DWDM (Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa) - Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa .
La distancia entre las portadoras en los sistemas DWDM puede ser de 25 a 200 GHz; en las redes modernas, se usa con mayor frecuencia una cuadrícula de canales de 50 GHz . Las bandas espectrales C (1530...1565 nm), S (1460...1530 nm) y L (1565...1625 nm) se utilizan para la transmisión.
La capacidad de un sistema DWDM se calcula mediante la fórmula:
C = M · B , donde M es el número de canales espectrales, B es la tasa de transmisión en cada canal. Ventajas de DWDM:
En diciembre de 2012, los especialistas de T8 [1] realizaron una transmisión récord [2] de 1 Tbit/s (10x100G) en una distancia de 500,4 km. El presupuesto para una línea de 1 canal fue de 84 dB.
La arquitectura de la red se basa en muchos factores, incluidos los tipos de aplicaciones y protocolos, las distancias, los patrones de uso y acceso y las topologías de red heredadas. En el mercado metropolitano, por ejemplo, las topologías de punto a punto se pueden usar para conectar ubicaciones empresariales, las topologías de anillo para conectar instalaciones entre oficinas (IOF) y acceso residencial, y las topologías de redes de malla se pueden usar para conectar entre POP y conectarse a una red troncal. De hecho, la capa óptica debe admitir muchas topologías y, debido a los cambios impredecibles en esta área, estas topologías deben ser flexibles.
Hoy en día, las principales topologías de implementación son punto a punto y anillo. Con enlaces DWDM punto a punto entre grandes sitios corporativos, solo se necesita un dispositivo en las instalaciones del cliente para convertir el tráfico de la aplicación a longitudes de onda específicas y múltiplex. Los operadores con una topología de anillo lineal pueden evolucionar a anillos completos basados en OADM. A medida que las interconexiones ópticas configurables y los conmutadores se vuelvan más comunes, estas redes punto a punto y en anillo se combinarán, convirtiendo los metros ópticos en plataformas totalmente flexibles.
Las topologías punto a punto se pueden implementar con o sin OADM. Estas redes se caracterizan por una velocidad de enlace ultra alta (de 10 a 40 Gbps), una alta integridad y confiabilidad de la señal y una rápida recuperación de la ruta. En las redes de larga distancia, la distancia entre el transmisor y el receptor puede ser de varios cientos de kilómetros, y la cantidad de amplificadores necesarios entre los puntos finales suele ser inferior a 10. En MAN, a menudo no se necesitan amplificadores.
La protección en topologías punto a punto se puede proporcionar de dos formas. En los equipos de primera generación, la redundancia es a nivel de sistema. Los enlaces paralelos conectan sistemas redundantes en ambos extremos. La conmutación por error es responsabilidad del hardware del cliente (como un conmutador o enrutador), mientras que los propios sistemas DWDM simplemente proporcionan capacidad.
En los equipos de segunda generación la redundancia es a nivel de tarjeta. Los canales paralelos conectan sistemas únicos en ambos extremos, que contienen transpondedores, multiplexores y procesadores duplicados. Aquí, la protección ha migrado a equipos DWDM y las soluciones de conmutación están bajo control local. Un tipo de implementación, por ejemplo, utiliza un esquema de protección 1+1 basado en la conmutación de protección automática (APS) de SONET .
Los anillos son la arquitectura más común en las áreas metropolitanas y se extienden por varias decenas de kilómetros. Un anillo de fibra puede contener tan solo cuatro canales de longitud de onda y normalmente menos nodos que canales. Las velocidades de datos varían de 622 Mbps a 10 Gbps por canal.
Las configuraciones de anillo se pueden implementar con uno o más sistemas DWDM que admitan cualquier tipo de tráfico, o pueden tener una estación central y uno o más nodos o satélites OADM. En el concentrador, el tráfico se origina, termina y gestiona, y se establecen conexiones con otras redes. En los nodos OADM, las longitudes de onda seleccionadas se eliminan y agregan mientras que el resto pasa de forma transparente (canales rápidos). Por lo tanto, las arquitecturas en anillo permiten que los nodos del anillo proporcionen acceso a elementos de la red, como enrutadores, conmutadores o servidores, agregando o eliminando canales de longitud de onda en el dominio óptico. Sin embargo, a medida que aumenta el número de OADM, la señal se perderá y es posible que se requiera amplificación.
