INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN ESIME CULHUACAN
TESIS
Que para obtener el grado de:
MAESTRO EN CIENCIAS DE INGENIERÍA EN MICROELECTRÓNICA
Presenta:
ING. DANIEL ESPINOBARRO VELÁZQUEZ
Asesor:
DR. JUAN CARLOS SÁNCHEZ GARCÍA
México D.F. 2009
Códigos Dorados bipolares de longitud 7 y 31 para un
sistema de CDMA Óptico
SIP-14
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
SECRETARiA DE INVESTIGACION Y POSGRADO ACTA DE REVISION DE TESIS
En la Ciudad de Mexico D. F. , siendo las 13:00 horas del dia 19 del mes de junio del 2009 se reunieron los miembros de la Comisi6n Revisora de Tesis designada por el Colegio de Profesores de Estudios de Posgrado e Investigaci6n de SEPI-ESIME-CULH.
para examinar la tesis de titulada:
"C6digos Dorados Bipolares de Longitud 7
y
31 para un Sistema de CDMA Optico"Presentada per el alumno:
Espinobarro Velazquez
Apellido paterno Apellido materna
Con registro: '---'-_----'--_...1.---'-_---'---_--'---'
aspirante de:
MAESTRiA EN CIENCIAS DE INGENIERiA EN MICROELECTRONICA A
Despues de intercambiar epiniones los miembros de la Comisi6n manifestaron SU APROBACION DE LA TESIS, en virtud de que satisface los requisitos ser'ialados por las disposiciones reglamentarias vigentes.
LA COMISI6N REVISORA Director de tesis
SECCICN DE ESTUDiCS DE
Dr. Gonzalo I Dr. Basilio del Muro Cuellar
---=--,-~-\I:+++-I-.L-:'6-pe-z ---7~<fIADO E IN'IESTIGA"'"C""'IO...NT---:-:'€J-=-"'n~:::-.~G:-er-"a(-7do'-Arv--;alo-s-;:;O:-:-;ch:-o-a
~
- - ESJI'lE CULHUACAN
INS TITUTO P O LITE C NIC O NAC IO NAL
SECRETARIA DE INWSTIGACION Y POSGRADO
CARTA CESION DE DERECHOS
En la Ciudad de México el dia ,lldel mes fugiq del año 2009 , el (la) que suscíbe Daniel Espinoba¡ro Velázquez alum¡o (a) del P¡ograma de Maesfia en Ciencias de Inqenieria en Microelectrónica_ con número de registro 30?9!E0, adsc¡ito a SEELSIIME Culhuacan, manifiesta que es autor (a) intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la direcció¡ del D¡. Juan Carlos Sánchez Ga¡cla y cede los derechos del habajo intitulado _ ico. al lnstituto
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Politecnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación.
AGRADECIMIENTOS
A Dios
A mis padres por educarme, estar siempre conmigo en las buenas y malas para sacarme adelante, para que me supere profesionalmente.
A mis Familiares, por su amor, guía, comprensión y apoyo, para alcanzar uno de mis objetivos.
A mi tío Francisco Olvera Esnaurrízar por su generosidad, cariño y consejos
A mis Asesores y Maestros, por sus consejos y apoyo, sin los cuales este trabajo no hubiera podido ser realizado.
Al Instituto Politécnico Nacional y la Universidad de Cambridge, por la formación académica recibida y las facilidades otorgadas por su personal.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, por el apoyo otorgado a través de la beca para estudios de Maestría.
A las personas que me han bridando su amistad y cariño, que puedo llamar amigos.
INDICE
Índice de Figuras ... IV Índice de Tablas ... VI Acrónimos ... VII Resumen ... XII Abstract. ... XII Objetivo ... XII Justificación ... XIII Introducción ... XIV Referencias ... XVI
CAPITULO I. Aplicaciones y Desarrollo de la Fibra Óptica ... 1
1.1 Sistemas de Comunicación de Fibra Óptica ... 1
1.1.2 Redes de Comunicación de Fibra Óptica ... 6
1.1.2.1 Redes de Transporte Ópticas y Redes Ópticas Automáticamente Direccionadas ... 6
1.1.2.2 Redes de Acceso Óptico ... 10
1.2 Evolución Tecnológica y Sistemas Experimentales Típicos de OCDMA ... 18
1.3 Características Técnicas y Clasificación de Sistemas de OCDMA ... 21
1.3.1 Características de Técnicas de OCDMA ... 21
1.3.2 Clasificación de los Sistemas OCDMA ... 22
Referencias ... 25
CAPITULO II Códigos de OCDMA. ... 27
2.1 Códigos Primos. ... 34
2.1.1 Códigos Primos Básicos. ... 36
2.1.2 Códigos Primos Extendidos. ... 37
2.1.2 Códigos Primos Modificados. ... 38
2.1.2 Códigos Primos Modificados Síncronos ... 40
Referencias ... 43
Capítulo III Análisis e Implementación de Códigos Dorados para mejorar Sistemas de Comunicación Óptica con CDMA ... 45
3.1 Códigos Bipolares. ... 45
3.1.1 Secuencias –m... 45
3.1.2 Códigos Dorados ... 50
3.2. Códigos Dorados Implementados. ... 52
Referencias ... 54
CAPITULO IV Pruebas en MATLABTM ... 55
4.1 Códigos de Longitud 7 ... 55
4.1.1 Interferencia Multiusuario ... 60
4.2 Códigos de Longitud 31 ... 68
4.2.1 Interferencia Multiusuario ... 73
4.3 Prueba de un Código Dorado de Longitud 7 en un FPGA ... 80
Referencias ... 82
Capitulo V Conclusiones y Trabajo a Futuro ... 83
Apéndice A ... 85
Publicaciones ... 85
Apéndice B ... 86
Mediciones realizadas para el experimento de “Dual Function Sensing and Multiservice Communications Radio over Fiber Network using Second Harmonic Suppression” ... 86
Atenuador Óptico ... 86
Perdida Óptica ... 89
Apéndice C ... 96
Arreglo de Compuertas Programables “Field Programmable Gate Array” (FPGA) ... 96
Descripción General del Virtex 2 Pro ... 96
Diagrama de Bloque. ... 98
Arquitectura ... 99
Apéndice D ... 101
Códigos de Programación Realizados. ... 101
Índice de Figuras
Capítulo I
Figura 1. 1 Sistema de Comunicación por Fibra Óptica ... 4
Figura 1. 2 Diagrama esquemático de un Sistema de Multiplexión por División de Longitud de Onda (WDM) ... 4
Figura 1. 3 Esquema de la Topología de una Red Óptica de Transporte (OTN) ... 7
Figura 1. 5 Conexión Cruzada Óptica (OXC) ... 8
Figura 1. 4 Estructura de un Multiplexador Óptico por Inserción/Extracción (OADM) ... 8
Figura 1. 6 Arquitectura de una Red Óptica Automáticamente Direccionada (ASON). ... 9
Figura 1. 7 Requerimientos del Ancho de banda para nuevos servicios por usuario. ... 10
Figura 1. 8 Arquitectura Típica de una Red Óptica Pasiva (PON). ... 12
Figura 1. 9 Trafico en una Red Óptica Pasiva de Ethernet (EPON). ... 14
Figura 1. 10 Arquitectura de WDM‐PON ... 16
Figura 1. 11 Asignamiento de Ancho de Onda para CWDAM ... 16
Figura 1. 12 OCDMA‐PON ... 18
Figura 1. 13 Sistema de OCDMA por Longitud de Onda‐Tiempo a 1.25Gbits/s ... 20
Figura 1. 14 Configuración esquemática del experimento. ... 21
Capítulo III
Figura 3. 1 Registro de desplazamiento con retroalimentación lineal de r etapas ... 46Figura 3. 2 Registro de desplazamiento de retroalimentación lineal de cuatro etapas de longitud máxima ... 47
Figura 3. 3 Generador de Códigos Dorados... 50
Capítulo IV
Figura 4. 1 Código en el codificador(A) y en el decodificador (Ar) ... 55Figura 4. 2 Código en el codificador (B) y en el decodificador (Br) ... 56
Figura 4. 3 Código en el codificador (C) y en el decodificador (Cr) ... 56
