Análisis y Simulación de Redes que utilizan Multiplexación por División en Longitudes de Onda

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE REDES QUE UTILIZAN MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. Autor: Dayana Hernández Rodríguez Tutor: MSc. PA. Ing. José Domínguez Hernández. Santa Clara 2011 "Año 53 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE REDES QUE UTILIZAN MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. Autor: Dayana Hernández Rodríguez Email: [email protected]. Tutor: MSc. PA. Ing. José Domínguez Hernández Email: [email protected]. Cotutor: Ing. Osmany Domínguez Gómez Santa Clara 2011 "Año 53 de la Revolución”.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Nunca consideres el estudio como una obligación sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber” Albert Einstein.

(5) ii. DEDICATORIA. DEDICATORIA. A mi mamá, a mi papá y a mi hermana por ser los tres amores de mi vida. A mis 4 maravillosas tías por estar siempre cuando las necesitaba. A todos los profesores que contribuyeron de una forma u otra a mi formación, en especial a mi tutor José Domínguez A mis compañeros de aula con los que he reído, he discutido y he aprendido en estos maravillosos cinco años de mi vida. A la Revolución por darme la posibilidad de realizar mi sueño.

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi mamá Gladys por ser la mejor madre y amiga del mundo y por enseñarme a ser cada día más fuerte y decidida y que todo lo que uno se propone luchando y esforzándose siempre se puede lograr. A mi papá Juan Emilio por ser el mejor hombre que conozco, por enseñarme a ser cada día una mejor persona, una mejor estudiante y a amar a mi país. A mi hermana Arletys por hacerme reír y por darme siempre la alegría de saber que tengo siempre a mi lado una gran amiga. A mis tías Maricela, Mamita, Marlene y Marisol por apoyarme, darme buenos consejos y preocuparse siempre por mí. A mi tutor por el regalo de sus enseñanzas siempre muy útiles para mí, por su incondicional apoyo y por darme siempre la confianza de que se podía lograr un buen trabajo de nuestro esfuerzo. A mis amigas Heidy, Vanesa, Araly, Beatriz, Ariadna y María por ser mujeres maravillosas e inteligentes y estar a mi lado siempre que las necesite. A mis amigos Leiber, Rafael, Sergio, Carlos Manuel, Carlos Iraola, Maddiel, Alain, Frank Ché, Dennis, Carlos de la Guardia, Roque, Eladio por darme buenos consejos y por enseñarme siempre algo nuevo. A mis amigos del aula por ser las personas más inteligentes que conozco, por ser siempre maravillosos conmigo, por explicarme, por entenderme y apoyarme siempre..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. •. Revisión bibliográfica para conocer el estado del arte de las redes ópticas usando Multiplexación por División en Longitudes de Onda, MDLO (WDM).. •. Revisión de los componentes y parámetros fundamentales de una red óptica con WDM.. •. Estudio de. las características del software OptiSystem y presentación de la. posibilidades de este en la simulación de redes ópticas con WDM. •. Concebir algunos escenarios de simulación, que permitan ejemplificar las posibilidades del software en condiciones similares a enlaces reales y que posteriormente puedan verificarse mediante la simulación.. •. Simular los escenarios concebidos anteriormente, evaluar el funcionamiento de estos y obtener conclusiones que puedan servir de referencias para las personas que utilicen este trabajo.. •. Proponer un documento donde se recojan los aspectos más importantes a tener en cuenta en el diseño y simulación de redes WDM.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. En el presente trabajo se hace una caracterización general de la tecnología de Multiplexación por División en Longitudes de Onda conocida mundialmente por sus siglas en inglés WDM (Wavelength Division Multiplexing), se presentan los componentes principales de una red óptica que utilice WDM y los parámetros fundamentales que definen su capacidad y eficiencia. Se expone la importancia de la simulación como paso previo a la implementación real de redes WDM y se proponen las posibilidades del software OptiSystem en la simulación de enlaces de este tipo. A manera de ejemplo se presentan varios escenarios de simulación montados en el software y las características de cada uno de ellos. Luego se realiza un análisis de alguno de los criterios a tener en cuenta en el diseño real de una red WDM a través de los resultados dados por la simulación. Como conclusiones del trabajo se destacan las grandes posibilidades de estos sistemas en las ampliaciones de las redes ópticas de telecomunicaciones, ya que permiten aumentar las capacidades de transmisión cambiando el equipamiento terminal, multiplicándose así las potencialidades del sistema sin extender nuevas fibras, lo que puede representar un considerable ahorro en las inversiones donde se requiera incrementar la cantidad de canales y la velocidad de transmisión, además se destacan las potencialidades del software OptiSystem como una poderosa y eficiente herramienta de simulación..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE. CON MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA..................... 4 1.1. Aspectos teóricos de los sistemas WDM. ................................................................ 4. 1.2. Definición y características de WDM. ..................................................................... 4. 1.3. Factores que motivaron el desarrollo de WDM. ...................................................... 6. 1.4. Tipos de WDM. ........................................................................................................ 6. 1.5. Componentes y parámetros que definen una red con WDM. .................................. 7. 1.5.1. Emisores de Luz................................................................................................ 8. 1.5.2. Multiplexores y Demultiplexores. .................................................................... 9. 1.5.3. Fibra óptica. .................................................................................................... 10. 1.5.4. Amplificadores Ópticos. ................................................................................. 17. 1.5.5. Detectores. ...................................................................................................... 20. 1.5.6. Multiplexores ópticos de adición/sustracción. ................................................ 21.

(10) vii 1.5.7. Crosconectores Ópticos. ................................................................................. 23. CAPÍTULO 2.. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS. DE SIMULACIÓN DE. REDES ÓPTICAS CON WDM ........................................................................................... 25 2.1. Simulación de redes ópticas WDM. ....................................................................... 25. 2.2. Presentación del software OptiSystem. .................................................................. 26. 2.2.1 Presentación de la Interfaz Gráfica del Usuario. ................................................. 28 2.2.2 Parámetros globales de simulación ...................................................................... 29 2.2.3 Simulación de una red WDM y aspectos importantes del diseño en OptiSystem. ...................................................................................................................................... 34 2.3. Presentación de los Escenarios de Simulación....................................................... 47. CAPÍTULO 3.. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES. ...... 55. 3.1. Figuras de mérito para una red WDM.................................................................... 55. 3.2. Análisis de resultados. ............................................................................................ 58. 3.2.1. Influencia de la potencia del láser en los parámetros del enlace. ................... 58. 3.2.2. Influencia del aumento de la razón de bit. ...................................................... 63. 3.2.3. Influencia de las fibras ópticas G.652 y G.655. .............................................. 72. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 76 Conclusiones ..................................................................................................................... 76 Recomendaciones ............................................................................................................. 77 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 78 GLOSARIO DE TÉRMINOS .............................................................................................. 80.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El desarrollo actual de las telecomunicaciones, la electrónica y la informática han revolucionado tanto las redes como los servicios telemáticos, brindando la posibilidad de transmitir una gran cantidad de información con fiabilidad y seguridad a través de largas distancias, no obstante, a nivel mundial es creciente la demanda de capacidad de comunicación para diversas aplicaciones, ya sea de voz, imágenes, video y fundamentalmente para satisfacer el crecimiento vertiginoso del uso de Internet. Las redes se han multiplicado, el surgimiento de las comunicaciones ópticas ha permitido grandes crecimientos tanto en las redes locales, metropolitanas y las de rango extendido. Más recientemente han evolucionado técnicas de transmisión por Fibras Ópticas que han permitido incrementar sustancialmente las capacidades tanto de enlaces ya existentes como de enlaces nuevos de comunicaciones ópticas, nos referimos a los. sistemas de. Multiplexación por División de Longitudes de Onda (MDLO), conocidos por su nombre y siglas en la literatura en idioma inglés: Wavelength Division Multiplexing (WDM) que permite la transmisión simultánea de señales utilizando diferentes longitudes de onda (canales ópticos) por una misma fibra óptica, logrando así aumentar en gran medida la capacidad del medio de transmisión. La tecnología de Multiplexación por División de Longitudes de Onda (MDLO), WDM (Wavelength Division Multiplexing), a pesar de existir desde hace varios años, es hoy en día uno de los temas de mayor interés dentro del área de la infraestructura de redes ópticas, WDM se ha consolidado como una de las tecnologías favoritas, debido a las enormes ventajas que ofrece al potenciar el ancho de banda. Son cada vez más las redes de cables ópticos que la utilizan para ofrecer multi-servicios..

