Victor Antonio Masero Rubio Por tanto, la capacidad de la bra óptica plantea el desafío de optimizar el funcionamiento de las redes ópticas, con el pr

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1 CAPÍTULO 4 Sistemas OFDM ópticos 4.1. Evolución de las Comunicaciones ópticas En las dos últimas décadas, la saturación en términos de capacidad y alcance de las tecnologías de comunicaciones dominantes en la última década siglo XX y primera década del siglo XXI, junto con el avance de las tecnologías de fabricación de transmisores, receptores, amplicadores y las técnicas de regeneración de señal en el dominio óptico; ha propiciado un gran auge de las comunicaciones ópticas. Y es que la utilización de bra óptica como medio de propagación propicia la trasmisión de información en enlaces de alta capacidad a grandes distancias, aportando un gran ancho de banda. Además, con la explosión de Internet y la aparición de nuevas aplicaciones cada día, las previsiones de crecimiento de la demanda de transmisión de datos de la sociedad no dejan de aumentar, como se presenta en la gura 4.1, desbordando al resto de tecnologías y poniendo a la cabeza las comunicaciones ópticas. Figura 4.1: Previsión Crecimiento de la Demanda de Datos de la IEEE [13]. 25

2 Victor Antonio Masero Rubio Por tanto, la capacidad de la bra óptica plantea el desafío de optimizar el funcionamiento de las redes ópticas, con el propósito de satisfacer la demanda que se prevé, prestar nuevos servicios de telecomunicaciones y aprovechar al máximo el ancho de banda ofrecido por la bra Tendencia de las comunicaciones Dos tendencias principales surgen del gran aumento del tráco demandado y de la aparición y fusión de distintas aplicaciones y servicios [1] [14]. 100 Gb/s Ethernet Durante los últimos años, Ethernet (estándar IEEE 802.3) se ha extendido como la principal tecnología LAN (Local Area Network). Esto ha ocurrido gracias a la disponibilidad de una amplia gama de productos y aplicaciones que cumplen con el estándar IEEE y debido a su coste y conabilidad. Hasta hace muy poco, la tecnología se movía en torno a velocidades de 10 Gb/s (10Gb/s Ethernet), cubriendo sin problemas las prestaciones demandadas, pero el rápido crecimiento de la tasa de transmisión de datos, como consecuencia del aumento del tráco IP y de las aplicaciones emergentes de televisión, vídeo, audio y telefonía por Internet; han hecho que se empiece a acercar a tasas de 100 Gb/s y se requiera escalar los enlaces, consiguiéndose con cierta facilidad estas velocidades mediante el uso de bra óptica. Redes de reconguración dinámica El gran crecimiento de las aplicaciones de vídeo por Internet ha requerido un gran ancho de banda. Aunque es posible mejorar las capacidades de los enlaces migrando a mayores velocidades o mediante la utilización de canales WDM (Wavelength Division Multiplexing), esta solución solo funciona en un transmisión entre dos puntos. Sin embargo, el ancho de banda bajo demanda en cada enlace cambia dinámicamente, por lo que con una correcta planicación de los enlaces y las rutas, se puede acomodar este patrón cambiante a la red. Esto se puede realizar con relativa facilidad en el dominio óptico mediante la utilización de multiplexores ópticos recongurables de inserción y extracción (Recongurable Optical Add/Drop Multiplexers, ROADM). Así, una red ROADM puede interconectar muchas redes de distribución, siendo transparente a ellas el recorrido a través de los distintos nodos ROADM Transmisión Monoportadora o Multiportadora en los Medios Ópticos Ahora bien, con la entrada del medio óptico se reabre un debate ya zanjado anteriormente para muchas comunicaciones inalámbricas y por cable: ¾Transmisión monoportadora o transmisión multiportadora? Como ya se ha dicho, la bra óptica tiene un gran ancho de banda. Este hecho propensa el uso de la transmisión monoportadora, que aunque es mucho mas ineciente espectralmente al poseer un gran ancho de banda, su sencillez y bajo coste pueden decantar la decisión. Sin embargo, con el exponencial crecimiento del uso de datos que se 26

