PANORAMA DE LAS COMUNICACIONES ÓPTICAS Ing. Aurelio Bazá Bazán Sá Sánchez

INDICADORES Y TENDENCIAS TECNOLÓ TECNOLÓGICAS

Tráfico Global Total – Tráfico de datos

Total – Tráfico de voz

6000

4000

2000

2008

2006

2004

2002

2000

1998

0

Source: Arthur D. Little

1

CRECIMIENTO DEL TRÁ TRÁFICO

LA DEMANDA DE ANCHO DE BANDA ESTÁ ESTÁ CRECIENDO EXPONENCIALMENTE Fuente: Lightwave,

Demanda relativa de ancho de banda

60 50 (45%/año)

40 30

El tráfico generado por Internet se incrementa constantemente

20 10 Voz

0 1990

1995

2000 Año

2005

2010

2

MERCADO ÓPTICO MUNDIAL

TIPOS DE FIBRAS FIBRAS ÓPTICAS PARA APLICACIONES ESPECÍ ESPECÍFICAS Ciudad distante Anillo regional entre ciudades

Submarino

sta di a g lar ses de paí e t e or tr sp e n an r T

ia nc

Acceso de bucle 1 a 5km Anillo Metro 2 a 30km entre centrales

Fibra óptica de dispersión desplazada no-cero Fibra óptica específica para aplicaciones metropolitanas Fibra óptica especí específica para aplicaciones de corto alcance

3

Redes Metropolitanas STM-16 /4/1 y varias λ s

Acceso de banda amplia

STM-64/16 decenas Km varias λ s

Acceso metropolitano

STM -16/4/1 decenas Km λ s

Segmento principal metropolitano

Largo alcance

Redes Empresariales

G Ethernet, 2 Km y varios λ s

Generalmente submarino

SOLUCIONES EMPRESARIALES Alta AltaVelocidad Velocidad LAN Inalambricas

Energí ía Energ Energía

Sistemas SistemasÓpticos Ópticos de deDatos Datos

Redes Redesde de Datos Datos

4

EVOLUCIÓ EVOLUCIÓN DE LAS REDES LAN EMPRESARIALES

Ancho de Banda LAN (Mbit/s)

10GE

1000

Gigabit Ethernet

100

10

?

100M FDDI

10M Thick Coax Ethernet

10M Thin Coax Ethernet

100M Ethernet

10Base-T

4M Token Ring (STP)

1 0.1 1980

1985

1990

1995

2000

SELECCIÓ SELECCIÓN DE LA FIBRA ÓPTICA Y PLANIFICACIÓ PLANIFICACIÓN PARA EL FUTURO Vida útil del cable de fibra óptica instalado.
Por lo menos 25 años.
Vida útil de los componentes optoelectrónicos.
La vida del diseño también es de 25 años, pero...
El ciclo de vida útil de estos componentes es de 5 a 7 años.
Es importante decir, los sistemas de la siguiente generación ¡Es muy considerar el potencial futuro serán de la fibra desarrollados cada 5 - 7 años, con un rendimiento drásticamente menorócosto porred! unidad de óptica paramejorado protegerylauninversió n en la inversi ancho de banda.
Por ende, el crecimiento de la red y el desarrollo de nuevas tecnologías requerirán entre 2 y 4 actualizaciones de la red durante los < 25 años de vida del cable de fibra óptica instalado actualmente.
Debido a que el cable de fibra óptica instalado representa una inversión de capital importante (alrededor del 60% al 70% del costo total de un nuevo sistema de transporte).


5

CAPACIDAD DE LOS CABLES DE FIBRA ÓPTICA 106 105

Gb/s * km

104 103 102 101 1.0 0.1 1975

1985

1990

1995

2000

2005

Año




Multiplexación división de longitud de onda (WDM) Qué es WDM?


Wavelength Division Multiplexing es la transmisión de múltiples longitudes de onda de luz en una única fibra óptica monomodo; estas portadoras ópticas se distribuirán desde y hasta sus respectivos terminales ópticos por medio de multiplexores y demultiplexores ópticos.