(12) INTRODUCCIÓN. 2. Para la puesta en práctica de la tecnología WDM los ingenieros dedicados a esta función en todo el mundo, utilizan herramientas de simulación con el objetivo de lograr mayores rendimientos en cuanto al costo del equipamiento, a la capacidad requerida y a la distancia del enlace para así tener una perspectiva real del diseño. Debido a que la utilización de la WDM es una realidad tanto en el mundo como en nuestro país, nuestra universidad y particularmente la Facultad de Ingeniería Eléctrica tiene el objetivo de preparar a sus ingenieros en las nuevas tecnologías por lo que el uso de la simulación se convierte en una alternativa poderosa para la enseñanza de estas. Las empresas que utilizan WDM en sus redes de datos pueden a través de la simulación evaluar el impacto de un aumento del número de canales y la capacidad de estos en sus redes existentes evitando cualquier interrupción que esto pueda conllevar. Por lo que cada vez son más los interesados en utilizar la simulación como paso previo a la implantación real de redes ópticas con WDM.. Objetivo General: Contribuir al uso de la simulación de enlaces ópticos con WDM para lograr evaluar los parámetros que pueden influir en el diseño o desarrollo de una red de este tipo.. Objetivos Específicos: 1.- Realizar una revisión bibliográfica sobre las comunicaciones por fibra óptica que aplican las técnicas de Multiplexación por División en Longitud de Onda (Wavelength Division Multiplexing; WDM). 2.- Buscar, organizar y presentar la información básica sobre los sistemas MDLO, (WDM), particularmente los componentes y parámetros típicos de un enlace. 3.- Presentar las posibilidades del software OptiSystem en la simulación de redes WDM. 4.- Modelar y simular los parámetros de un enlace de comunicación por fibra óptica con WDM. 5.- Evaluar los resultados de las simulaciones de enlaces de comunicación por fibra óptica con WDM..

(13) INTRODUCCIÓN. 3. Organización del informe. El informe de este trabajo ha sido organizado en: introducción, desarrollo (compuesto de tres capítulos), conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y glosario de términos. A continuación se describe brevemente el contenido de los tres capítulos.. Capitulo 1: COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. Este capítulo aborda. los aspectos generales de. la Multiplexación por División en. Longitudes de Ondas (MDLO), factores que motivaron su desarrollo, su evolución y los tipos de WDM, además se presentan los componentes y parámetros que definen una red óptica con WDM.. Capítulo 2: PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS DE SIMULACIÓN DE REDES ÓPTICAS CON WDM. En este capítulo se explican los aspectos fundamentales del software OptiSystem, las posibilidades que este brinda para la simulación de redes ópticas con WDM y se presentan los diferentes escenarios de simulación y sus características (cantidad de canales, espaciamiento entre estos, capacidad por canal, tipo de fibra óptica, etc.).. Capítulo 3: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN. En este capítulo se analizan los resultados de las simulaciones de los escenarios presentados en el capítulo anterior y se exponen varios criterios a tener en cuenta para el diseño real de redes WDM..

(14) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 4. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. Este capítulo aborda. los aspectos generales de. la Multiplexación por División en. Longitudes de Ondas (MDLO), factores que motivaron su desarrollo, su evolución y los tipos de WDM, además se presentan los componentes y parámetros que definen una red óptica con WDM.. 1.1. Aspectos teóricos de los sistemas WDM.. En los últimos años el tráfico de datos y particularmente de Internet ha sufrido un crecimiento exponencial, motivado por numerosos avances tecnológicos, que obligan a aumentar el ancho de banda para hacer frente a las exigencias actuales y futuras. Por lo que se hace necesario el desarrollo de nuevas tecnologías de transmisión y conmutación de alta velocidad, entre las que se encuentra la tecnología de Multiplexación por División en Longitudes de Onda (MDLO), que en inglés se conoce por su siglas WDM (Wavelength Division Multiplexing), universalmente difundida en la literatura técnica; por lo que el tema fundamental de este trabajo es el estudio de estas tecnologías y la adquisición de experiencias en la simulación de enlaces con el auxilio del software existente.(Graña, 2005) 1.2. Definición y características de WDM.. La Multiplexación por División de Longitudes de Onda o WDM (Wavelength Division Multiplexing) es una tecnología que multiplexa varias señales ópticas sobre una sola fibra.

(15) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 5. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. óptica mediante portadoras ópticas de diferentes longitudes de onda (1300 nm a 1600 nm), usando luz procedente de un láser o un diodo emisor de luz LED (Light Emitting Diodo). En este tipo de sistema, cada señal de entrada es independiente de las otras. De esta manera, cada canal óptico tiene su propio ancho de banda dedicado, llegando todas las señales al destino al mismo tiempo. Como otras técnicas de multiplexado la WDM necesita un espaciamiento entre los canales para evitar interferencias entre estos (interferencia intersímbolo).(Arana, 2002) La distribución de las longitudes de onda en cada uno de los sistemas WDM posibles actualmente se encuentra estandarizada en las recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones.(ITU-T, 2002). El rango de longitudes de onda utilizado en la fibra puede dividirse en varias bandas o canales, cada uno de estos canales, a distinta longitud de onda, puede transmitir señales de diferentes velocidades y formatos, así como diferentes protocolos de comunicación, donde comúnmente se encuentran SONET/SDH, ATM, PDH, IP, etc. Antes de difundirse la aplicación de la tecnología WDM para la ampliación de las capacidades de las redes ópticas de transmisión de datos, se trabajó la alternativa de continuar aumentando las capacidades de transmisión incrementando la Multiplexación por División en Tiempo ó (Time Division Multiplexing; TDM) de mayor cantidad de canales de datos, incrementando en “n” veces las velocidades típicas de las tecnologías ampliamente usadas en SONET/SDH a 2,5 Gbps, lo que venía acompañado de varios efectos adversos como: Incremento de los cambios electro-ópticos, aumento de la relación señal a ruido óptica en el orden de 6 dB, modulación más compleja y costosa, tolerancia a la dispersión cromática 16 veces menor y mayores requerimientos de potencia transmitida que incrementan los efectos no lineales. Además, por esta vía el incremento de los sistemas TDM quedaba limitado a 40 Gbps. Así en los sistemas que requieren grandes velocidades de transmisión se ha adoptado la tecnología WDM, que brinda mayores potencialidades..