Las redes candidatas para aplicaciones DWDM en áreas urbanas a menudo ya se basan en estructuras de anillo SONET con protección de fibra 1 + 1. Por lo tanto, los esquemas como el anillo conmutado de ruta unidireccional (UPSR) o el anillo conmutado de línea bidireccional (BLSR) se pueden reutilizar para la implementación de DWDM.
En un esquema UPSR de dos fibras, el concentrador y los nodos transmiten la señal en dos anillos que giran en sentido contrario, pero todos los equipos suelen utilizar la misma fibra para recibir la señal; de ahí el nombre unidireccional. Si el anillo de trabajo falla, el equipo receptor cambia a otro par.
Si bien esto proporciona una redundancia de ruta completa, la reutilización del ancho de banda no es posible porque la fibra redundante siempre debe estar disponible para transportar el tráfico. Este esquema se usa más comúnmente en redes de acceso.
Otros esquemas, como el anillo conmutado bidireccional (BLSR), permiten que el tráfico viaje desde el nodo de envío al nodo de recepción a lo largo de la ruta más directa. Debido a esto, BLSR se considera la opción preferida para redes centrales SONET, especialmente cuando se implementa con cuatro fibras para brindar redundancia total.
Las arquitecturas de malla son el futuro de las redes ópticas. A medida que las redes evolucionen, las arquitecturas de anillo y punto a punto seguirán teniendo un lugar, pero la malla promete ser la topología más robusta. Este desarrollo se verá facilitado por la introducción de conexiones cruzadas y conmutadores ópticos configurables, que en algunos casos reemplazarán y en otros casos complementarán los dispositivos DWDM fijos.
Desde el punto de vista del diseño, existe un elegante camino evolutivo desde la topología de punto a punto hasta la topología de malla. Al comenzar con enlaces punto a punto equipados desde el principio con nodos OADM para mayor flexibilidad y luego conectarlos, la red puede convertirse en una malla sin una reconstrucción completa. Además, las topologías de malla y anillo se pueden conectar con conexiones punto a punto.
Las redes de malla DWDM, que consisten en nodos totalmente ópticos interconectados, requerirán protección de próxima generación. Mientras que los esquemas de protección anteriores se basaban en la redundancia a nivel de sistema, tarjeta o fibra, ahora la redundancia pasará al nivel de longitud de onda. Esto significa, entre otras cosas, que el enlace de datos puede cambiar de longitud de onda a medida que viaja a través de la red debido al enrutamiento o al cambio de longitud de onda debido a una falla. La situación es similar a la situación con un canal virtual a través de la nube ATM , que puede experimentar cambios en los valores del identificador de ruta virtual (VPI) ( ing. VPI - Virtual Path Identifier) / identificador de canal virtual (VCI) ( ing. VCI - Virtual Channel Identifier) en los puntos de conmutación. En las redes ópticas, este concepto a veces se conoce como el camino de la luz .
Por lo tanto, las redes de malla requerirán un alto nivel de inteligencia para realizar las funciones de protección y gestión del ancho de banda, incluida la fibra óptica y la conmutación de longitud de onda. Sin embargo, los beneficios en flexibilidad y eficiencia son potencialmente grandes. La utilización de fibra, que puede ser baja en soluciones de anillo debido a la necesidad de fibras de seguridad en cada anillo, se puede mejorar en un diseño de malla. La protección y la recuperación se pueden basar en rutas comunes, lo que requiere menos pares de fibra para la misma cantidad de tráfico y no desperdicia longitudes de onda no utilizadas.
Finalmente, las redes de malla dependerán en gran medida del software de gestión. Se está desarrollando un protocolo basado en la conmutación de etiquetas multiprotocolo (MPLS) para admitir rutas a través de una red totalmente óptica. Además, la gestión de la red requerirá un canal aún por estandarizar para pasar mensajes entre los elementos de la red.
Antes de considerar los métodos para mejorar el rendimiento de un sistema DWDM y actualizar las redes de transporte óptico en general, consideraremos varias causas de errores en la recepción. El ruido del receptor (o pulsos) reduce la atenuación e interfiere con su percepción El ruido ASE (Amplified Spontaneous Emission) se acumula cuando la señal del grupo pasa a través de los amplificadores ópticos.