Figura 4. 4 Código en el codificador (D) y en el decodificador (Dr) ... 56
Figura 4. 5 Código en el codificador (E) y en el decodificador (Er) ... 57
Figura 4. 6 Código en el codificador (F) y en el decodificador (Fr) ... 57
Figura 4. 7 Código en el codificador (K) y en el decodificador (Kr) ... 57
Figura 4. 8 Todos los Códigos en el codificador y en el decodificador ... 58
Figura 4. 9 Correlación cruzada del código A con B, C, D, E, F y G ... 59
Figura 4. 10 Códigos (A+B+C) en el codificador y en el decodificador (Ar) ... 60
Figura 4. 11 Códigos (A+B+C) en el codificador y en el decodificador (Br) ... 60
Figura 4. 12 Códigos (A+B+C) en el codificador y en el decodificador (Cr) ... 61
Figura 4. 13 Códigos (A+B+C) en el codificador y en el decodificador (Ar, Br y Cr) ... 61
Figura 4. 14 Códigos (A+B+C+D) en el codificador y en el decodificador (Ar) ... 62
Figura 4. 15 Códigos (A+B+C+D) en el codificador y en el decodificador (Br) ... 62
Figura 4. 16 Códigos (A+B+C+D) en el codificador y en el decodificador (Cr) ... 63
Figura 4. 17 Códigos (A+B+C+D) en el codificador y en el decodificador (Dr) ... 63
Figura 4. 18 Códigos (A+B+C+D) en el codificador y en el decodificador (A, B, C y D) ... 64
Figura 4. 19 Códigos (A+B+C+…+G) en el codificador y en el decodificador (Ar) ... 64
Figura 4. 20 Códigos (A+B+C+…+G) en el codificador y en el decodificador (Br) ... 65
Figura 4. 21 Códigos (A+B+C+…+G) en el codificador y en el decodificador (Cr) ... 65
Figura 4. 22 Códigos (A+B+C+…+G) en el codificador y en el decodificador (Dr) ... 66
Figura 4. 23 Códigos (A+B+C+…+G) en el codificador y en el decodificador (Er) ... 66
Figura 4. 24 Códigos (A+B+C+…+G) en el codificador y en el decodificador (Fr) ... 67
Figura 4. 25 Códigos (A+B+C+…+G) en el codificador y en el decodificador (Gr) ... 67
Figura 4. 26 Códigos (A+B+C+…+G) en el codificador y en el decodificador (A+B+C +…+Gr) .. 68
Figura 4. 27 Código (A) en el codificador y en el decodificador ... 69
Figura 4. 28 Código (B) en el codificador y en el decodificador ... 70
Figura 4. 29 Código (C) en el codificador y en el decodificador ... 70
Figura 4. 30 Código (D) en el codificador y en el decodificador (D) ... 71
Figura 4. 31 Códigos (A, B, C y D) en el codificador y (A, B, C y D) en el decodificador. ... 71
Figura 4. 32 Código (A + B) en el codificador y (A) en el decodificador. ... 73
Figura 4. 33 Código (A+B) en el codificador y (B) en el decodificador ... 73
Figura 4. 34 Código (A+B +C) en el codificador y (A) en el decodificador ... 74
Figura 4. 35 Código ((A+B +C) en el codificador y (B) en el decodificador ... 74
Figura 4. 36 Código (A+B +C) en el codificador y (C) en el decodificador ... 75
Figura 4. 37 Código (A+B +C + D) en el codificador y (A) en el decodificador ... 75
Figura 4. 38 Código (A+B +C + D) en el codificador y en el decodificador (B) ... 76
Figura 4. 39 Código (A+B +C + D) en el codificador y en el decodificador (C) ... 76
Figura 4. 40 Código (A+B +C + D) en el codificador y en el decodificador (D) ... 77
Figura 4. 41 Código (A+B +C +... + O) en el codificador y en el decodificador (A) ... 77
Figura 4. 42 Código (A+B +C +... + O) en el codificador y en el decodificador (B) ... 78
Figura 4. 43 Código (A+B +C +... + O) en el codificador y en el decodificador (C) ... 78
Figura 4. 44 Código (A+B +C +... + O) en el codificador y en el decodificador (D) ... 79
Figura 4. 45 Simulación del comportamiento esperado de 0 a 250ns ... 80
Figura 4. 46 Simulación del comportamiento esperado de 250 a 550ns ... 80
Figura 4. 47 Simulación del comportamiento esperado de 550 a 880ns ... 80
Figura 4. 48 Simulación del comportamiento esperado 880 a 1000ns ... 81
Índice de Tablas
Capítulo II
Tabla 2. 1 Sistemas coherentes y no coherentes de CDMA ... 28
Tabla 2. 2 Secuencia Si construida por p=5 ... 37
Tabla 2. 3 Códigos primos Ci construidos para p=5 ... 37
Tabla 2. 4 Códigos primos Ci construidos para p=5 ... 38
Tabla 2. 5 Códigos primos modificados construido para p=5 y w=4 ... 40
Tabla 2. 6 Códigos primos modificados construidos por una longitud de código n=p2=25 40 Tabla 2. 7 SMPC , para p=5 ... 42
Capítulo III
Tabla 3. 1 Parámetros de algunas secuencias m y algunos coeficientes de polinomios ... 48Tabla 3. 2Códigos de longitud 7 Chip ... 53
Tabla 3. 3Algunos Códigos de longitud 31Chip ... 53
Capítulo IV
Tabla 4. 1 Códigos doraros bipolares utilizados ... 55Tabla 4. 2 Cálculo de la correlación cruzada ... 59
Tabla 4. 3 Códigos dorados bipolares de longitud 31 ... 69
Tabla 4. 4 Cálculo de la correlación cruzada de los códigos de longitud 31 ... 72
Acrónimos
ADSL Línea Digital Asimétrica de Subscritores (Asymmetric Digital Subscriber Line) AON Red Óptica Activa (Active Optical Network)
APD Foto Diodo Avalancha (Avalanche Photo Diode)
APON Red Óptica Pasiva de Modo Asíncrono de Trasferencia (ATM Passive Optical Network)
ASE Amplificador de Emisión Espontánea (Amplified Spontaneous Emission)
ASON Red Óptica Automáticamente Direccionada (Automatic Switched Optical Network) ASTN Red de Transporte Automáticamente Direccionadas (Transport Network Automatic
Switched)
ATM Modo Asíncrono de Trasferencia (Asynchronous Transfer Mode) BER Tasa de Bit Errónea (Bit Error Rate)
BERT Test de Tasa de Error (Bit Error Rate Test)
CATV Comunidad de Acceso a la Televisión (Community Antenna Television) CCC Códigos de Congruencia Cúbica (Cubical Congruence Codes)
CCI Interfaz de Control de Conexión (Connection Control Interface)
CDMA Acceso Múltiple por División de Código (Code Division Multiple Access) CM Cable Modem (Cable Modem)
CP Plano de Control (Control Plane)
CWDM Multiplexado por División Aproximada de Longitud de Onda (Coarse Wavelength Division Multiplexer)
CWDM Multiplexado por División Aproximada de Longitud de Onda (Coarse Wavelength Division Multiplexer)
DWDM Multiplexión por División en Longitudes de Onda Densas (Dense Wavelength Division Multiplexer)
DXC Conexión Cruzada Digital (Digital Cross Connect) E3 tercer nivel (third‐level)
EDFA Fibra Dopada de Erbio (Erbium Doped Fiber Amplifier)
EMI Interferencia Electromagnética (Electromagnetic Interference)
E‐NNI Red Externa para Interfaz de Red (External Network to Network Interface) EPC Códigos Primos Extendidos (Extended Prime Codes)
EPON Red Óptica Pasiva de Ethernet (Ethernet Passive Optical Network)
EQCC Códigos de Congruencia Cuadrática Extendida (Extended Quadratic Congruence Codes)
FBG Fibra de reflexión o red de Bragg (FiberBragg Grating FBG) FTTH Fibra Hacia la Casa (Fiber To The Home)
G.ASTN Redes de Transporte Automáticamente Direccionadas Globales (Global.