(16) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 6. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. 1.3. Factores que motivaron el desarrollo de WDM. Necesidad de redes de gran capacidad y ancho de banda para soportar el crecimiento del tráfico resultante de la explosión de los servicios en línea de banda ancha producida en los últimos años. Diversidad de protocolos de comunicación utilizados, incompatibles unos con otros. TDM típicamente no logra velocidades de transmisión mayores a 10 Gbps (Excepcionalmente en sistemas muy modernos 40 Gbps) por limitaciones de los dispositivos electrónicos para conmutar mayores velocidades. Imposibilidad con las técnicas actuales de utilizar eficientemente todo el ancho de banda disponible en las fibras ópticas (100 nm - 12.5 THz).(S.A., 2009a). 1.4. Tipos de WDM.. En los sistemas WDM se distinguen típicamente 3 familias de sistemas, aunque a veces los que caen en la categoría DWDM se subdividen en tres sobre la base de la red donde se encuentran implementados. Así las familias fundamentales que se encuentran son: CWDM. (Multiplexación por División Aproximada de Longitudes de Onda) (Coarse Wavelength Division Multiplexing). DWDM (Multiplexación por División de Longitudes de Onda. Densa),. metropolitano) (Dense Wavelength Division Multiplexing). DWDM (Multiplexación por División de Longitudes de Onda. Densa) de larga. distancia. DWDM (Multiplexación por División de Longitudes de Onda Densa) de ultra larga distancia. UDWDM (Multiplexación por División de Longitudes de Onda Ultra densa) (Ultra Dense Wavelength-Division Multiplexing). Por la especial importancia que tiene para este trabajo se realizará una comparación (Tabla 1.1) entre. la CWDM. y los diferentes tipos de. DWDM. para poder conocer sus. características y explicar las ventajas y desventajas de cada una de estas tecnologías.(ITUT, 2003).

(17) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 7. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. Tabla 1.1: Comparación de tecnologías WDM.(A., 2004.). De la comparación se infiere que los sistemas CWDM son más sencillos y más baratos que los sistemas DWDM , y normalmente no requieren del uso de amplificadores ópticos, pero estos últimos poseen mayor capacidad y pueden ser utilizados en distancias mayores usando amplificadores ópticos, siendo estas sus principales ventajas y desventajas. 1.5. Componentes y parámetros que definen una red con WDM.. WDM es una tecnología que ha ganado un gran desarrollo en las redes ópticas de todo el mundo por lo que es de vital importancia conocer los componentes y parámetros que definen estas redes. Entre los componentes de una red WDM se pueden encontrar: •. Emisores de Luz: Láseres.. •. Multiplexores y Demultiplexores ópticos.. •. En el enlace, fibra óptica con bajas pérdidas.. •. Amplificadores ópticos.. •. Fotodetectores (PIN y APD).. •. Multiplexores ópticos de adición/sustracción.. •. Crosconectores ópticos..

(18) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 8. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. A continuación se realiza una caracterización de cada uno de estos componentes que será de utilidad para entender los escenarios presentados en el próximo capítulo. 1.5.1. Emisores de Luz.. Las fuentes de luz ó los emisores de luz, son dispositivos en el lado transmisor que convierten las señales eléctricas a pulsos de luz. El proceso de esta conversión, o modulación, se puede llevar a cabo mediante modulación externa de una onda continua de luz o usando un dispositivo que puede generar luz modulada directamente. La fuente de luz usada en el diseño de un sistema es un asunto importante porque puede ser uno de los elementos que encarece la tecnología. Sus características son a menudo un factor importante en cuanto a la limitación en el rendimiento final del enlace óptico. Los dispositivos emisores de luz usados en la transmisión óptica deben ser compactos, monocromáticos, estables y de larga duración. Monocromático es un término relativo; en la práctica hay solamente fuentes de luz con un rango determinado. La estabilidad de la fuente de luz es una medida de cuan constante es su intensidad y longitud de onda.(CISCO, 2001) Para la transmisión óptica con WDM el emisor de luz que se utiliza es el láser semiconductor que tienen como característica un buen rendimiento y se pueden utilizar en aplicaciones con fibra monomodo. Los requerimientos para láseres incluyen una longitud de onda precisa, un ancho del espectro estrecho, suficiente potencia, y control del chirp (cambio abrupto en la frecuencia del láser con relación a su frecuencia central). Los láseres semiconductores satisfacen bien los tres primeros requerimientos. Sin embargo, el chirp puede estar afectado por los medios usados para modular la señal. En los láseres modulados directamente, la modulación de la luz que representa el dato digital se hace internamente. Con la modulación externa, la modulación se hace en un dispositivo externo. Cuando los láseres semiconductores son modulados directamente, el chirp puede llegar a ser un factor limitante a altas velocidades (por encima de 10 Gbps). Por otro lado, la modulación externa ayuda a limitar el chirp. Los tipos de láseres semiconductores habituales son: láseres monolíticos Fabry-Perot, y láseres con realimentación distribuida (DFB). El segundo tipo se adapta bien a las aplicaciones WDM, emitiendo una luz casi monocromática, que es capaz de funcionar a.

(19) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 9. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. altas velocidades, tiene una favorable relación señal/ruido, y tiene una linealidad superior. Los láseres DFB también tienen frecuencias centradas en la región de los 1310 nm y de 1520 a 1565 nm. El último rango de longitud de onda es compatible con EFDAs. Los láseres utilizados en la tecnología WDM se caracterizan por alta tolerancia a la dispersión o anchura espectral (que se define como la anchura total del mayor pico espectral, medida 20 dB por debajo de la amplitud máxima del pico) la cual es del orden de los picometros; en la figura 1.1 se ilustra lo anterior.. Figura 1.1: Ancho Espectral. Se caracterizan además por una alta velocidad de respuesta, que garantiza la rapidez de conmutación necesaria en los sistemas de gran velocidad y por una potencia óptica de salida relativamente alta (decenas o cientos de mW). (V., 2000) 1.5.2. Multiplexores y Demultiplexores.. Los multiplexores son equipos de vital importancia en las redes WDM ya que son los encargados de juntar las diferentes longitudes de onda ópticas provenientes de las diferentes fuentes de luz y convertirlas en un rayo de luz que luego es inyectado en la fibra óptica mientras que los demultiplexores son los encargados de separar este rayo de luz en diferentes longitudes de ondas. La demultiplexación se debe hacer antes de la detección de la luz, porque los fotodetectores inherentemente son dispositivos de banda ancha y no pueden selectivamente detectar una sola longitud de onda. Los multiplexores y los demultiplexores pueden ser de diseño pasivo o activo. El diseño pasivo se basa en prismas, rejillas de difracción, o filtros mientras que el diseño activo combina dispositivos pasivos y filtros sintonizables. Los principales retos en estos dispositivos es minimizar la diafonía y maximizar la separación de canal. La diafonía es.