DS-1 DS-3 OC-3 OC-12 OC-48

TDM

λ1 λ2 λ Fibra con 1λ λ 3 λ4 a (ejm) STM-16

WDM Ejemplo: 16λ λs a OC-192 ó STM-64 por λ

λ16

6

¿Qué tan buena es la WDM ?


El ancho de banda es multiplicado tantas veces como portadoras ópticas haya dentro dentro de la fibra.





Permite múltiples formatos de datos y aplicaciones compartiendo el mismo portador sin interferencias.

En muchos casos no se requiere el cambio de fibra para un upgrade de TDM a WDM.


Ejemplo: Una fibra monodo G.652 operando a 2,5 Gbits/s con una sola portadora óptica, puede implementarse efectivamente a 10 Gbits/s incrementado el número de longitudes de onda a 4.

Aplicaciones de nuevas fibras 1. Tolerancia a mayores potencias. 2. Mayor espaciamiento, canales de menor costo. 3. Flexibilidad al combinar canales analógicos y digitales.

1200

1300

1400

1500

1600

Longitud de onda (nm)

7

Optimización de la Fibra Óptica ATTENUATION (dB)

1.20 1.00 0.80 2

5

3

4

6

0.60 0.40 0.20 0.00 1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

WAVELENGTH (nm) Standard

AllWaveTM

PARÁ PARÁMETROS DE LA FIBRA FIBRA ÓPTICA


Atenuación





Dispersión cromática





Fibras ópticas multimodo y monomodo

Dispersión del modo de polarización (PMD)





Fibras ópticas multimodo y monomodo

Fibras ópticas monomodo

Efectos no lineales

8

Filtros

EDFA Lens SMF Input

INTENSITY

ASE Spectrum with ASE Wavelength Spe Flattening ctru m

Narrow Band Filter

Channel 1

ASE = Amplified Spontaneous Emission

Channel 8

Optical Corporation of America Patent # 4,768,849

1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565

WAVELENGTH

Fiber Bragg Grating

Array Waveguide Grating Waveguide

Optical Fiber

Bragg Grating Region

Input Star Coupler

Output Coupler

Channels 1 to N Reflected Wavelength

Transmitted Wavelength

TENDENCIAS EN LA TECNOLOGÍA STM-16

STM-64

STM-256 Velocidad total

2.5 Gb/s

2.5 Gb/s

4 x 2.5 Gb/s

1 x 10 Gb/s

16 x 2.5 Gb/s

4 x 10 Gb/s

1 x 40 Gb/s

40 Gb/s

64 x 2.5 Gb/s

16 x 10 Gb/s

4 x 40 Gb/s

160 Gb/s

128 x 2.5 Gb/s

32 x 10 Gb/s

8 x 40 Gb/s

320 Gb/s

10 Gb/s

400 Gb/s Gb/s

40 x 10 Gb/s 80 x 40 Gb/s

3200 Gb/s

9

Economí Economía de transporte de grandes distancias 4

DWDM de 40Gb/s con NZDSF es la solució solución má más rentable TDM de 10 Gb/s con USF

3

TDM de 10 Gb/s con NZDSF

DWDM de 2.5 Gb/s con USF DWDM de 10 Gb/s con USF

2

DWDM de 10 Gb/s con NZDSF

1

10 Gb/s

20 Gb/s

30 Gb/s

40 Gb/s

50 Gb/s

ECONOMÍA DEL TRANSPORTE 1.0 Precio relativo ($/bit)

Costo relativo del sistema

TDM de 2.5 Gb/s con USF

STM-4

0.8 0.6 0.4

STM-16

STM-64 STM-256

0.2 •

Las velocidades TDM se incrementan por un factor de cuatro

•

Pero 0 el incremento del precio relativo es sólo de entre 2 y 2.5

•

0.622 10 del 40% sólo40debido a TDM Esto significa que el costo por bit2.5 está bajando alrededor Velocidad binaria TDM (Gbs/s)

10

PROGRESO DE LA TRANSMISIÓ TRANSMISIÓN ÓPTICA Año 1980 1986 . . . 1991 1994 1998 2005

Bit Rate Mb/s

Total de Canales Voice

TV

45 417 .