automatically Switched Transport Network) GF Campo de Galois (Galois Field)
HCC Códigos de Congruencia Hiperbólica (Hyperbolic Congruence Codes) HFC Hibrido de cable Coaxial y Fibra Óptica (Hybrid Fiber‐COAX)
IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (Institute of Electrical & Electronics Engineers)
I‐NNI Red Interna para Interfaz de Red (Internal Network to Network Interface) IP Protocolo de Internet (Internet Protocol)
ITU‐T Unión Internacional de Telecomunicaciones (International Telecommunication Union‐Telecommunication)
LAN Red de Área Local (Local Area Network)
LCC Códigos de Congruencia Lineal (Linear Congruence Codes) LD Diodos Láser (Laser Diodes)
LED Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode)
MAI Interferencia de Acceso Múltiple (Multiple Access Interference) MAN Redes de Área Metropolitanas (Metropolitan Area Network) MP Plano de Gestión (Management Plane)
MPC Códigos Primos Modificados (Modified Prime Codes)
NMI‐A Interfaz de Administración de Red para el Plano de Control ASON (Network Management Interface for ASON Control Plane)
NMI‐T Interfaz de Administración de Red para la Red de Transporte (Network Management Interface for Transport Network)
NTSC Comité Nacional del Sistema de Televisión (National Television System Committee) OADM Multiplexión Óptica por Inserción/Extracción (Optical (WDM) Add‐Drop
Multiplexer)
OAN Redes Óptica de Acceso (Optical Access Network) OAN Acceso Óptico de Red (Optical Access Network)
OCC Códigos Ortogonales/Pseudo‐Ortogonales Ópticos (Optical Orthogonal/Pseudo‐
Orthogonal Codes)
OCC Controlador Óptico de Conexión (Optical Connection Controller)
OCDMA Acceso Múltiple por División de Código Óptico (Optical Code Division Multiple Access)
OCFHC Código de una Coincidencia de Salto de Frecuencia (One‐Coincidence Frequency‐
Hopping Code)
OLT Línea Terminal Óptica (Optical Line Terminal) ONU Unidad Óptica del Usuario (Optical Network Unit) OOC Códigos Ópticos Ortogonales (Optical Orthogonal Codes)
OTDM Multiplexión Óptica por División de Tiempo (Optical Time Division Multiplexing) OTN Red Óptica de Transporte (Optical Transport Network)
OXC Ópticos de Conexión Cruzada (Optical (WDM) Cross‐Connect) PC Códigos Primos (Prime Codes)
Pc Computadora Personal (Personal Computer)
PCM Modulación por Ancho de Pulso (Pulse‐Code Modulation) PI Interfaz Física (Physical Interface)
PON Red Óptica Pasiva (Passive Optical Network)
QCC Códigos de Congruencia Cuadrática (Quadratic Congruence Codes) QoS Calidad de Servicio (Quality Of Service)
RF‐CDMA Acceso Múltiple por División de Código a la Radio Frecuencia (Radio Frequency‐
Code Division Multiple Access)
SMPC Códigos Primos Modificados Síncronos (Synchronous Modified Prime Code) SS/WH/TS Dispersión del Espacio/Longitud de onda Cambiada/Dispersión de Tiempo (Space‐
Spread/Wavelength Hopping/Time‐Spreading)
TDM Multiplexión por División de Tiempo (Time Division Multiplexing) TDMA Acceso Múltiple por División de Tiempo (Time Division Multiple Access) TP Plano de Trasporte (Transport Plane)
UNI Interfaz Usuario‐Red (User to Network Interface) VOD Video en Demanda (Video On Demand)
WDM Multiplexión por División de Longitud de Onda (Wavelength Division Multiplexing) WH/TS Longitud de Onda Cambiada/Dispersión de Tiempo (Wavelength Hopping/Time
Spreading)
Resumen
El estudio de las propiedades de correlación y la interferencia multiusuario tienen por objetivo saber cómo se van a comportar los códigos cuando se implementen en un sistema de OCDMA. Las pruebas presentadas en este trabajo fueron elaboradas a través del software de simulación llamado MATLABTM. Los códigos dorados bipolares de longitud 7 y 31 fueron seleccionados por su estabilidad comprobada en sistemas inalámbricos, donde son ampliamente utilizados.
Abstract.
The main purpose to study the correlation properties and the multiuser interference is to know how codes behave when they will be implemented in an OCDMA system. The graphs presented in this work were made through simulation software MATLABTM. The selection of golden codes bipolar of length 7 and 31 was by their demonstrated stability they have in wireless systems where they are widely used.
Objetivo
Realizar el análisis de diversos Códigos Dorados bipolares con diferentes longitudes de 7 chip/s y 31 chip/s. El propósito de determinar sus propiedades de correlación y la interferencia multiusuario es contar con información que nos permita seleccionar los códigos que podemos usar en el sistema de Óptico Acceso Múltiple por División de Código (OCDMA) ‐ electrónico.
Justificación
Las redes Ópticas de Acceso Múltiple por División de Código se han desarrollado en las dos últimas décadas, sin embargo, aun no contamos con equipos comercialmente accesibles. Esto se debe a que si se desea tener una red completamente óptica, el sistema es muy complejo y los costos son demasiado elevados, esta es la razón para hacer una red hibrida de OCDMA, es decir parte óptica y electrónica.
El trabajo aquí presentado se basa en el estudio de interferencia multiusuario, las propiedades de autocorrelación y correlación cruzada de códigos dorados bipolares con longitudes de 7chip y 31 chips. El estudio fue hecho por medio del software MATLABTM, y también se probó una secuencia de códigos en el software Xilinx.
Introducción
Las redes ópticas pueden ser implementadas para trasmitir información a velocidades altísimas y son utilizadas en servicios específicos y orientados a diversas aplicaciones como; enrutamiento y direccionamiento de la información en el dominio de la óptica, con una trasparencia en los protocolos y en el formato de la información con lo cual se aumenta la funcionalidad y la flexibilidad de las redes, lo cual son los requerimientos para las redes de la nueva generación.