(20) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 10. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. una medida de cuanto están separados los canales, mientras que la separación de canales se refiere a la posibilidad de distinguir cada longitud de onda.(CISCO, 2001) Los multiplexores y demultiplexores deben tener: •. Bajas pérdidas por inserción.. •. Baja diafonía.. •. Facilidad de fabricación.. •. Fácil adaptación de conectores, para tener una transmisión directa.. •. Alta confiabilidad.. Ahora se muestra (Fig. 1.2) las características del multiplexor M40 tomado del sistema Optix 6800 Intelligent Optical Transport Platform de Huawei y las características del demultiplexor DM40, del mismo sistema ya que estos datos pueden servir de referencia para los escenarios de redes WDM simulados en el próximo capítulo.. Figura 1.2: Especificaciones ópticas de M40 y D40.(Co., 2008) 1.5.3. Fibra óptica.. El principal trabajo de las fibras ópticas es guiar la luz con la atenuación mínima (pérdida de señal). Las fibras ópticas están compuestas de finos hilos de cristal en capas, llamadas “core” (núcleo) y “cladding” (revestimiento), que pueden transmitir luz a 2/3 de la velocidad de la luz en el vacío. Admitiendo una simplificación, la transmisión de luz en fibra óptica se explica con el principio de la reflexión interna total..

(21) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 11. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. En la tecnología WDM el tipo de fibra que se utiliza es fundamentalmente la monomodo, la cual tiene un “core” de diámetro menor que permite que un solo modo de luz viaje por él. Como resultado de ello, la señal se atenúa menos y por tanto se alcanzan mayores distancias. La fibra monomodo es la preferida en los enlaces de grandes distancias y ancho de banda, por su capacidad de transmisión y bajas pérdidas, siendo las características más necesitadas en el uso de la tecnología WDM. Los diseños de la fibra monomodo han evolucionado a medida que han pasado los años. Los principales tipos y las especificaciones ITU-T que son utilizadas en la implementación de la tecnología WDM son: •. NDSF (Non-Dispersion-Shifted Fiber), G.652(ITU-T, 2005). •. NZ-DSF (Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber), G.655(ITU-T, 2006). Las fibras NDSF, comúnmente llamadas la fibra monomodo estándar, se diseñaron para usarla en la segunda ventana, cerca de los 1310 nm, donde la dispersión cromática fuera cercana a cero para una longitud de onda de 1300 nm. A medida que la fibra óptica se hacía más común y aumentaban las necesidades de un mayor ancho de banda y de mayores distancias, se explotó una tercera ventana, cercana a los 1550 nm, en transmisión monomodo. La tercera ventana o banda C, ofreció dos ventajas: tenía mucha menos atenuación y su frecuencia de operación era la misma que la de los nuevos amplificadores dopados con erbio (EDFAs). Sin embargo, sus características de dispersión lo limitan severamente. Esto se solucionó con el uso de láseres de una banda más estrecha y más potentes. La fibra NZ-DSF, está diseñada específicamente para cubrir las necesidades de las aplicaciones DWDM. Aunque la dispersión cromática es reducida en la ventana de transmisión de las fibras NZ-DSF, nunca puede tener valor cero en este rango de longitud de onda (pero sí en longitudes de onda menores). Esto es debido a que un valor nulo de dispersión potencia efectos no lineales, que es fundamental evitar en aplicaciones WDM. La aparición de fenómenos no lineales también depende del área efectiva de la fibra, estos se minimizan con áreas efectivas mayores. La fibra G.655 tiene un área efectiva grande, lo que permite mayores niveles de potencia, una relación señal a ruido mayor y se amplia el espaciado entre amplificadores. La fibra NZ-DSF es optimizada para su utilización en la.

(22) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 12. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. gama de longitudes de onda comprendida entre 1530 nm y 1565 nm logrando una dispersión baja; pero no cero en la ventana C y es típicamente de 0,1 a 6 ps/nm/km. En las redes de fibra óptica existen varios factores que limitan la velocidad: distancia de transmisión, diseño de los cables, factores físicos externos, tipo de fibra óptica, etc. Al aumentar la velocidad de transmisión de las redes ópticas WDM hasta valores de 10 Gbps y superiores, toman importancia las limitaciones debidas principalmente a los siguientes factores: •. Atenuación.. •. Dispersión cromática.. •. Polarización del modo de dispersión (PMD).. •. Efectos no lineales.. Cuanto mayor es la tasa de transmisión, menor es la tolerancia a estos factores, si bien existen diferentes métodos de compensación que se verán más adelante.. Atenuación: Pérdida de la potencia de luz, a medida que la señal se propaga por la fibra, esta degradación de la señal puede limitar la distancia a la que se puede propagar la señal. La atenuación en las fibras ópticas es una causa de los factores intrínsecos, como son la absorción y la Rayleigh scattering (conocida como dispersión de Rayleigh), y de factores extrínsecos, que incluyen defectos del proceso de fabricación, el entorno y la torcedura física. La forma más común es la Rayleigh scattering, que se produce cada vez que un rayo de luz impacta una impureza y parte de su energía es dispersada por la impureza (parte de la energía dispersada sigue en la dirección de propagación, parte en sentido contrario y el resto se pierde atravesando el revestimiento). Esta dispersión es causada por pequeñas variaciones en la densidad del cristal a medida que se enfrió en el proceso de fabricación de la fibra. Estas variaciones son más pequeñas que las longitudes de onda que se usan y por lo tanto actúan como objetos de dispersión. La dispersión afecta a las longitudes de onda cortas más que a las largas y limita el uso de las longitudes de onda por debajo de 800 nm. Los factores primarios que afectan a la atenuación en las fibras ópticas son la longitud de la fibra y la longitud de onda de la luz. En la figura 1.3 se muestra la pérdida en dB/Km por.

(23) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 13. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. longitud de onda debido a la dispersión Rayleigh, la absorción intrínseca y la atenuación total.. Figura 1.3: Curva de atenuación total / Km vs Longitud de Onda.(CISCO, 2001) La atenuación en fibra se compensa con el uso de amplificadores ópticos que trabajan en la banda C y L fundamentalmente.. Dispersión: Ampliación de los pulsos de luz a medida que viaja por la fibra. El resultado de la dispersión es una distorsión de la señal que limita la longitud del enlace y el ancho de banda de la fibra. Un ensanchamiento excesivo provocará una superposición de los pulsos y errores en la decodificación. Existen dos tipos generales de dispersión que afectan a los sistemas WDM (Fig. 1.4) la dispersión cromática y la dispersión en modo polarizado (PMD).. Figura 1.4: Dispersión. (S.A., 2009b). La Dispersión Cromática: es causada por las diferentes velocidades de las diferentes longitudes de onda que componen el espectro de la fuente. El efecto de la dispersión cromática se incrementa con el cuadrado de la velocidad. En la fibra monomodo, la dispersión cromática tiene dos componentes: la dispersión por material y la dispersión de.