3 4. SISTEMAS OFDM ÓPTICOS prevé para los próximos años, la capacidad de tranmisión demandada será tan elevada que las actuales redes ópticas supondran un verdadero cuello de botellas, provocando la búsqueda, por parte de los operadores, de posibles soluciones. Llegados a este punto, dos soluciones aparecen: el tendido de nuevas líneas de bra óptica que complementen las existentes, solución normalmente impracticable; o la optimización del ancho de banda óptico. Es en esta segunda solución donde la transmisión multiportadora, para ser mas concretos OFDM, gana enteros, ya que es mucho más eciente espectralmente. Además aporta otras ventajas, como a la hora de procesar la señal recibida, que permite utilizar secuencias de entrenamiento con las cuales realizar la estimación de canal y de fase, realizando una ecualización ajustada al estado temporal del enlace; donde por el contrario, la transmisión monoportadora depende de una ecualización ciega, siendo más propensa a errores. Así mismo, en OFDM existe la posibilidad de dejar cierto número de portadoras para control y supervisión de la transmisión, hecho imposible mediante transmisión monoportadora. Por otro lado, a medida que la modulación utilizada para mapear la secuencia de información crece en bits/símbolos, los sistemas OFDM conllevan menor complejidad en su implementación que los sistemas monoportadora. A pesar de ello, las comunicaciones ópticas OFDM heredan los dos grandes problemas de OFDM, la alta PAPR, que sugiere más susceptibilidad a las no linealidades; y la sensibilidad al ruido de frecuencia y de fase. En la actualidad, numerosos estudios intentan demostrar las prestaciones que se pueden alcanzar mediante el uso de OFDM en el medio óptimo, y así, cuanticar las mejoras que pueden suponer frente a la transmisión monoportadora [9] [10] [11] Sistemas Utilizados El esquema general de un sistema óptico OFDM se muestra en gura 4.2. Figura 4.2: Esquema general sistema óptico Dependiendo de cómo se realicen las conversiones eléctrico-óptica y óptica-eléctrica, encontramos dos tipos de sistemas: los sistemas de Modulación en Intensidad/Detección Directa y los sistemas coherentes. 27

4 Victor Antonio Masero Rubio Sistemas de Modulación en Intensidad/Detección Directa (IM/DD) Los sistemas OFDM ópticos de modulación en intensidad y detección directa, IM/DD- OFDM, combinan OFDM con modulación y detección directa [7]. En la modulación directa/modulación de intensidad, se modula directamente la señal a través de la corriente que se les aplica a los diodos láser. Hay distintos tipos de modulaciones directas: Modulación OOK (On-O Keying): Se emplea en sistemas digitales monoportadora. Cuando al diodo láser se le inyecta una corriente superior a su corriente umbral, emite radiación que se considera como si se enviara un bit "1". Por el contrario, si es menor que la potencia umbral, no se emite radiación y se considera que se está enviando un bit "0". Modulación de pequeña señal: Se emplea en sistemas analógicos. Aplicando pequeñas variaciones de corriente al diodo láser alrededor de su valor de polarización, se produce una potencia óptica con las mismas variaciones que la corriente aplicada. Con la detección directa, la potencia óptica se convierte directamente en corriente eléctrica proporcional a ella mediante un fotodector, obteniéndose así la señal. Por ello, en IM/DD, la señal OFDM con la que se desea trabajar debe ser real, ya que toda la información irá comprendida en el nivel de potencia de la señal. Esto se consigue haciendo que la señal tenga simetría hermítica antes de la realización de la IFFT. Existen diferentes técnicas para la realización de un sistema IM/DD-OFDM [15] ACO-OFDM En Asymmetrically clipped optical OFDM, ACO-OFDM, la señal a transmitir se hace positiva, recortando (clipping) por cero y transmitiéndose información sólo en la parte positiva. Esto provoca que sea ineciente en términos espectrales. Figura 4.3: Esquema ACO-OFDM Figura 4.4: Esquema DCO-OFDM DCO-OFDM En DC biased optical OFDM, DCO-OFDM, se le añade a la señal un nivel de continua (DC bias) para hacerla positiva. Este aumento de nivel provoca que sea ineciente en términos de potencia. 28