Acceso Múltiple por División de Código Óptico (Optical Code Division Multiple Access OCDMA) es una tecnología innovadora en donde es posible implementar una red completamente óptica, lo que genera el potencial de usar todo el ancho de banda de la fibra óptica y tomar ventaja del uso del Acceso Múltiple por División de Código (CDMA), por ejemplo la flexibilidad y la efectividad de compartir el espectro de frecuencia, tiempo y recursos de espacio, con resistencia a la interferencia y confidencialidad. [1]
OCDMA es una categoría de multiplexión y tecnología de internetworking1 que codifica/decodifica señales, utilizando componentes ópticos pasivos (los componentes lógicos ópticos no son requeridos) como la señal de multiplexado, el enrutamiento y el direccionamiento pueden ser implementado de una manera más sencilla. Esto tiene muchas ventajas, como el acceso aleatorio asíncrono, una gestión simple, flexibilidad y una gran compatibilidad con tecnologías como La Multiplexión por División de Longitud de onda (WDM) y Multiplexión por División de Tiempo (TDM), convenientes para la transferencia de información, soporta múltiples servicios y con diferente Calidad de Servicio (Quality Of Service QoS), cuando se provee confidencialidad en la transmisión de datos. Esta tecnología es importante para implementar redes de acceso óptico (Optical Access Network OAN), redes de área metropolitana (Metropolitan Area Network MAN ) y señal multiplexada óptica y también direccionamiento entre troncales.
OCDMA tiene más de veinte años desde su primera oferta y de su demostración experimental. Sin embargo las demandas de capacidad y la escala de desarrollo comunicacional era muy limitado en el pasado, las altas funcionalidades actuales de redes no eran requeridas. Al mismo tiempo la
1 implica el conectar de dos o más computadora en red vía gateways usando una tecnología común de enrutamiento.
tecnología WDM suministró túneles de trasmisión de datos y direccionamiento de onda para velocidades ultra altas, con los cual se podía cubrir las primeras demandas de las funcionalidades ópticas de la red. Por lo tanto, OCDMA ha permanecido fuera de la corriente principal de la investigación de la comunicación óptica durante mucho tiempo. Sin embargo, actualmente, con la llegada del conocimiento de la economía y del alcance global del Internet hay un desequilibro entre las prestaciones de servicios de redes de transporte y las redes de acceso se han convertido en un asunto importante. Mientras tanto, existen muchos problemas en las redes de datos troncales, como los cuellos de botella en los nodos, baja eficiencia en el tráfico y etc. Para resolver estos problemas, parece que la capacidad de las tecnologías del WDM y de TDM es inadecuada mientras que la alta flexibilidad de una red OCDMA y las buenas características complementarias de OCDMA con WDM y TDM son reconocidas. [2]
Simultáneamente, debido al adelanto rápido de tecnologías de componentes ópticos, todos los aspectos de las tecnologías de OCDMA se han convertido en puntos de interés para la investigación, que deben alzar el desarrollo de OCDMA. [3]
Referencias
[1] John M. Senior: Optical fibre communications: principles and practice. ‐Second Edition, Prentice Hall, 1992
[2] Hongxi Yin, David J. Richardson: Optical Code Division Multiple Access Communication Networks – 2007 Tsinghua University Press, Beijing and Springer‐Verlag GmbH Berlin Heidelberg.
[3]J. B. Rosas‐Fernández “Investigations of transmission nonlinearities and mode‐locked laser encoders for ultrafast optical CDMA networks” PhD Thesis, University of Cambridge, 2005.
CAPITULO I. Aplicaciones y Desarrollo de la Fibra Óptica
1.1 Sistemas de Comunicación de Fibra Óptica
La comunicación de fibra óptica es un acercamiento de la comunicación para transportar información a partir de un punto a otro usando luz como portador y fibras ópticas como medios de transmisión. En épocas antiguas, para acelerar la transmisión de información, la gente aprendió cómo utilizar las señales ópticas, por ejemplo: señales de humo, los semáforos, etc., para comunicar. Sin embargo, la utilidad de estos métodos era muy limitada. A principios de los 60, los físicos americanos inventaron el laser de rubí [1] y las propuestas para comunicaciones óptica vía guías de onda dieléctricas o fibras ópticas de cristal a evitar la degradación de la señal óptica por la atmósfera fue hecha casi simultáneamente en 1966 por Kao and Hockham[2] and Werts [3]
Inicialmente las fibras ópticas exhibieron una alta atenuación (p.ej. 1000dB/km) y por lo tanto no había competencia para los cables coaxiales que eran lo que iban a sustituir (p.ej. 5 para 10 dB/Km).En 1970, la compañía Corning en América manufacturó una fibra óptica con una atenuación de de 17 dB/Km. Y las pérdidas en la fibra óptica en la longitud de onda eran de 1310 nm y se redujeron hasta los 0.3 dB/Km [4] en 1974. En 1977, el ensayo práctico del primer uso comercial de las fibras con varios modos de funcionamiento entre dos oficinas telefónicas en Chicago con una distancia de 7000 metros fue realizado con éxito [5].
Los medios de transmisión de la comunicación de las fibras ópticas tienen muchas ventajas [6]. I. Enorme capacidad de comunicación. En general, la capacidad de comunicación depende
de la frecuencia del portador. Entre más alta sea la frecuencia del portador es mayor el ancho de banda de transmisión disponible y por lo tanto, la capacidad de comunicación en los sistemas se aumenta. Las frecuencias ópticas portadoras en el rango de 1013 a 1016 Hz (generalmente en el infrarrojo cercano alrededor de 1014 Hz o 105 GHz) pueden manejar un potencial de transmisión más elevado y con mayor ancho de banda que los sistemas de cables metálicos (p.ej. sistemas que actualmente operan con modulación de ancho de banda de 700 MHz). Aún más, introduciendo la multiplexión por división de longitud de onda (WDM) [7] se alcanza un ancho de banda mayor, que puede ser utilizado en la fibra óptica.
II. Baja pérdida de transmisión. La atenuación o pérdidas de transmisión en fibra óptica son escasas, encontraste con aquellas en los mejores cables metálicos. Las fibras ópticas se han fabricado para pérdidas tan bajas como 0.2 dB/Km. Con los avances de la tecnología en el desarrollo de fibra óptica, las fibras nuevas con atenuaciones disminuidas son desarrolladas y facilitan la implementación de vínculos de comunicación con distancias de repetidores extremadamente largas (largas distancias de transmisión sin intermediarios electrónicos), así se reducirán aún más el costo de los sistemas de comunicación como su complejidad.
III. Pequeñas en tamaños y pesos. Las fibras ópticas tienen diámetros muy reducidos, que normalmente no son más grandes que el diámetro de un cabello humano. Aún cuando las fibras están recubiertas, son mucho más pequeñas y livianas que los cables de cobre. Los cables de fibra óptica necesitan muy poco de espacio físico y son muy convenientes para su transportación y construcción.
IV. Inmunidad a la interferencia electromagnética y seguridad reforzada de señal en la transmisión. Las fibras ópticas, que estas hechas de cristal, o a veces de un polímero de plástico, son aislantes y por lo tanto libres de interferencia electromagnética (Electromagnetic Interference EMI). Se pueden usar en ambientes electromagnéticamente adversos y no necesitan protección del campo electromagnético. La interferencia cruzada entre diferentes señales ópticas no ocurre cuando se transmiten de manera simultánea, en diferentes fibras aunque sea el mismo cable óptico. Aún más, las señales ópticas en la fibra óptica generalmente no irradian, asegurando así la transmisión que llevan consigo, excepto claro, las que sufren alguna hostilidad.