(24) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 14. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. guía de onda. La dispersión por material ocurre cuando las longitudes de onda viajan a diferentes velocidades a través del material. Una fuente de luz, no importa lo estrecho que sea su espectro, emite varias longitudes de onda dentro de un rango. Así, cuando este rango de longitudes de onda viaja a través de un medio, cada longitud de onda individual llega en un instante de tiempo distinto. El segundo componente de la dispersión cromática, la dispersión de guía de onda, es consecuencia de los diferentes índices de refracción del “core” y el “cladding” de la fibra. El índice de refracción efectivo varía con la longitud de onda. El resultado del fenómeno de la dispersión de la guía de onda es un retardo de propagación en una o más de las longitudes de onda relativas a las demás. Aunque la dispersión cromática no es generalmente una cuestión a tener en cuenta a velocidades por debajo de STM-16 (2488,32 Mbps), si se tiene en cuenta con velocidades mayores debido al ancho del espectro requerido. La dispersión cromática es estable, predecible y controlable, por lo que se puede corregir para alcanzar distancias de miles de kilómetros y tasas binarias del orden de los Gb/s empleando fibras con mínima dispersión en la banda C (como la fibra NZ-DSF) o introduciendo módulos de fibras compensadoras de dispersión (DCF), las cuales poseen un valor de dispersión alto (Ej.: -85 ps/nm.km). La dispersión cromática varía de unos tipos de fibra a otras, como valores típicos de referencia se pueden tomar estos: •. G.652 16.5 ps / (nm.km). •. G.655 4.5 ps / (nm.km). La fibra G.655 se utilizará en aquellos sistemas que estén diseñados para trabajar con distancias muy largas y a tasas de transmisión altas.. La Dispersión por Modo de Polarización: PMD, es un efecto de dispersión óptico, que limita la calidad de la transmisión en los enlaces de fibra óptica (Fig. 1.5). Su control se está convirtiendo en esencial, ya que limita fuertemente la capacidad de transmisión a altas velocidades, especialmente en aquellos por encima de los 10 Gbps. Es un parámetro difícil de medir y compensar dada su naturaleza estadística, y depende fuertemente de las condiciones físicas del cable (ambientales y mecánicas). El origen físico de la PMD es fundamentalmente la birrefringencia de la fibra, que se produce por las diferencias de las.

(25) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 15. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. constantes de propagación en los ejes ortogonales. Estas diferencias se producen por imperfecciones en el proceso de fabricación de la fibra o como resultado de fuerzas externas que producen doblados y tensiones en la fibra. Si la fibra fuera perfecta, con una geometría uniforme, homogeneidad en el material y sin efectos de tensión, ambos modos (vertical y horizontal) se propagarían exactamente a la misma velocidad y no existiría degradación sobre los bits transmitidos. En realidad la fibra no es perfecta y los dos modos sufren un retraso llamado PMD, que provoca un ensanchamiento de la señal, aumentando la incertidumbre en la detección de los símbolos. Como consecuencia se incrementa la probabilidad de error de bit en la transmisión (BER).. Figura 1.5: Dispersión en Modo Polarizado.(S.A., 2009b) Tanto los empalmes como curvaturas y torsiones compensan un poco el efecto de PMD (pueden restarse los efectos), siendo la variación acumulativa no lineal con la distancia. Entre la características de la PMD tenemos que no se especifica para velocidades ≤ a 2,5 Gbit/s y se tiene en cuenta para velocidades > a 2,5 Gbit/s (10 y 40Gbit/s), es menor mientras más monocromática es la fuente y influye en el ancho de banda. Entre los valores típicos de PMD encontramos en la fibra G.652 SMF < 0.1 a 0.2 ps/ G.655 NZ-DSF < 0.04 ps/. km , y en la fibra. km . La PMD se considera alta cuando > 0.5 ps/ km y los. valores pueden variar teniendo en cuenta si el cable esta enrollado o instalado o pueden variar drásticamente de fibra a fibra en el mismo cable.. Efectos no lineales: son efectos acumulativos de la interacción de la luz con el material a medida que viaja por la fibra, cuyos resultados son cambios de la longitud de onda e interacciones entre longitudes de onda (Fig. 1.6). Para transmitir a velocidades más altas, hay que conseguir mayor SNR, aumentando la potencia de transmisión, lo que supone.

(26) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 16. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. incrementar los efectos no lineales en las fibras. Este incremento no deseado supondrá peor comportamiento de las fibras y limitaciones en la velocidad de transmisión lo cual significa un gran problema para los sistemas WDM. Los efectos lineales tales como la atenuación y la dispersión pueden ser compensados, pero los efectos no lineales son acumulativos. Son mecanismos fundamentales que limitan la cantidad de datos que pueden ser transmitidos por fibra óptica. Los más importantes tipos de efectos no lineales están estimulados por la dispersión Brillouin, la dispersión estimulada de Raman, la modulación de la propia onda “self-phase Modulation”, y la mezcla de cuatro ondas. Los dos efectos no lineales que afectan principalmente a la transmisión WDM en las fibras ópticas son: SPM (Self Phase Modulation): este fenómeno surge debido a que el índice de refracción de la fibra tiene una componente dependiente de la intensidad. Este índice de refracción no lineal induce un desplazamiento de fase que es proporcional a la intensidad del pulso. De esta forma, las diferentes partes del pulso sufren diferentes desplazamientos de fase (chirp), que modificarán los efectos de dispersión sobre el pulso. FWM (Four Wave Mixing): La mezcla de cuatro ondas se origina por la naturaleza no lineal del índice de refracción de la fibra óptica. El FWM puede ocurrir cuando se propagan tres señales de frecuencia muy parecida (constantes de propagación y velocidad similares) generando nuevas frecuencias (fenómeno similar a la distorsión por intermodulación de los sistemas eléctricos). En la figura siguiente se muestra tres frecuencias que se interaccionan produciendo una cuarta como resultado de los efectos no lineales.(S.A., 2009b). Figura 1.6: Efecto no Lineal. Mezcla de 4 Ondas.(CISCO, 2001) El efecto de la mezcla de las cuatro ondas es limitar la capacidad de los canales de los sistemas DWDM. La mezcla de las cuatro ondas no se puede filtrar, ópticamente ni eléctricamente, y aumenta con la longitud de la fibra. El problema del FWM es muy severo.

(27) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 17. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. en sistemas WDM que utilizan fibras de dispersión desplazada (DSF) ya que la ausencia de dispersión provoca que las ondas de frecuencia diferente se propaguen con una velocidad de grupo muy similar. Esto aceleró la invención del tipo NZ-DSF, que aventaja a las DSF en cuanto a que una pequeña cantidad de dispersión cromática se puede usar para mitigar el efecto de la mezcla de cuatro ondas. Las fibras G.652 tienen mejor comportamiento frente a FWM y peor con SPM, las G.655 se comportan al revés. El deterioro de la señal por fenómenos no lineales es similar en ambas fibras, por lo que no es un factor que determine qué tipo de fibra utilizar.. 1.5.4. Amplificadores Ópticos.. La amplificación es el proceso de restaurar la señal óptica a su poder óptico original y sin distorsión, después de que la señal ha sido atenuada al pasar a través de un hilo de fibra. Este proceso es particularmente importante en entornos WDM donde es necesario amplificar cada cierta distancia para mantener la potencia necesaria de la señal para lograr una buena razón de error de bit. La aparición de amplificadores como los EDFA (ErbiumDoped Fiber Amplifiers) y Raman (Raman Pump Amplifier - RPA) fueron. tecnologías. claves para hacer posible el transporte de gran cantidad de información de que es capaz la WDM y de transmitir a largas distancias. En los EDFA la amplificación se obtiene por emisión estimulada de luz cuando la señal óptica llega al medio amplificador. Esta emisión se produce gracias a una aportación de energía exterior estática denominada “bombeo óptico “. La figura 1.7 muestra un esquema general de un EDFA.(Laude, 2002). Figura 1.7: Amplificador EDFA..