672 6,048 .

1 9 .

. 2,488 9,953 40x 2,448 80x40,000

. 32,256 129,024 1,290,240 Más de 40M

. 48 192 1,920 Más de 60,000

CABLES SUBMARINOS DE FIBRA ÓPTICA POLIETILENO HD

NUCLEO OPTICO RELLENO

CUBIERTA CONDUCTOR

11

CONFIGURACIÓ CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA BÁSICO DE UN SISTEMA DE CABLE SUBMARINO

Sistema óptico submarino

Supervisory System

Optical Amplifier Repeater

Optical Cable

Supervisory System

Line Terminal Unit

Line Terminal Unit

Line Terminal Unit

Line Terminal Unit

PFE

PFE

Digital Crossconect

Digital Crossconect

12

CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA TERMINAL DE CABLE SUBMARINO

W T U

E Q U

10G LTU

RLTU

LTU: Line Terminating Unit 1 fiber pair

RLTU: Redundant Line Terminating Unit WTU: Wavelength Terminating Unit

PFE

EQU: Dispertion Equalization Unit

NEOS

LME: Line Monitoring Equipment

LME

PFE: Power Feeding Equipment NEOS: Network Element Operating System

Block diagram of WTU#1 MX SHELF CH1 CH2 CH3

Optical Input From EQU

EQ SHELF

REP SHELF

EDFA

Raman

C-OTDR IN EDFA

Optical output to the submarine system

MUX CH14 CH15 CH16

From WTU#2

LME IN C-OTDR PATH

DX SHELF CH1 CH2 CH3

Optical Output to EQU

EDFA

Optical Input from the submarine system

MUX CH14 CH15 CH16

To WTU#2

LME OUT

C-OTDR OUT

13

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CIRCUITO DE UN REPETIDOR O-E-O

AMPLIFICADOR ÓPTICO

14

AMPLIFICADOR ÓPTICO Er-doped Fiber WDM Coupler

Gain Isolator Equalizer

Input (UP)

Output (UP) Pump Laser

Supervisory Circuit Pump Controller Er-doped Fiber

Gain Isolator Equalizer

Output (DOWN)

WDM Coupler

Power Circuit

Input (DOWN)

Power Path

PARÁMETROS DE DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR ÓPTICO Amplificador óptico Láser de bombeo Ancho de banda Nivel de la Señal de entrada Nivel de la Señal de salida Ganancia/Figura de ruido Longitud de onda del PL Supervisión del repetidor Corriente de alimentación Caída de voltaje DC Tiempo de vida de diseño Fiabilidad Carcasa presurizada Condiciones de temperatura En operación En almacenamiento

Fibra dopada con Erbio Diodo Láser InGaAsP/InP Mayor a que 30 nm - 6.4 dBm + 8 dBm 14.4 dB / 6 dB 1475 nm Monitoreo de la ganancia del enlace 0.92 A 15.6 V Más de 25 años 14.1 Fit/2 pares de fibras Cobre y beryllium 0º C a 35º C - 20º C a + 40º C

15

ESPECTRO ÓPTICO

16

INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO

17

INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO

18

INTERIORES DEL BARCO CABLERO

SAM

19

SAC

ENLACES ACTUALES DWDM TRANSPONDEDORES

RED DE TRANSMISIÓN

TRANSPONDEDORES

Tx

Rx

λ1 λ2 λ3

W D M

λ1

M

λ3 λ2

.... AO

AO

OADM

W D M

D

λm

Interfaz óptica de la red de transporte

λk

λp

Interfaz óptica de la red de transporte

RED DE TRANSPORTE

20

INTERACCIÓ INTERACCIÓN EN REDES ACTUALES

INFRAESTRUCTURA ÓPTICA TENDENCIAS DE EVOLUCIÓ EVOLUCIÓN DE LA RED ÓPTICA • Por la exigencia de la demanda, el número de portadoras ópticas sigue en aumento. Así mismo la velocidad de transmisión (de 2,5 Gbit/s a 40 Gbit/s y más). • Aparición de nuevos componentes ópticos, con nuevos mercados que facilitan y abaratan los enlaces ópticos.  Los enlaces de acceso y redes pequeñas tienden a ser ópticos.  Comienzan a notarse las restricciones de performance óptica en los actuales componentes instalados de una red.