5 4. SISTEMAS OFDM ÓPTICOS ADO-OFDM Asymmetrically clipped DC biased optical OFDM, ADO-OFDM, es una mezcla de las dos técnicas anteriores. La parte de la señal que es positiva inicialmente se transmite directamente (ACO), mientras que a la parte que era negativa se le añade un nivel de continua para hacerla positiva y enviarla (DCO) Sistemas Coherentes (CO) Los sistemas OFDM ópticos coherentes, CO-OFDM, combinan OFDM con modulación externa y detección coherente [7]. En la modulación externa, un dispositivo externo realiza la modulación entre un diodo láser que emite continuamente y la señal a transmitir. Los moduladores externos más utilizados en la actualidad son: Moduladores Mach-Zehnder, MZI: Basados en interferómetros de Mach-Zehnder y materiales electrópticos, son dispositivos formados por un divisor, dos brazos de bra óptica y un combinador. Su funcionamiento está basado en la interferencia entre ondas, ya que la señal óptica de entrada se divide en dos partes iguales que posteriormente se combinan. Utilizando un material electroóptico en uno de los brazos por lo que van las señales, se controla el desfase entre ambas y se consigue que al combinarse la interferencia sea constructiva (trasmisión de un "1") o que sea destructiva (transmisión de un "0"). Moduladores electro-absorbente: Mediante un material electro-absorbente se absorbe radiación y se controla la potencia que deja pasar al medio óptico, gracias a la tensión existente entre los extremos del propio material. En la detección coherente, se realiza una mezcla no lineal entre la señal óptica de entrada y la generada por un oscilador local, antes de incidir en el fotodetector. Con este proceso de mezcla se consigue que el fotodiodo genere una corriente con una portadora de frecuencia y fase igual a la diferencia entre las frecuencias/fases de la señal de entrada y de la señal del oscilador local. Se distinguen dos tipos de sistemas CO-OFDM [8]: Homodino/Conversión directa La frecuencia del oscilador local en el receptor coincide con la de la señal de entrada, y por tanto la conversión traslada la señal a banda base. Su diagrama de bloques se muestra en la gura 4.5. Heterodino/Conversión con frecuencia intermedia La frecuencia del oscilador local es distinta de la señal de entrada, trasladando la conversión a la señal a una frecuencia intermedia, que posteriormente se baja a banda base. Su diagrama de bloques se muestra en la gura

6 Victor Antonio Masero Rubio Figura 4.5: Esquema sistema Homodino Figura 4.6: Esquema sistema Heterodino 30

7 4. SISTEMAS OFDM ÓPTICOS Breve comparativa Los sistemas IM/DD realizan la detección atendiendo únicamente al nivel de potencia de la señal recibida, no necesitando realizar un seguimiento de la frecuencia o de la fase de la misma. Esto provoca que toda la información extra que pueda transportar la portadora óptica se pierda, no pudiéndose utilizar para su posterior procesado. Los sistemas CO necesitan conocer y/o tener sincronizada la frecuencia y la fase de la portadora con el oscilador local para poder detectar correctamente la señal. Realizan un uso más eciente del ancho de banda, pudiendo utilizar información de control que viaja en la misma o la técnica multiplexación por división de longitud de onda (WDM). Mejoran la sensibilidad del receptor hasta en 20 db. Por tanto, los sistemas IM/DD tienen una estructura más simple y barata, pero peor energía y eciencia espectral, por lo que son más adecuados para aplicaciones de corto alcance rentables. Los sistemas CO tienen características superiores, pudiéndose utilizar en transmisiones de alta velocidad a gran distancia, todo esto a costa del incremento de la complejidad y el coste de los sistemas. 31

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