(28) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 18. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. Entre las características más importantes de los EDFA tenemos: •. Perfil de ruido bajo.. •. No compensan la dispersión.. •. Amplifican simultáneamente todas las longitudes de onda de la banda C de forma directa, es decir sin conversiones (O/E/O).. •. Amplificadores de doble banda pueden amplificar simultáneamente las señales en banda C +L.. •. La separación entre amplificadores para enlaces submarinos se limita alrededor de 50 Km con una G = 10 dB mientras que para los enlaces terrestres puede oscilar alrededor de 100 Km con una G = 20 dB.. •. Transparentes a la velocidad y formato de transmisión.. •. Longitud de onda del láser de bombeo: 980 o 1480 nm.. •. Bajo consumo energético.. •. Permiten disminuir los costos en las redes al eliminarse los regeneradores convencionales.. •. Alta eficiencia en la conversión de energía.. •. Supervisión de la temperatura y corriente del láser de bombeo, así como la potencia de entrada y de salida.. Los amplificadores Raman utilizan como principio de operación la amplificación directa en la fibra ya que la atenuación inherente a las señales transmitidas por una fibra puede combatirse en la misma fibra. Una señal de bombeo de un láser de onda continua (a 1450 nm) se envía por la fibra desde el extremo contrario a la dirección de propagación de las señales con información. Usando los efectos no lineales distribuidos del tipo Raman (bombeo de energía de las señales con de las. inferiores hacia las superiores, con amplificación. mayores) se genera una ganancia óptica en la banda espectral que va desde 1535.

(29) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 19. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. nm a 1565 nm, convirtiendo a la propia fibra en un amplificador. Un láser de bombeo a 1450 nm con una potencia de 1W genera una ganancia de 25 dB por el efecto Raman.(Laude, 2002). En la tabla 1.2 se observa una comparación entre EDFA y Raman. Tabla 1.2: Comparación entre EDFA y Raman.. Los parámetros que definen a los amplificadores son: (los valores dados a continuación pertenecen OAU101- Unidad Amplificadora Óptica (Optical Amplifiying Unit) del sistema Optix 6800 Intelligent Optical Transport Platform de Huawei). •. Ganancia: relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada .Unidad Amplificadora Óptica: 20 -31 dB.. •. Ganancia de ancho de banda (Gain bandwidth): rango de longitudes de onda tomado 3 dB por debajo de la ganancia máxima.. •. Ganancia plana o inclinación de ganancia: variación de la ganancia pico a pico entre la longitud de onda menor y más amplificada. Unidad Amplificadora Óptica: ≤ 2 dB.. •. Factor de ruido (Noise Figure - NF): Relación señal - ruido de la señal de entrada respecto a la relación señal- ruido de la señal de salida. Nos dice cuanto disminuyó la.

(30) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 20. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. relación S/N al pasar por el amplificador. Unidad Amplificadora Óptica ≤ 8.5 dB para una G= 20 dB, ≤ 6.5 dB para G=26 dB, ≤ 5.5 dB para G=31 dB.(Co., 2008) El bajo ruido es un requerimiento porque el ruido es amplificado con la señal. Dado que su efecto es acumulativo, y no se puede filtrar, la relación señal /ruido es un factor que limita en el número de amplificadores que se pueden concatenar y, por tanto, la longitud del enlace de una sola fibra. En la práctica, las señales pueden viajar hasta 120 km entre amplificadores. A distancias superiores de 600 a 1000 Km. la señal se debe regenerar. Esto es porque el amplificador óptico solo amplifica las señales y no realiza las funciones 3R Reamplificación,. Reconformación,. Resincronización. (Reshape,. Retime,. Retransmit).(CISCO, 2001) 1.5.5. Detectores.. En el lado receptor, es necesario recuperar las señales transmitidas a diferentes longitudes de onda en la fibra. Debido a que por naturaleza los fotodetectores son dispositivos de banda ancha, las señales ópticas son demultiplexadas antes del detector. Se utilizan fundamentalmente dos tipos de fotodetectores, el fotodiodo PIN (PositiveIntrinsic-Negative) y el fotodiodo de avalancha (APD). El fotodiodo PIN trabaja bajo principios similares a los LEDs pero al revés, es decir, la luz es absorbida en vez de emitida, y los fotones se convierten en electrones en una relación 1:1. Los APDs son dispositivos similares a los fotodiodos PIN, pero su ganancia se obtiene a través de un proceso de amplificación. Un fotón actuando en el dispositivo libera muchos electrones. Los fotodiodos PIN tienen muchas ventajas, incluido su coste y su fiabilidad, pero los APDs tienen mayor sensibilidad de recepción y mayor exactitud. Sin embardo los APDs son más caros que los fotodiodos PIN, y pueden tener requerimientos de intensidad mayores y más sensibles a la temperatura.(A., 2004.) En la tabla 1.3 se muestra una comparación entre los detectores PIN y APD mediante sus principales parámetros..

(31) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 21. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. Tabla 1.3: Comparación PIN vs APD.(A., 2010). 1.5.6. Multiplexores ópticos de adición/sustracción.. Los Multiplexores Ópticos de adición/sustracción (OADM Optical Add/Drop Multiplexer) son una parte clave en las redes ópticas WDM ya que permiten una mayor dinámica y desarrollo de estas. Los OADM se ubican en puntos intermedios, lo que permiten topologías de redes punto a multipunto, anillos, mallas. Estos dispositivos son capaces de extraer la información contenida en cualquiera de las longitudes de onda multiplexadas en un solo rayo de luz en la fibra en cualquier punto intermedio de la misma. Además de la extracción, también permiten introducir canales en cualquier punto de la fibra. Los primeros equipos de estas características no son sintonizables, es decir, deben ser programados "a mano" por un operario y emplean longitudes de onda fijas, lo que supone una verdadera complicación para las tareas de gestión y reduce considerablemente la flexibilidad de las redes. La segunda generación de estos equipos son los OADMs sintonizables los cuales facilitan en gran medida la gestión de las redes ópticas ya que son capaces de seleccionar dinámicamente que longitudes de onda se añaden y cuales se remueven (Barría, 2006). Los filtros de película delgada han emergido como la tecnología elegida para los OADMs en los sistemas DWDM metropolitanos actuales porque son.

(32) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 22. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. menos caros y más estables. En cuanto a la segunda generación de OADMs, se prefieren otras tecnologías tales como las rejillas de fibra sintonizables y circuladores.(CISCO, 2001) Un tipo de multiplexor OADM es el OADM espalda con espalda (back to back) el cual nos permitirá entender los pasos básicos en la adición y sustracción de longitudes de onda en una red WDM. El nombre OADM espalda-espalda se deriva del hecho que dos multiplexores WDM se ordenan espalda con espalda para formar una terminación en el enlace WDM lo cual se muestra en la figura 1.8.. Figura 1.8: OADM espalda-espalda.(Barría, 2006) El demultiplexor interrumpe la señal WDM con todas las longitudes de onda que llegan con la señal. Algunas longitudes de onda se bajan y otras continúan por el multiplexor. En el multiplexor el proceso es inverso. Algunas longitudes de onda se suben y siguen, junto con las directas hacia la salida. Se forma una nueva señal WDM. Este tipo de ADM se construye normalmente como componente pasivo y se usa típicamente en sistemas de bajo volumen, como por ejemplo en sistemas con 8 a 16 canales. Esta clase de operación permite también la posibilidad de reamplificar, reformar y retemporizar las señales de los canales, pero aquellos que continúan directos. ADM espalda-espalda son complejos y caros. Los OADM se utilizarán en un sistema óptico como lo muestra la figura 1.9 (Barría, 2006).