Por lo general, en líneas no ganadas, la dispersión, el ruido y la sobrecarga del receptor son las principales causas de errores. La introducción de los amplificadores ópticos cambia la naturaleza del problema de fundamental a la ingeniería: antes de enviar la señal al receptor, se amplifica al nivel óptimo (lejos de los límites de sensibilidad y recarga). Para compensar la propagación, la línea está equipada con dispositivos especiales: compensadores que restablecen la duración del pulso antes de que la señal se aplique a la entrada de la parte receptora del transpondedor.
El precio a pagar por superar las dos primeras causas de error es la introducción de ruido ASE y distorsión no lineal. Este último es el resultado del diferente estado de la línea en presencia de amplificación. Ahora hay varias (a veces varias docenas) secciones de amplificación en la sección de regeneración, y al comienzo de cada una de ellas, donde la intensidad de la señal óptica es suficientemente alta, la señal sufre efectos no lineales.
Por razones económicas, el deseo de utilizar el espectro del amplificador de manera más eficiente y de minimizar el número de amplificadores en una línea conduce a la aparición de canales de alta potencia densamente espaciados en el espectro. Esto conduce al desarrollo de efectos no lineales intracanal e intercanal.
Los transpondedores y los transpondedores de agregación diseñados para operar en redes que no contienen amplificadores ópticos (generalmente CWDM) están optimizados para sensibilidad y resistencia a la dispersión. Esto no es relevante para las soluciones DWDM: requiere un equipo de canalización que sea compatible con el ruido ASE y los armónicos de la señal.
Los parámetros límite permisibles de la señal óptica de entrada son los valores que dan el factor de error requerido con los parámetros restantes óptimos.
El número de errores en un flujo de bits se caracteriza por un valor de BER (tasa de bits erróneos) igual a la relación entre los bits de error y el número total de bits transmitidos. El cliente del sistema de comunicación especifica la BER máxima permitida, que normalmente está en el rango 10-10...-12.
Para equipos CWDM, la sensibilidad del receptor y los márgenes de dispersión se definen de manera similar: la sensibilidad es el valor de potencia mínimo permitido en el lado del receptor en el que se recibe una señal óptica sin distorsiones con un valor de error dado. Para equipos DWDM, la principal característica es la inmunidad al ruido ASE. El valor de ruido ASE determina el parámetro OSNR (relación señal óptica a ruido), y cada transpondedor DWDM/transpondedor de agregación se describe mediante el valor requerido. La OSNR requerida es la OSNR mínima permitida para que la recepción de la señal sea posible dentro de la BER requerida.
Definimos el concepto de “rendimiento del sistema” como el producto de la capacidad del sistema de comunicación C full y la distancia de transmisión L. El rango de distancia del sistema de viaje de regreso es la distancia total de transmisión sobre un enlace multilínea con 14 amplificadores intermedios sin señal regeneración. Obviamente, el rendimiento de un sistema DWDM se puede expandir de dos maneras: aumentar el ancho de banda del sistema de comunicación y lograr un aumento en la distancia de transmisión.
El rendimiento total de un sistema con tales canales está determinado por el producto del número de canales y el rendimiento del canal. Este último está determinado por dos factores: la tasa de símbolos y la eficiencia de los símbolos.
La tasa de datos de un sistema de comunicación (tasa de baudios total V, bps = baudios) consiste en las tasas de datos en cada canal (para un sistema con los mismos canales, es el producto del número de canales NCH y la tasa de VB [bps ] en cada canal). El número máximo de canales en un solo par de fibra está establecido por el estándar actual de multiplexación por división (por ejemplo , CWDM , DWDM 100 GHz C, DWDM 50 GHz C+L). La tasa de bits de un canal VB es el producto de la tasa de símbolos VS (símbolos por segundo) y la eficiencia de la tasa de símbolos del formato de modulación utilizado ES (bit/símbolo). En otras palabras, el parámetro ES determina la cantidad de información (bits de datos) que se transmite en un carácter. Se expresa como el logaritmo en base 2 de la potencia del algoritmo (la cantidad de valores que puede tomar un símbolo).