V. Amplios recursos y potencialmente bajos costos. La materia prima que se usa para manufacturar la fibra óptica es el dióxido de silicio y es abundante en la naturaleza, a diferencia del cobre. Incluso, la tecnología para fabricar fibra óptica a madurado tanto que el costo para realizarla se ha disminuido significativamente. Gracias a que las fibras ópticas tienen tantas ventajas como las mencionadas anteriormente y las tecnologías para fabricar dispositivos y sistemas de fibra óptica se han desarrollado y mejorado, siendo un proceso, trayendo como resultado la investigación y aplicaciones para los sistemas de comunicación de fibra óptica. Hasta el momento, los desarrollos de fibra óptica se han llevado a cabo por generaciones [8]. La primera, en un sistema comunicacional de onda corta de 0.85 µm y fibras multimodo que consistían en base de quartz y tenían diámetros
de 50 µm con pérdida de 4 dB/km. La fuente de luz era un diodo que emitía luz (Light Emitting Diode LED) hecho de semiconductor compuesto III‐Vs, aleación de Arseniuro de galio‐aluminio (AlGaAs), y el detector óptico era un fotodiodo p‐i‐n (PIN) o fotodiodo de silicio Avalancha Si (Avalanche Photo Diode APD)
La primera generación de sistemas de fibra óptica fue principalmente usada para unir oficinas centrales y trasmitir señales digitales con modulación de impulsos codificados (Pulse Code Modulation PCM) inferiores al tercer nivel (third‐level E3).
La segunda generación de sistemas de comunicaciones ópticas usaba una longitud de onda 1.31 µm en mono modo, la pérdida fue reducida de 4dB/Km a 0.5K.m. LEDs hechos de semiconductor III‐V, de cuaternaria aleación de InGaAsP (Indio Galio Arsénico Fosforo), o diodos láser (Laser Diodes LD) fueron usadas como fuentes de luz y InGaAs‐PIN/GaAs‐FETs (Gallium Arsenide‐Field‐
Effect Transistor) fueron usadas como detectores ópticos. La segunda generación fue conveniente para ser usado en uniones entre oficinas centrales con una taza de transferencia de 140 Mb/s o largas distancias con taza de trasferencia de 4000 – 565 Mb/s y distancias que podían alcanzar los 40Km sin repetidores.
La tercera generación de sistemas de comunicaciones por fibra óptica usada en cambios de dispersión en fibras mono modo con longitudes de onda de 1.55 µm, con la pérdida reducida a 0,2dB/Km. Podían ser usadas en comunicaciones de largas distancias o submarinas con una tasa de transferencia grande de 2,5Gb/s y usaban InGaAsPLD como fuente de luz o LD como una retroalimentación distribuida (DFB).
La cuarta generación de sistemas de comunicaciones por fibra óptica usaba dispersión no cero en fibra mono modo con longitud de onda de 1.55µm y WDM, usaban amplificadores ópticos como los Amplificadores de Fibra Dopada de Erbio (Erbium Doped Fiber Amplifier EDFAs), y amplificadores Raman usados para aumentar la distancia de trasmisión. La taza de transferencia por longitud de onda tiene un rango de 2.5 Gb/s a 10 Gb/s.
El esquema de sistema de comunicación de la fibra óptica es mostrado en la Figura 1.1
En la figura 1.2 se muestra un diagrama esquemático de un sistema de multiplexión por división por longitud de onda.
El esfuerzo de la investigación de los nuevos sistemas de comunicación por fibra óptica se ha acelerado. La tendencia es aumentar la tasa de transferencia de longitud de onda de un canal, para incrementar la capacidad de trasmisión del sistema, extender la distancia de trasmisión y desarrollar una capacidad ultra larga, distancias más lejanas y establecimiento de una red de fibra óptica, como sistemas de 40Gb/s para una longitud de onda, aumentar el ancho de banda en los
Fuente de Información
Transmisor Eléctrico
Fuente Óptica
Detector Óptico Receptor
Eléctrico Destino
Sistema de comunicación por fibra óptica Fibra
Figura 1. 1 Sistema de Comunicación por Fibra Óptica
EDFA
Fibra Fibra
MUX
λN λ λ
λN λ Tx1 λ
Tx2
Tx
Rx Rx
Rx
DEMUX
Tx ‐ Transmisor óptico Rx – Receptor óptico MUX – multiplexor WDM DEMUX – demultiplexor WDM
EDFA – Amplificador de fibra dopada con erbio
Figura 1. 2 Diagrama esquemático de un Sistema de Multiplexión por División de Longitud de Onda (WDM)
amplificadores de tipo C, banda de frecuencia L y S, compensación y dispersión dinámica, Acceso Múltiple por División de Código Óptico, comunicaciones con luz coherente, establecimiento de una red óptica inteligente, etc. Estas nuevas tecnologías para comunicaciones por fibra óptica nos guiarán para mejorar las redes y sistemas de comunicación óptica.
1.1.2 Redes de Comunicación de Fibra Óptica
1.1.2.1 Redes de Transporte Ópticas y Redes Ópticas Automáticamente Direccionadas
En 1985, Payne y sus colegas de la Universidad de Southampton descubrieron que fibras dopadas con elementos raros podían exhibir los fenómenos de la oscilación del láser y amplificadores, p. ej.
Erbio (Er3+) amplificador con fibra dopada (EDFA) [9] con el mayor conocimiento de EDFA y WDM, Las comunicaciones por fibra óptica eran punto a punto con una longitud de onda, ahora son punto a multipunto con varias longitudes de onda (WDM), con lo que se ha incrementado la capacidad de trasmisión.
Con el predominio de los sistemas WDM punto a punto y el mejoramiento continúo de la capacidad los sistemas de trasmisión, los dispositivos electrónicos de conexión cruzada digital (Digital Cross Connect DXC) y los dispositivos de multiplexado de insertar/extraer (Optical (WDM) Add‐Drop Multiplexer OADM) en nodos de red han reducido la pérdida en la tasa de transferencia.
En otras palabras la tasa de transmisión de WDM tiene una gran inexactitud comparado con los dispositivos de multiplexión de inserción/extracción. Por lo tanto, para usar el enrutamiento de WDM y eliminar los cuellos de botella en los nodos de red, La Unión Internacional de Telecomunicaciones (International Telecommunication Union‐Telecommunication ITU‐T) introdujo el concepto de Red Óptica de Transporte (Optical Transport Network OTN) en 1998[10]. OTN WDM usa dispositivos Ópticos de Multiplexión por Inserción/Extracción (OADM) y dispositivos Ópticos de Conexión Cruzada (Optical (WDM) Cross‐Connect OXC) en sus nodos, conexión óptica cruzada y la inserción/extracción son implementadas en el dominio de la óptica sin hacer la conversión de óptico a eléctrico. De esta forma, el tráfico de la red, probabilidad de fallas, la usabilidad del sistema y la supervivencia de una red WDM puede ser optimizado y diseñado en base al enrutamiento de la longitud de onda. Con esto podemos evitar las limitaciones de los cuellos de botella, ver la capacidad de trasmisión y el rendimiento de los nodos puede ser mejorado. Sin embargo el OTN tiene muchos defectos técnicos. Por ejemplo no reaccionar con velocidad y con exactitud con los cambios de la red, porque la gestión de la red es centralizada, la
configuración de los canales ópticos necesita ser manual y la interoperabilidad de los dispositivos de la red es limitada por lo que la escalabilidad se ve limitada.