(33) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 23. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. Figura 1.9: Utilización OADM en redes WDM.(Barría, 2006) 1.5.7. Crosconectores Ópticos.. Un crosconector óptico (OXC, Optical Cross Connect) consiste de un conmutador matricial de fibras ópticas de dimensión M x N, donde M es el número de fibras de entrada que conmutan a N fibras de salida, todo ello en base a un proceso completamente óptico, es decir, sin ningún tipo de conversión electro-óptica u opto-electrónica, también existen los modelos híbridos que hacen una conversión electro-óptica. Conceptualmente un crosconector se puede definir como un dispositivo que hace que una señal en un determinado punto A se dirija a un punto B o a un punto C. La función del OXC consiste básicamente en conmutar longitudes de onda a gran velocidad de una fibra a otra en base a las necesidades de tráfico. Una de las aplicaciones es la restauración del tráfico y enlace en caso de cortes en la fibra o fallos en el nodo. El OXC tiene la capacidad de: •. Conmutación de fibra (Fiber switching): Capacidad para enrutar todas las longitudes de onda que provienen de una fibra hacia otra fibra de salida diferente.. •. Conmutación de longitud de onda (Wavelength switching): Capacidad de controlar la entrada y la salida de longitudes de onda específicas de una fibra de entrada hacia otra de salida.. •. Conversión de longitud de onda (Wavelength conversion): Capacidad para recibir unas longitudes de onda y convertirlas en otras con distinta frecuencia óptica antes de mandarlas hacia el puerto de salida..

(34) CAPÍTULO 1. COMPONENTES Y PARÁMETROS QUE DEFINEN UN ENLACE CON. 24. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDA. La aparición de los crosconectores posibilitó el avance de las redes ópticas, jugando un importante papel en el establecimiento de los circuitos ópticos y de diferentes arquitecturas en estas redes. (ITU-T, 2002). Figura 1.10: Conmutador óptico..

(35) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS. 25. DE. SIMULACIÓN DE REDES ÓPTICAS CON WDM. En el segundo capítulo se trata la importancia de la utilización de la simulación como primer paso para la implementación real de redes WDM, se exponen las características más importantes del software OptiSystem y se presentan los diferentes escenarios de simulación. 2.1. Simulación de redes ópticas WDM.. Las redes ópticas que utilizan la tecnología de Multiplexación por División en Longitudes de Onda para potenciar el ancho de banda son una realidad ya hace algunos años, tanto en redes metropolitanas de gran capacidad, como en enlaces submarinos de miles de kilómetros y nuestro país no se ha quedado atrás en el uso de este tipo de Multiplexación ya que se está implementando por la Empresa de Telecomunicaciones de Cuba ETECSA equipamiento capaz de soportar aplicaciones CWDM y DWDM además gracias a uno de los proyectos del ALBA llega a nuestro país un enlace submarino que utiliza WDM desde Venezuela con 32 longitudes de onda, cada una de estas con 10 Gbps de capacidad dando una capacidad total de 320 Gbps solo en un sentido. Debido a la gran utilización de WDM se han desarrollado varios estándares por parte de la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) que definen las principales características que deben tener los equipos que estructuran esta tecnología sirviendo de referencia tanto para los proveedores de este equipamiento como para los usuarios. Los ingenieros de todo el mundo interesados en WDM han fomentado la creación de herramientas poderosas que puedan servir de ayuda.

(36) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. 26. para la implementación de redes de este tipo. Muchas de las universidades más prestigiosas del mundo incluyen dentro de sus programas de estudio el diseño de redes en simuladores capaces de dar una visión de los parámetros más importantes a tener en cuenta en el diseño e implementación real. Las universidades cubanas y en especial la Universidad Central de Las Villas tienen el compromiso de preparar a los futuros ingenieros en la nuevas tecnologías que permiten potenciar las capacidades de las redes a los diferentes niveles, logrando soportar los nuevos servicios de voz, datos y video a través de Internet por lo que el trabajo tiene el objetivo de servir de referencia en el estudio de la simulación de redes WDM. 2.2. Presentación del software OptiSystem.. Los sistemas de comunicaciones ópticas han incrementado su complejidad a lo largo de los años y el proceso de diseño y análisis de estos sistemas que incluyen normalmente equipos no lineales y fuentes de ruido no Gaussiano es altamente complicado por lo que como resultado estas pruebas pueden ejecutarse eficientemente solo con la ayuda de avanzadas herramientas de software. El trabajo de diploma no se centra en la búsqueda del software óptimo para la simulación de redes WDM sino en asimilar un software, en nuestro caso OptiSystem, y presentar las posibilidades que este tiene. Las bondades de este software lo han llevado a que sea usado por muchas universidades, entre las que se encuentran Australia Maquarie University, India Institute of Science, University of Arizona y Lehigh University entre otras; las mismas han adoptado este software en sus programas de estudio. (Inc., 2011) OptiSystem es uno de las herramientas de simulación que presenta el paquete de software de Optiwave, academia. líder en productos de este tipo quien ha colaborado con las. universidades más prestigiosas del mundo en programas académicos y científicos. OptiSystem es un software con propósitos educacionales basado en el análisis de resultados y presentación de ejemplos y ejercicios que hacen más atractivos sus productos..

(37) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. 27. Optical Communication System Design Software (OptiSystem) es un sistema innovador de simulación con el cual se puede diseñar, probar y optimizar cualquier tipo de enlace óptico a nivel físico y analizar las redes ópticas de banda ancha de los sistemas de larga distancia LAN y MAN. OptiSystem posee un nuevo ambiente de simulación poderoso y una definición verdaderamente jerárquica de componentes y sistemas. Este software es rápido y económico y es capaz de darnos una visión global de la actuación de un sistema real reduciendo los riesgos de inversión en una tecnología de este tipo. El software OptiSystem incluye: Una biblioteca que incluye un centenar de componentes que han sido cuidadosamente validados con el objetivo de obtener resultados comparables con las aplicaciones reales, estos componentes están preparados para reproducir el comportamiento de los equipos reales y de los efectos especificados de acuerdo al nivel de eficiencia y precisión seleccionada. La biblioteca de componentes de OptiSystem también le permite al usuario entrar parámetros que pueden ser medidos en equipos reales. OptiSystem maneja diversos formatos de las señales ópticas y eléctricas en la librería de componentes y calcula estos utilizando algoritmos apropiados que permiten la exactitud y la eficiencia requerida en la simulación. Con el objetivo de predecir el comportamiento del sistema OptiSystem calcula parámetros tales como BER y el factor Q usando análisis numéricos o técnicas analíticas para sistemas limitados por la interferencia intersímbolo y el ruido. Con este software se pueden obtener herramientas de visualización avanzadas en el caso de señales ópticas encontramos analizadores del espectro óptico, así como la representación de estas en el dominio del tiempo, analizadores de polarización de las señales y medidores de la potencia óptica, en el caso de las señales eléctricas tenemos osciloscopios, analizadores del espectro RF, diagramas de patrones de ojos y analizadores de la razón de error de bit (BER), y también se incluyen para aplicaciones WDM analizadores que nos dan la potencia óptica, el ruido y la relación señal a ruido óptica por canal..