1) Aumento de la tasa de símbolosUn aumento en la tasa de símbolos VS es proporcionado por un aumento en la frecuencia del modulador del transmisor. Los valores límite de la velocidad simbólica de una señal eléctrica están determinados por las propiedades del material, la electrónica de alta frecuencia y los moduladores. En términos de implementación, el valor disponible es de aproximadamente 32 GB en una base de elementos estándar. Esto se logra por primera vez en sistemas 100G. 45 Gbaudios se utilizan en la mayoría de los procesadores 2×200G modernos. Los valores de 64 Gbaudios están bajo pruebas de laboratorio. Dado que la base de componentes se mejora constantemente, es posible un ligero aumento adicional en este parámetro, pero no se deben esperar saltos significativos en esta dirección.
2) Formatos de modulación multinivelHistóricamente, los primeros formatos de modulación de amplitud para radiación óptica aparecieron en las modificaciones NRZ (Non-Return-to-Zero) y RZ (Return-to-Zero), donde el código RZ es más resistente a los efectos no lineales en la fibra. Proporcionaron velocidades de transferencia de datos de hasta 10 Gbps. El uso de modulación de amplitud ha sido difícil a velocidades superiores a 40 Gbit/s, ya que el ancho del espectro óptico se ha vuelto comparable al espacio de canal de un sistema DWDM. Además de la inestabilidad de las señales moduladas en amplitud a las distorsiones no lineales, esto lleva al uso de formatos de modulación de fase, donde la información codifica la fase de la señal óptica o la diferencia de fase de los símbolos adyacentes (debido a la incertidumbre de fase de la señal entrante). símbolo, la codificación diferencial suele ser obligatoria).
Las soluciones modernas utilizan simultáneamente todos los grados de libertad de la señal: amplitud, fase y polarización de la radiación luminosa. Hoy en día, el formato de modulación más común para los sistemas de 100 Gigabits es DP-QPSK (Shift-Double Quadrature Keying), donde la información se codifica en dos estados de polarización y cuatro valores de fase.
Por lo tanto, se generan señales QPSK en cada una de las polarizaciones, que se combinan con un divisor de polarización para formar una estructura DP-QPSK. Cada símbolo del formato DP-QPSK lleva 4 bits de información (2 bits por símbolo en cada una de las polarizaciones). La transición a 200G y 400G también supondrá un cambio en la amplitud de la luz. Los respectivos formatos de modulación DP-16QAM y DP-64QAM aumentan en gran medida la eficiencia espectral, lo que permite velocidades de datos más altas en la banda convencional de 50 GHz.
En las soluciones DWDM modernas con una disposición densa de canales ópticos, no hay intervalos libres entre canales, por lo que la única forma de aumentar la eficiencia espectral es aumentar la tasa de datos general en el sistema sin expandir el rango espectral utilizable. Esta es una de las razones principales de la transición de amplitud a un formato de modulación coherente de fase más complejo. La tarifa por tal ganancia es una reducción en el rango de transmisión.
3) Incremento en el número de transportistasUn aumento en el número de canales puede llevar al desarrollo de nuevos rangos espectrales limitados por el limitado ancho de banda efectivo de los amplificadores ópticos.
Otra dirección es reducir el espacio del canal en el rango óptico convencional. Esto requiere una transición a un nuevo estándar de multiplexación por división de longitud de onda y puede conducir a una mayor interferencia entre canales.
La segunda forma de mejorar el rendimiento de un sistema DWDM es aumentar la distancia. Depende de muchos factores: la resistencia del transpondedor seleccionado al ruido ASE y la distorsión no lineal, los parámetros de los amplificadores y las fibras, la rejilla del canal, etc. El umbral de sensibilidad del receptor (dB) también determina el rango de transmisión. La OSNRr (relación señal/ruido óptica requerida) es la relación entre los niveles de señal y ruido cuando todavía se puede detectar una señal entrante. Los operadores a menudo enfrentan el desafío de aumentar las tasas de transmisión mientras mantienen el alcance. Tal actualización puede ocurrir al reemplazar los transpondedores con otros más avanzados mientras se mantiene el OSNR requerido.