21

RED INDEPENDIENTE ÓPTICA TOTAL Crossconnect SDH

Conmutador ATM

Router IP

NO Crossconnect SDH

NO

NO

NO

Crossconnect SDH

NO NO

Router IP

NO Anillo Óptico NO

NO

Conmutador ATM

NO NO Crossconnect SDH

Ambiente totalmente óptico

Último elemento Óptico (O/E) de la Red PSX+F+ ADM+...

NO (Nodo Óptico)

• Sistemas de Gestión independientes (podrían ser de de varios suministradores). •Indiferente a las jerarquías y a los sistemas de multiplexación eléctrica. •Independencia de los sistemas de protección y reencaminamiento. • Cómodos costos de los Sistemas de Gestión. • Manipulación a cierto nivel de la capa óptica. • Los sistemas de gestión de transporte y transmisión se integran con un sistema de Gestión Superior.

22

SISTEMA DE GESTIÓ GESTIÓN DEL NIVEL DE SERVICIO

Sistema de Gestió Gestión de Conmutació Conmutación

Servidor

Sistema de Gestió Gestión de La Capa Óptica

SDH-MUX

Ambiente Óptico

Sistema de Gestió Gestión de SDH

Servidor

SDH-MUX

TX ELÉCTRICO/ÓPTICO

ÓPTICO

TR

INTERCONEXIÓN DE LOS SISTEMAS DE GESTIÓN

SUPERVISIÓ SUPERVISIÓN

•Identificación de fallas y/o degradaciones. •Información para la restauración y reencaminamiento. •OSA •Número de portadoras •Potencia •C/N, identificación. •Derivas y emisiones espúreas. •Potencia óptica total. •DC, PMD y ORL. •D.O.

23

CONTROL Y SUPERVISIÓ SUPERVISIÓN DE UN CONMUTADOR ÓPTICO

λ1 λ2 λ3 λ4..... λn

λ1 λ2 λ3 λ4..... λn λ1 λ2 λ3 λ4..... λn

λ1 λ2 λ3 λ4..... λn

λ1 λ2 λ3 λ4..... λn

λ1 λ2 λ3 λ4..... λn

Control y Gestión

OSA

PROTECCIÓN AUTOMÁTICA • No es necesario conocer el formato eléctrico y la protección óptica es independiente de la velocidad de trabajo. • Se mejoran los tiempos de restauración. • Protección dedicada 1+1. Recuperación en Rx y Tx. • Salida doble (DH) • Selección de la mejor señal de recepción. • Redes sin bucles. Sin ruidos de recirculación. • Topologías Omega.

24

MECANISMO DE CONEXIÓ CONEXIÓN ENTRE SUBSUB-REDES

Nodos periféricos

Nodos concentradores

DH

Anillo cerrado

DIAGRAMA DEL MÓ MÓDULO DE PROTECCIÓ PROTECCIÓN

λ1 λ2 λ 3 λ4..... λ n

Ruta activa λ1 λ2 λ 3 λ4..... λ n

Ruta de reserva

DMUX DWDM Detectores de Potencia

Detectores de Potencia

Hacia el Receptor λ1 λ2 λ3 λ4..... λn

CONTROL DE ACCESO DE LA RUTA

25

TOPOLOGÍAS

• Enlaces DWDM y WDM punto a punto. • Anillos • Malla óptica • De Anillo a Omega Nodos Concentradores Nodos Periféricos

