lamultiplexacin consta de cuatro seales de nivel inferior.

Figura 5.22. Multiplexor de lnea.

Digital Cross ConnectPermite la conmutacin de seales sncronas STM-N (vea la Figura 5.23).

Realiza todas las funciones de red. Es totalmente verstil para la interconexin de subredes. Permite la interconexin de redes y la insercin/extraccin de flujos digitales.


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Figura 5.23. Digital Cross Connect.

Arquitectura de sincronizacinTodos los elementos en la red SDH operan bajo una misma seal de reloj suministrada por un reloj

de referencia primario (PRC), que se encuentra en un equipo de la red de comunicacin vinculada a lafuente primaria. En la Rec. G.811, se encuentran las especificaciones de rendimiento del PRC, cuyaestabilidad y exactitud en frecuencia se hallan en el orden de 1011, posible gracias a un oscilador decesio. Para mayor confiabilidad, este reloj de referencia se sincroniza con los sistemas GPS (vea la Figura5.24).

La distribucin de la seal de reloj se realiza a lo largo de la red SDH mediante configuracionesespecficas. Los elementos intermedios, tales como regeneradores, multiplexores de insercin yextraccin, etc., son operados por medio de un modo esclavo, el cual utiliza un componente de seal dereloj extrado de la seal STM-N recibida.

El deterioro de la seal de reloj, como la fluctuacin acumulada durante la transmisin a travs deuna cadena de elementos de red y lnea de transporte, se reduce con un equipo de reloj esclavo de altorendimiento segn especifica la Rec. G. 812 para nodo de trnsito y para nodo local.

Figura 5.24. Arquitectura de sincronizacin en redes SDH.

Estndares SDH de la ITU-T

El sector de telecomunicaciones de la ITU es el encargado de coordinar y desarrollar los estndares deSDH para el mundo. A continuacin se listan los estndares ms importantes de SDH, la lista completa sepuede obtener en el sitio de la ITU (http://www.itu.int/).


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La Figura 5.25 muestra quipos SONET OC-48 marca Fujitsu.

Figura 5.25. Equipos SONET.

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