1) Recepción coherentePara ahorrar rango, se utiliza una combinación de formatos de modulación espectralmente eficientes y recepción coherente. La tarea de la detección coherente es mezclar la señal de información entrante con la radiación de un láser de referencia. La conversión de espectro se realiza de tal manera que el fotodetector contiene información completa sobre la señal óptica original.
Usando divisores de polarización, la señal de información y el receptor láser de referencia se dividen en dos componentes ortogonales. Se requiere un mezclador óptico de 90 grados para mezclar los componentes de polarización de la señal con los componentes X e Y del láser receptor.
La frecuencia del láser de referencia se puede cambiar libremente dentro de un rango de ±20 MHz con respecto a la frecuencia portadora del láser transmisor. En las soluciones coherentes modernas, el ancho de la radiación láser no supera los 100 GHz. Cuatro pares de señales de fotodetectores simétricos, que aumentan la sensibilidad de recepción, se conectan a las entradas de convertidores de analógico a digital. Así, se forman cuatro flujos de símbolos.
Aunque los principios de la recepción coherente se conocen desde hace mucho tiempo, su aplicación en el campo óptico ha sido difícil. Esto se debió a la complejidad y alto costo de los láseres de banda estrecha altamente estables con la necesidad de sincronizar la fase y frecuencia de la señal recibida y la radiación del oscilador local. La llegada de potentes tecnologías de procesamiento de señales digitales ha resuelto el problema de la sincronización de fase. Así, en el bloque DSP (Digital Signal Processing), uno de los algoritmos es la correlación de diferencia de fase utilizando recuperación de portadora. Esto elimina la necesidad de frecuencia de hardware y sincronización de frecuencia. fuentes.
2) Procesamiento de señal digitalCodificación sin errores. Hoy en día, el DSP es una parte integral del transpondedor coherente. Cuatro flujos digitales de las salidas del ADC ingresan al bloque DSP, donde, con la sincronización y el desvío de fase mencionados, se implementan otros algoritmos de compensación que son necesarios para la recuperación de la señal sin errores. El primer bloque funcional del procesador excluye las imprecisiones de la interfaz de entrada: un desajuste de tiempo entre los cuatro componentes debido a la desigualdad de las rutas ópticas y eléctricas del receptor coherente, la desigualdad de sus amplitudes. La frecuencia de muestreo asíncrono se convierte luego en una frecuencia de 2 muestras por símbolo. DSP proporciona compensación de dispersión cromática acumulativa, lo que elimina la necesidad de un compensador de pérdida de línea física.
Para obtener un diagrama de fase claro, también es necesario minimizar la desviación de la amplitud de algún valor promedio dado.
Se excluye la rotación de diagramas en el plano de fase. El ruido de fase total, incluida su componente no lineal, se estima y compensa. Después de completar todas las etapas del procesamiento, se determinan los valores de los caracteres válidos. El último paso es el procedimiento de corrección de errores FEC . El uso de codificación redundante en el procesamiento digital de una señal multinivel puede generar una ganancia en la OSNR requerida de hasta 9 dB. El encabezado FEC se agrega a la carga útil en cada transpondedor, cuyo tamaño está determinado por el tipo de código.
DWDM es todavía una tecnología nueva y queda por estudiar y estudiar. Se desplegó por primera vez en rutas de larga distancia. Y ahora la tecnología DWDM está lista para los operadores de larga distancia. Cuando se utiliza una topología de punto a punto o de anillo, el rendimiento aumentará significativamente sin implementar fibra adicional. DWDM continuará brindando rendimiento para grandes cantidades de datos. De hecho, la potencia de los sistemas aumentará a medida que avance la tecnología que permita distancias más cercanas y, por lo tanto, más longitudes de onda. Pero DWDM también se está moviendo más allá del transporte y se está convirtiendo en la columna vertebral de las redes totalmente ópticas en las áreas metropolitanas. El futuro de DWDM con aprovisionamiento de longitud de onda y seguridad basada en malla. La conmutación en la capa fotónica permitirá esta evolución, al igual que los protocolos de enrutamiento que permiten que las rutas de luz atraviesen la red de la misma manera que lo hacen los circuitos virtuales en la actualidad. Estos y otros avances están convergiendo para que se pueda imaginar una infraestructura totalmente óptica.