(38) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. 28. Para hacer más flexible y eficiente la simulación en OptiSystem este presenta una jerarquía de definición de componentes y sistemas. Este software permite entrar expresiones aritméticas que pueden definir los parámetros de los componentes de la biblioteca, crear parámetros globales y definir los parámetros de grupo deseados, además permite hacer un barrido de los parámetros más importantes permitiendo hacer un análisis en cada uno de los casos.. 2.2.1 Presentación de la Interfaz Gráfica del Usuario. La Interfaz Gráfica del Usuario de OptiSystem presenta las siguientes ventanas: •. Project layout: área de trabajo donde son insertados los componentes y establecidas las conexiones entre estos.. •. Dockers: presentan la información del proyecto en ejecución e incluye — Component Library: donde se accede a los componentes de la biblioteca que son utilizados para montar el diseño de los sistemas deseados. Entre sus bibliotecas tenemos: Visualizer Library, Transmitters Library, Optical Fibers Library, Receivers Library, Amplifiers Library, Filters Library, WDM Multiplexers Library, Passives Library entre otras. — Project Browser: muestra una descripción detallada de cada uno de los componentes insertados en el área de trabajo permitiendo una búsqueda rápida y eficiente de las caracteristicas principales de cada uno de ellos. — Description: display donde se muestran los detalles del proyecto.. •. Status Bar: display que muestra los accesos rápidos a las opciones de OptiSystem a través del teclado..

(39) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. 29. En la figura 2.1 se muestra la interfaz principal del software OptiSystem y sus principales ventanas:. Figura 2.1: Interfaz de OptiSystem.. 2.2.2 Parámetros globales de simulación Para comenzar un proyecto en OptiSystem es necesario conocer los parámetros globales que usted puede definir ya que estos son comunes para todas las simulaciones y dan una medida de la velocidad, exactitud y requerimientos de memoria para cada simulación en particular, es de gran importancia entender los parámetros globales ya que estos tienen un impacto en todos los componentes por lo que la autora hace una descripción de aquellos parámetros más importantes para los diseños realizados. En la figura 2.2 se muestran los parámetros globales de simulación..

(40) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. 30. Figura 2.2: Parámetros globales de Simulación. En el caso de las simulaciones realizadas durante el trabajo la opción Simulation Window se fija en el modo Set bit rate, permitiendo entrar manualmente por la persona que simula la Razón de bit (Bit Rate), la longitud de la secuencia (Sequence length) y las muestras por bit (Samples per bit) y luego los otros parámetros son calculados por las siguientes fórmulas automáticamente: Tiempo de secuencia (Time window) = Sequence length * 1/Bit rate = 128 * 1 / 10e9 = 12.8 ns Número de muestras (Number of samples) = Sequence length * Samples per bit = 8192 samples Razón de muestra (Sample rate) = Number of samples / Time window = 640 GHz Razón de bit (Bit Rate): da la cantidad de bit por segundo, este parámetro puede afectar componentes como el generador de secuencia de bit y el ancho de banda o la frecuencia de corte de algunos filtros eléctricos por lo que es necesario tener en cuenta que cuando variamos este parámetro global cambiamos su valor en todos los componentes de la simulación..

(41) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. 31. Tiempo de secuencia (Time window): especifica en segundos, el tiempo de secuencia de la simulación. OptiSystem comparte este parámetro con todos los componentes, significando esto, que todos los componentes trabajan con el mismo tiempo de secuencia. Dado que el tiempo de secuencia define el espaciamiento de frecuencia en el dominio de frecuencia, las muestras de señal siempre tendrán el mismo espaciamiento. Este parámetro es mejor expresado en términos de razón de bit y longitud de secuencia durante la simulación. Razón de muestreo (Sample rate): especifica la frecuencia de muestreo en Hz de la simulación. Este parámetro afecta componentes tales como generadores de pulsos y fuentes ópticas que generan señales con diferentes razones de muestreo. Es conveniente que todos los módulos de diseño trabajen con la misma razón de muestreo y esto puede hacerse fácilmente usando este parámetro global. Longitud de secuencia (Sequence length): determina la cantidad de bit de la secuencia. Muestras por bit (Samples per bit): determina la cantidad de muestras por bit usada para la discretización de las muestras de las señales. Número de muestras (Number of samples): es un parámetro que se obtiene por el cálculo del producto de la longitud de secuencia y las muestras por bit.(Software, 2008b) En la figura 2.3 podemos ver los parámetros globales de señal, los cuales permiten variar el número de iteraciones de la simulación, esto hace que los cálculos de los componentes del diseño sean repetidos hasta que se llegue al número de iteraciones deseado. Cuando es activada la opción Demora inicial (Initial Delay) los componentes son obligados a generar una señal nula para cada puerto de salida. La mayoría de los componentes de OptiSystem no serán calculados si no esta disponible una señal en los puertos de entrada por lo que los parámetros de iteración y de demora inicial nos ayudarán a evitar una situación en que la simulación no pueda ser ejecutada porque los componentes no puedan encontrar señales en los puertos de entrada y el sistema quede bloqueado. (Software, 2008b).

(42) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. 32. Figura 2.3: Parámetros globales de Señal. El parámetro global de ruido Convert Noise bins (Fig. 2.4) selecciona si el ruido dentro de la banda de muestreo es añadido a la señal muestreada o representado separadamente como un depósito de ruido, este parámetro viene desactivado indicando que el ruido se propaga separado de las señales.. Figura 2.4: Parámetros globales de Ruido..

(43) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. 33. OptiSystem concede una rápida estimación de potencia y de ruido de cada puerto de salida. Esta estimación es calculada todas las veces que la señal es enviada a los puertos de salida de los componentes. Los parámetros de trazado de la señal nos permiten un control del cálculo y la representación de los resultados, en la figura 2.5 se muestran estos parámetros.. Figura 2.5: Parámetros globales de Trazado de Señal El parámetro Unidad de Potencia (Power Unit) se utiliza para definir la potencia en (dBm, W o mW). El parámetro Unidad de Frecuencia (Frequency Unit) se utiliza para definir la frecuencia en (Hz, m, THZ o nm). El parámetro Sensibilidad (Sensitivity) indica la mínima potencia de salida que puede ser detectada en la simulación. El parámetro Resolución (Resolution) indica el ancho espectral de la simulación (Software, 2008b).

(44) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. 34. 2.2.3 Simulación de una red WDM y aspectos importantes del diseño en OptiSystem. Como se explicó en el capitulo anterior de la tesis una red WDM consta de varios componentes, los cuales serán descritos a continuación a través de las herramientas que brinda OptiSystem. Lo primero que se debe hacer para comenzar un diseño en OptiSystem es abrir un nuevo proyecto a través de los siguientes pasos descritos en la figura 2.6:. Figura 2.6: Creación de un nuevo proyecto en OptiSystem. Luego de realizar este paso podemos empezar el diseño accediendo a los componentes de la biblioteca de nuestro software como se muestra a continuación (Fig. 2.7). Una vez dentro de la biblioteca de nuestro interés se toma el componente deseado y se arrastra con un clic izquierdo al área de trabajo:.

(45) CAPÍTULO 2. PRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS ÓPTICAS CON WDM. DE SIMULACIÓN DE REDES. 35. Figura 2.7: Accediendo a las Componentes de la Biblioteca. En este diseño los parámetros globales de simulación son variados fijando una Razón de bit de 2.5 Gb/s, por lo que los parámetros afectados por este valor serán calculados automáticamente por el software. El primer componente de nuestra red es el Transmisor óptico, el cual se muestra en la figura 2.8.. Figura 2.8: Transmisor Óptico de un canal WDM..