DE TOPOLOGÍ TOPOLOGÍA ANILLO A OMEGA Nodo concentrador duplicado (1+1) Dual Homing

Par de fibras de trabajo

Par de fibras de protección

Nodo periférico, donde se duplica la portadora TOPOLOGÍA OMEGA VISTO COMO BUS ABIERTO

Nodo concentrador

λ1

Par de fibras de protección

Par de fibras de trabajo

26

ESQUEMA DE 2 FIBRAS DE TRABAJO + 2 DE PROTECCIÓ PROTECCIÓN Par de protección 2 Fibras Rx

Tx

Tx

Rx Par de trabajo 2 Fibras

NODO CONCENTRADOR

De A λ1

Para B λ3

OADM

λ4 λ2 Para A

OADM

λ2 De B

λ1

MUX

DMUX

Para C

De C λ3

λ1

λ4

27

NODO PERIFÉ PERIFÉRICO λ1

λ2 Diversidad Espacial

Par de fibras de protección

E-Rx Protección

O-Tx Protección

λ2

OADM

λ1 O-Rx Protección

λ1

E-Tx Protección

OADM

O-Tx Trabajo

E-Rx Trabajo

OADM λ2

E-Tx trabajo

OADM

O-Rx Trabajo

Divisor

Par de fibras de trabajo

Módulo de Protección

λ2

Portadora seleccionada

λ1 Inserción de portadoras

INTERCONEXIÓ INTERCONEXIÓN DE OMEGAS

DESTINO

ORIGEN Divisor Óptico

Inserció Inserción Desde la Red de Transporte “A” λ1

Módulo de Protecció Protección

Enlace punto a punto sin protección

Duplicación de Portadora

Las rutas de trabajo y protección están abiertas

λ1 Selección Red de de Portadora Transporte “B”

Nodos concentradores

Redirección de la portadora

λ1 Módulo de protección y selección de portadora

Omega/Bus Destino

Omega/Bus Origen

λ1

28

Nodos periféricos Red de Tránsito

DESTINO λ1

Selección de las mejores portadoras ópticas

Módulo de Protección

Redirección de portadora

Las rutas de trabajo y Proteción están abiertas en algún tramo

Diversidad espacial en las fibras

Los nodos concentradores se conectan mediante una fibra (enlace punto a punto sin protección)

λ1

Omega/Bus DESTINO

Duplicación de portadoras

Omega/Bus TRÁNSITO

Omega/Bus ORIGEN

Divisor óptico

λ1

ORIGEN

λ1

INTERCONEXIÓ INTERCONEXIÓN DE SUBREDES CON MATRICES DE CONMUTACIÓ CONMUTACIÓN ÓPTICA

Rutas de Protección

Rutas de Trabajo

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ENRUTAMIENTO A NIVEL ÓPTICO • Seleccionar

el mejor camino entre dos nodos. Conmutadores espaciales y conmutadores de longitud de onda. • Integridad de la portadora óptica a lo largo del trayecto. • Prueba de la calidad de extremo a extremo. • Establecimiento de la comunicación.

CONMUTADORES ÓPTICOS λ1

λ1 λ2

λ2 λ1 λ2 λ3 λ4

λ3

λ3

λ1 λ2 λ3 λ4

λ4 λ4

λ1 λ1 λ2 λ3 λ4

λ1

λ2

λ2

λ3

λ1 λ2 λ3 λ4

λ3

λ4

λ4

Conmutadores espaciales

30

VARIACIÓ VARIACIÓN DE LOS NIVELES DE POTENCIA EN LOS CANALES DE SALIDA DE UN CONMUTADOR ÓPTICO PSX

Diferentes Niveles de entrada

1

Salida compensada

1 + 2 + 3 = 3

• Variaciones de algunos dB. • Otros problemas acumulados

Respuesta imperfecta de nivel del PSX

2

Desigual adición de los niveles de la señal

• Significativas variaciones de las potencias de salida de los PXC • Necesidad de compensación por canal para mantener el óptimo comportamiento del PSX