Para resumir, una OTN no puede satisfacer los requerimientos de una red óptica, Por esto la ITU‐T propuso los requerimientos de una Red de Transporte Automáticamente Direccionadas (Automatic Switched Transport Network ASTN), G.807 (Global.Automatically Switched Transport Network G.astn) [11] y la arquitectura para Redes Ópticas Automáticamente Direccionadas (Automatic Switched Optical Network ASON), G.8080 [12] in 2001.G.8080 dio una definición de ASON e introdujo el concepto de direccionamiento dinámico y la cooperación entre mecanismos de la capas de servicio y trasporte. Hasta ahora, las redes ópticas de comunicación no solo son de transporte sino que incluyen funciones de direccionamiento y control. El esquema de la topología OTN se muestra en la Fig1.3. Representan estructuras OADM y OXC Fig1.4 y Fig1.5.
Figura 1. 3 Esquema de la Topología de una Red Óptica de Transporte (OTN)
Figura 1. 5 Conexión Cruzada Óptica (OXC)
ASON esta divida en tres planos de acuerdo con la arquitectura de la red, las cuales son el Plano de Trasporte (Transport Plane TP), Plano de Control (Control Plane CP) y Plano de Gestión (Management Plane MP). La función básica de ASON es hacer una configuración del canal óptico a conectar dos puntos en términos del requerimiento del cliente. ASON soporta tres tipos de conexiones: conexiones permanentes, conexiones semipermanentes y conexiones direccionadas,
Sistema de control
Figura 1. 4 Estructura de un Multiplexador Óptico por Inserción/Extracción (OADM)
Estas conexiones incluyen punto a punto, bidireccionales punto a punto y bidireccionales punto a multipunto. La arquitectura lógica de ASON se muestra en la Fig.1.6
Figura 1. 6 Arquitectura de una Red Óptica Automáticamente Direccionada (ASON).
La principal característica de ASON[13] es la transparencia del servicio, que puede ser capaz de proveer todos los tipos de banda ancha y aplicaciones con alta calidad para los usuarios, usando protección efectiva y rápida, con mecanismos de recuperación para monitorear el performance y las fallas de recuperación sobre la capa óptica, ingeniería de control de tráfico en tiempo real y gestión del ancho de banda sobre la capa óptica, muy buena interoperabilidad de los dispositivos y la escalabilidad de la red. Estos méritos hacen que ASON sea la tendencia hacia las nuevas generaciones de redes ópticas de transportes.
1.1.2.2 Redes de Acceso Óptico
El funcionamiento de OTN es continuamente actualizado con nuevas técnicas, El acceso a la red, llamado la última milla, tiene muchos problemas como la falta de ancho de banda, una tasa alta de falla y el alto costo de operación y mantenimiento. Y no es capaz de soportar nuevos servicios y aplicaciones, especialmente servicios de multimedia y de nuevos servicios de ancho de banda, porque aún el par de cobre es el medio de transmisión en las redes de comunicación. Por esto se generan los cuellos de botellas en las redes de comunicación. El requerimiento del ancho de banda para nuevos servicios para usuarios es mostrado en la Fig.1.7. [14]
Figura 1. 7 Requerimientos del Ancho de banda para nuevos servicios por usuario.
El gran uso de internet ha causado el rápido aumento de los requerimientos del ancho de banda en el acceso de red. A pesar de las actuales tecnologías de acceso de banda ancha, como la Línea Digital Asimétrica de Subscritores (Asymmetric Digital Subscriber Line ADSL), cable modem (Cable Modem CM), las cuales pueden cubrir las necesidades de algunos servicios de navegación en internet, email y demás. Pero no es capaz de satisfacer los requerimientos del ancho de banda para servicios de multimedia y servicios de banda ancha, por ejemplo la trasmisión de medios,
aplicaciones interactivas, especialmente los requerimientos de unión de tres redes en una, como red de telecomunicaciones, La red de transmisión de tv y la de red computacional.
ADSL posee la propiedad de asimetría entre el volumen del diagrama de flujo de subida y bajada, por esto es conveniente para aplicaciones como navegar en internet y video en demanda (Video On Demand VOD), etc. Sin embargo esto no es aplicable en interconexiones de Red de Área Local (Local Area Network LAN), los servicios acceso de internet son comúnmente ofrecidos por ADSL con Modo Asíncrono de Trasferencia (Asynchronous Transfer Mode ATM)/Ethernet. Los dispositivos remotos de ADSL son equipados con el usuario final y Línea de Acceso Digital Multiplexado del Subscriptor (Digital Subscriber Line Access Multiplexer DSLAM) está equipado en las oficinas centrales, y conectado con simples cables telefónicos. Los dispositivos alejados del ADSL proporcionan Ethernet para las computadoras del usuario, y DSLAM conecta con el proveedor del servicio de internet (Internet Service Provider ‐ ISP) por Modo de Transferencia Asíncrona (Asynchronous Transfer Mode ATM) o Ethernet rápida (Fast Ethernet FE).Los suscriptores pueden alcanzar el acceso a internet de banda ancha usando la red. DSLAM se puede poner donde el ISP se encuentra y conectarlo al acceso de la red o desconectarlo el acceso a la plataforma ISP por medio de red área local. Los servicios de VOD se pueden proveer por medio de ADSL+ATM.
Cable modem [15] es otro tipo de técnica de banda ancha la cual puede subir y bajar de forma asimétrica y es conveniente para proveer dos tipos de servicio, como navegar en internet y VOD, donde el servicio de acceso de internet puede ser ofrecido por un Hibrido de cable coaxial y fibra óptica (Hybrid Fiber‐COAX HFC)+ Cable Modem +Ethernet/ATM. El dispositivo principal del HFC es montado en una oficina central, la cual se interconecta con internet a través ATM o Ethernet veloz y se la función de modulación se implementa y mezcla. La información es trasmitida a los subscriptores por HFC y cable modem satisface las funciones de decodificar la señal, de modular y transmitir la señal digital a la PC (computadora personal) vía Ethernet. De forma inversa el cable modem recibe las señales de subida de la PC y el cable modem las transmite al dispositivo central del HFC después las señales son codificadas y moduladas.
Aunque el ADSL y el módem cable puedan proporcionar muchas clases de servicios de networking, que administra el ancho de banda para satisfacer los requerimientos de los servicios actuales de
banda ancha. El ancho de banda de un ADSL es menor que el de le cable modem. Sin embargo, existen muchos problemas tales como la estabilidad, la confiabilidad, la fuente de alimentación, la operación y el mantenimiento cuando un módem cable y un HFC se utilizan para escalar una red.
Por otra parte, se debe al ancho de banda de los enlaces de red compartida por todos los usuarios, el ancho de banda que se asigna a cada usuario es sumamente limitado. Por lo tanto, no pueden ofrecer los servicios digitales de banda ancha realmente cuando el número de usuarios aumenta.
Por lo tanto, el ADSL y el módem cable son solamente técnicas actuales de acceso a la red, y solamente de acceso óptico de red (Optical Access Network OAN) representa la nueva tendencia de acceso de red.
Las redes de acceso óptico se pueden dividir en dos categorías, La red óptica activa (Active Optical Network AON) y la red óptica pasiva (Passive Optical Network PON), El primero usa demultiplexor eléctrico y el último utiliza el demultiplexor óptico. Porque PON puede evitar el efecto de interferencia electromagnética y las descargas sobre los dispositivos al aire libre, puede reducir la probabilidad de fallas de líneas y puede mejorar la confiabilidad de los sistemas. Mientras tanto, puede economizar el costo de operación, de mantenimiento y tiene gran transparencia, y es conveniente para diferentes formatos de señales y diferentes tasas de bit por esto es una técnica que promete ser utilizada en la operación de las telecomunicaciones y en el mantenimiento por largo tiempo. La arquitectura típica de una red PON se muestra en Figura 1.8. [16]
Figura 1. 8 Arquitectura Típica de una Red Óptica Pasiva (PON).
La red PON se puede dividir en APON (ATM PON), que está basada en ATM y EPON (Ethernet PON), basado en Ethernet, y WDM‐PON que combina la técnica de WDM con la técnica de una red PON. APON usa una tecnología de concentración y multiplexión estadística de ATM. Sin embargo ATM usa celdas de longitud fija de 53 Bytes en los cuales el encabezado utiliza 5 Bytes y 48 Bytes de datos. Esto significa que es difícil que ATM lleve los servicios con formato de IP, porque requiere que la información esté segmentada con paquetes de longitud variable, con menos de 65,535 Byte. Los paquetes del Protocolo de Internet (Internet Protocol IP) deben ser particionados en segmentos de 48‐Bytes y se deben agregar encabezados de 5 –Bytes para cada segmento para formar una celda cuando los servicios de IP son usados por una APON. Este proceso es muy complejo y consume tiempo considerable e incrementa el costo de Línea Terminal Óptica (Optical Line Terminal OLT) y Unidad Óptica del Usuario (Optical Network Unit ONU).
Se usan diferentes técnicas de trasmisión cuando una Red Óptica Pasiva de Ethernet (Ethernet Passive Optical Network EPON) baja información de una OLT a múltiples ONUs y cuando sube información de múltiples ONUs a OLT y por lo tanto estos dos procesos son totalmente diferentes.
De acuerdo con el protocolo IEE 802.3, la técnica de difusión se emplea en la bajada de información de OLT a múltiples ONUs con diferentes longitudes de paquetes que pueden ser de hasta 1518 Bytes. Cada paquete tiene un encabezado único para identificar su destino p.ej. En ONU, los paquetes van a todas la ONUs (paquetes de difusión) o a un grupo particular de ONU’s (paquetes de multidifusión).En el splitter, el tráfico se divide en varias señales (el mismo número de ONUs) y cada señal lleva los todos los paquetes de la ONUs. Cuando la información llega a la ONU, acepta el paquete que era para él y descarta los otros. Por otra parte la tecnología de TDM es empleada para gestionar el tráfico de subida y trasmisión de periodos de tiempo para que las ONUs realicen la sincronización. Una vez que la información se junta en la fibra, los paquetes de subida no se interfieren entre sí en la ONU. El principio de una EPON se muestra en la Figura 1.9.
Figura 1. 9 Trafico en una Red Óptica Pasiva de Ethernet (EPON).
Debido a que Ethernet se dedica a llevar los servicios de IP, esto reduce los encabezados dinámicos en comparación ATM
En APON y EPON se usa la tecnología TDM (Multiplexión por División de Tiempo) estas pertenecen a TDM PON. La actual TDM PON soporta tasas de información de 155 Mb/S a 1 Gb/s, los cuales están compartidos por 8 a 32 usuarios. Sin embargo en TDM PON el tiempo de la trasmisión de subida esta compartido y eso restringe el ancho de banda para un usuario. En el sistema PON basado en Acceso Múltiple por División de Tiempo (Time Division Multiple Access TDMA) es difícil proveer un ancho de banda en el orden de Gb/s para un enlace de subida para todos los usuarios y además es difícil ofrecer servicios con diferentes tasas de bit para cada uno en enlaces de subida.
Por lo tanto TDM PON no es una solución sistémica de fibra hacia la casa (Fiber To The Home FTTH) para transporta los servicios simétricamente con tasa de Gb/s.
Una WDM PON [17] es la combinación de la técnica WDM con una PON, cual configuración es punto a punto con uniones de OLT y el usuario a través de la asignación de una longitud de onda única para cada usuario. Los proveedores de servicio esperan implementar la transición lentamente de TDM‐PON a WDMA. De ser posible una producción en masa y la utilización de la especificación, reducirían significativamente el costo. En WDM el espacio de la longitud de onda es mayor a los 20 nm y es llamado multiplexado por división aproximada de longitud de onda (Coarse Wavelength Division Multiplexer CWDM). LA ITU G.695 define los estándares de la interface óptica de CWDM y la ITU G.694‐2 define el rango total de longitud de onda de 1270 nm a 1611 nm, en el cual los espacios de la longitud de onda son de 20 nm y el número total de canales usados es 18.La fibra de low‐water peak es definida por la ITU G 652 C&D que elimina la atenuación en la longitud onda, y es de 1370 nm a 1410 nm eso solo existe en fibras mono modo, y puede ser usada con CWDM para alcanzar una gran gama espectral en la transmisión. Sin embargo porque la dispersión se incrementa con el aumento de la longitud de onda, la distancia de trasmisión se debe limitar debido a la dispersión de la señal cuando la tasa de información aumenta. El principal defecto de CWDM es el número limitado de canales el cual hace difícil extender el servicio de CWDMA‐PON. Además el pequeño número de longitudes de onda, entre más canales, mayores pérdidas, la distancia de transporte y la separación de la luz es limitada. En la Figura 1.10 se muestra una arquitectura simple de WDM‐PON
Figura 1. 10 Arquitectura de WDMPON
En la Figura 1.11 se representa la asignación de la longitud de onda para CWDAM
Figura 1. 11 Asignamiento de Ancho de Onda para CWDAM
El espacio de la longitud de onda de la Multiplexión por División en Longitudes de onda Densas (Dense Wavelength Division Multiplexer DWDM) es mucho menor a CWDM [18], típicamente es de 3.2 nm. Una PON usa DWDM y puede ofrecer suficiente ancho de banda para más usuarios. Sin embargo, la longitud de onda para cada fuente de luz y la longitud de onda central de cada una necesita un filtro para ser monitoreada para evitar la diafonía entre canales vecinos porque el
espacio de DWDM‐PON es menor. Desde que DWDM‐PON necesita dispositivos ajustables de longitud de onda y control de temperatura, su costo es más elevado respecto a CWDM‐PON.
Debido a la demanda del cliente, varios servicios se integrarán, como Internet de alta velocidad, Telefonía IP y transmisión de video, etc. En el futuro la demanda irá hacia tasas altas de bit y del usuario habilitado. Esto es porque hay muchas aplicaciones punto a punto como la archivos de alta definición sin comprimir de 1.2 Gb/s o incluso 6 Gb/s de súper alta definición para películas digitales, así como usos de diagnóstico médicos bidireccionales, tele cirugías, etc; serán desplegados universalmente [19]. Los servicios serán modificados para cubrir la variedad de demandas con opciones como la tasa de bit y calidad del servicio (QoS). Sin una abundante ancho de banda para los enlaces disponibles en sobre demanda o dedicados, no serían bien soportados y con la consecuencia; de que el usuario que no tiene una conexión punto a punto es forzado a compartir el limitado ancho de banda con otros usuarios, voraces del ancho de banda. Por lo tanto, la actualización del escenario para FTTH en el futuro cercano, no solo debe tener una alta tasa de bit para bajar información, sino que también debe tener una alta tasa bit de subida para satisfacer las necesidades de los subscriptores. Por esto se debe desarrollar un sistema nuevo de simetría en Giga bit para FTTH a partir del actual FTTH que es asimétrico en la subida y bajada de información.