MONITOREO Y COMPENSACIÓ COMPENSACIÓN DE UN CONMUTADOR ÓPTICO Pre-amps, post-amps o VOAs compensan las pérdidas a 0 dB

λ1 Pre amp

VOAs Post amp

λ2

VOAs compensa las variaciones de las pérdidas por canal

PSX λn

Post-amps compensa las pérdid. por tránsito Control

Monitoreo por canal • verificación de la conexión • calidad de la señal

VOA: Variable Optical Attenuator/ Amplifier

Hacia y desde el Sistema de Gestió Gestión y Control El monitoreo permite: • Ver el comportamiento y gestionar las fallas • Protección y restauración • Compensación de pérdidas • Compensación de la dispersión

31

GESTIÓ GESTIÓN DE LA CONEXIÓ CONEXIÓN DE LONGITUD DE ONDA EndEnd-toto-End Fibra End-points

Nodo PSX End-point

λ Red totalmente óptica

Capa de EXC IP / ATM / EXC

PSX 1550nm

λ

End-point

drop add

Gestión y control

passpass-through passpass-through

Adaptación de línea (transponder) EXC - Electronic Cross-Connect

La Gestión implica: • Búsqueda de la mejor ruta, con alcance “todo óptico”. • Conmutación, conversión, desbloqueo y traslado de λ. • Tareas de: ecualización y compensación de problemas acumulativos. • Gestión de las fallas y comportamiento de la red.

VERSATILIDAD DE LA RED Miles de kms Localidad Z

PSX Localidad A

O/E/O

O/E/O

Toda la red de transmisión es óptica PSX: Photonic Switch/Cross-Connect O/E/O: Optical to Electrical to Optical

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EVALUACIÓ EVALUACIÓN DE LAS REDES TOTALMENTE ÓPTICAS - Costo Costo por puerto

Límite

EXC PSX

Sin incremento

Gbit/s por puerto

Menor costo EXC: Electronic Cross-connect PSX: Photonic Switch/Cross-Connect

“PERFORMANCE” PERFORMANCE” DE LAS REDES TOTALMENTE ÓPTICAS

• Transparencia • Más del 90% menor de Potencia Relativa usada

EXC

PSX

Tecnología

potencia requerida vs. sistemas elé eléctricos • Menor espacio para equipos de acondicionamiento • Independencia de Velocidades

• Optimiza la densidad • Menor costo de operación EXC: Electronic Cross-connect PSX: Photonic Switch/Cross-Connect

33

BLOQUEO DE λ EN REDES TOTALMENTE ÓPTICAS • Se crean múltiples redes ó planos (uno por λ ) • RWA (Routing and Wavelength Assignment). Láseres sintonizables reducen el bloqueo de λ • Si ocurre aún el bloqueo, es necesario la conversión o traslado de λ • Redes de fibras múltiples reducen la necesidad de conversión de λ • PSX’s dan el acceso a estos nuevos caminos ópticos.

λ1 Fibra 1 λλ11

Nueva demanda: A⇔ ⇔B Nueva demanda: A⇔ ⇔B

Translado no requerido

λ1 λλ22 λ1 Fibra 3

A

B B

A Fibra 2

B

A

B

B at Translation regeneration node

A A

B

λλ33 A

El bloqueo de λs puede ser minimizado en las redes totalmente ópticas.

¿HACIA DONDE?











 

La demanda de Ancho de Banda seguirá, así mismo, los desarrollos basados en fibra óptica de silicio (más allá del año 2015). Los adelantos tecnológicos en óptica ayudarán sólo parcialmente. TDM y DWDM pueden proveer sólo una mejoría de cientos de veces” en el ancho de banda. Por lo que habrá que instalar más cables ópticos con un 15% de Crecimiento Inter – Anual, diseñados para máxima capacidad en aplicaciones específicas La plataforma cambiará a Redes ópticas transparentes. Se vislumbra una nueva generación de fibras y dispositivos ópticos. La fotónica continuará por mucho tiempo.

34