OCDMA (Acceso Múltiple por División de Código Óptico) es otra solución para el acceso múltiple con excepción de TDMA (Acceso Múltiple por División de Código) y WDMA (Acceso Múltiple por División de Longitud de Onda), el cual pude ser implementado en la multiplexión, direccionamiento e inserción/extracción de señales en multicanales sobre las redes troncales y las Redes de Área Metropolitana (MAN), separadamente o en combinación con TDM y WDM a través de la codificación y decodificación de la señal óptica directa. OCDMA puede realizar el acceso múltiple, del establecimiento de una red entre varios usuarios a través de la LAN (Red de Área Local) y el acceso a la red, este es un candidato técnico ideal para el futuro de FTTH en simetría con Gb/s. El esquema de una OCDMA‐PON se muestra en la Figura 1.12
Figura 1. 12 OCDMAPON
1.2 Evolución Tecnológica y Sistemas Experimentales Típicos de OCDMA
A finales de los 70’s, la tecnología CDMA (acceso múltiple por división de código) se diseñó casi específicamente para las comunicaciones militares, que era una técnica de esparcimiento de frecuencia que incrementaba la robusta seguridad de la información en las transmisiones. La comunicación de frecuencia esparcida se ha usado en aplicaciones de comunicación militar, desde hace mucho tiempo, con el fin de resistir la interferencia e implementar una menor probabilidad de detección. En estos días, CDMA se ha usado ampliamente en el campo de las comunicaciones inalámbricas, especialmente, con los sistemas de comunicación inalámbrica de tercera generación.
OCDMA es una tecnología que realiza transmisión de multiplexión y acceso múltiple al codificar en el dominio óptico, que soporta múltiples transmisiones simultáneas en el mismo rango de tiempo y en la misma frecuencia. Es otra tecnología de multiplexión y acceso múltiple además de la Multiplexión Óptica por División de Tiempo (Optical Time Division Multiplexing OTDM) y el WDM y también es técnica potencialmente promisoria para las redes ópticas del futuro, y especialmente debido a su fácil acceso y estructura de red flexible, es de fácil aplicación, para el acceso a la red.
En 1986, Prucnal Santoro y Fan propusieron realizar una red de área local con fibra óptica usando procesamiento de señales ópticas [20], y usaron códigos primos para llevar a cabo el experimento de codificación electrónica y decodificación en línea retardada de fibra óptica, verificando la factibilidad para implementar un sistema OCDMA incoherente al codificarlo en el tiempo del dominio. En 1988, Weiner, Heritage y Salehi demostraron cómo se esparcía un pulso óptico de femto segundo con ráfagas de pseudo ruido con duración de pico segundos. La frecuencia esparcida se alcanzaba al codificar el espectro de luz con fase aleatoria binaria, para después
decodificar la fase de espectro codificado y recobrar el pulso original. Ellos propusieron que la codificación y decodificación del pulso coherente ultra corto se podría aplicar a las redes de comunicación OCDMA de rápida reconfiguración. Los dos estudios sobresalientes fueron piezas clave para el desarrollo de OCDMA.
La codificación óptica y decodificación para el OCDMA no coherente utiliza códigos unipolares, sin embargo, los códigos bipolares utilizados en el Acceso Múltiple por División de Código a la Radiofrecuencia (Radio Frequency‐Code Division Multiple Access RF CDMA) tiene un desempeño pobre en sistemas OCDMA y no pueden usarse. Por lo tanto códigos unipolares con buen desempeño en el sistema necesitan ser desarrollados. Consecuentemente, en años pasados, la investigación de OCDMA no coherente se centraba en encontrar y obtener códigos unipolares con buena autocorrelación y correlación cruzada, como los Códigos Ortogonales/Pseudo‐Ortogonales Ópticos (Optical Orthogonal/Pseudo‐Orthogonal Codes OOC), Códigos Primos (Prime Codes PC), Códigos de Congruencia Cuadrática (Quadratic Congruence Codes QCC) etc. Para mejorar el rendimiento de los Códigos Primos y los Códigos de Congruencia Cuadrática (PC y QCC), Códigos Primos Extendidos (Extended Prime Codes EPC), Códigos Primos Modificados (Modified Prime Codes MPC), y Códigos de Congruencia Cuadrática Extendida (Extended Quadratic Congruence Codes EQCC) fueron propuestos otra vez. Entre estos códigos unidimensionales, OOC tiene el mayor rendimiento, pero su construcción es complicada, comparada con los demás códigos. Sin embargo OOC posee una auto‐correlación y correlación cruzada ideal y su cordialidad, que es el número de palabras código, la más grande está dada por el número de usuarios inversamente proporcional a la tasa de trasferencia de un solo usuario en un sistema incoherente de OCDMA de una sola dimensión, porque la cardinalidad de los códigos es proporcional a la longitud del tiempo esparcido, Considerando que, la tasa de datos para un solo usuario es inversamente proporcional a la longitud del tiempo esparcido. Mientras la cardinalidad del código es inversamente proporcional al cuadrado del peso del código. Y por otro parte, en cuanto más pequeño el peso del código sea, mayor es el aumento de la probabilidad de error. Para cumplir el requisito de la tasa de error, el número simultáneo de usuarios en la red debe ser reducido.
Debido a las razones mencionadas anteriormente, el uso de códigos unidimensionales al sistema incoherente de OCDMA es limitado. Para aumentar el número de usuarios, los códigos unipolares con una mayor capacidad necesitan ser diseñados. Por lo tanto, comenzando alrededor 1990, los investigadores transfirieron sus intereses del estudio en códigos unidimensionales a 2D OOCs (de dos dimensiones), con lo que se aumenta enormemente la capacidad del sistema y mejora el
rendimiento. Se ha realizado un gran progreso en los algoritmos de codificación, en la implementación de equipos no coherentes de codificación/decodificación para OCDMA y sistemas experimentales y protocolos de red para OCDMA, se han realizado muchos experimentos en laboratorios y en el campo de sistemas de OCDMA y redes de OCDMA. Por ejemplo, un experimento de demostración de 16 usuarios con una capacidad de 1.25 Gb/s por usuario y la transportaba por 80 Km con una señal de FFH‐OCDMA que usa la codificación con arreglos de reflexión de la fibra de Bragg (Fiber Bragg Grating FBG) fue divulgado en OFC'2001 y el experimento se demuestra en Figura 1.13.
Figura 1. 13 Sistema de OCDMA por Longitud de OndaTiempo a 1.25Gbits/s
Un experimento de demostración de la red de OCDMA con una configuración tipo estrella hecha en la Universidad de Princeton en América fue reportada en IEEE Photonics Techology Letters 18 (7) de 2006. El experimento fue operado a 115 Gchip/s. Esta demostración utilizó dispositivos off‐
the –shelf para implementar codificación de OCDMA incoherente de longitudes de onda‐tiempo de dos dimensiones, con una sola tasa de trasmisión de 5 Gb/s y tasa de error de 10‐13 o mejor. La configuración se muestra en la Figura 1.14