EVOLUCIÓN DE SISTEMAS DE TRANSMISIÓN ÓPTICA Y DESPLIEGUE COMERCIAL APOYADO EN LOS MISMOS.

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1 EVOLUCIÓN DE SISTEMAS DE TRANSMISIÓN ÓPTICA Y DESPLIEGUE COMERCIAL APOYADO EN LOS MISMOS. López Delegido, Fernando Barriel Guitián, Eva Gómez Aparicio, Luís Miguel Abril 2008

2 INTRODUCCIÓN A principios de los 80 se produce una revolución en las redes de telecomunicación con la irrupción en el mercado de la fibra óptica. Desde entonces los grandes avances, ahorros económicos e incrementos de la calidad en cuanto a servicio y prestaciones de las redes ópticas han permitido muchos avances en las tecnologías requeridas para las redes ópticas. Las redes de telecomunicación han sido las responsables de la evolución tecnológica y social durante las últimas décadas. Las redes eran utilizadas básicamente para servicios telefónicos en redes locales, en cambio ahora se puede descargar miles de hojas de una enciclopedia por segundo. A través de la historia, vemos que las redes digitales han evolucionado en tres etapas fundamentales: Asíncrona, Síncrona y Óptica. BENEFICIOS DE LA FIBRA ÓPTICA Insensibilidad a la interferencia electromagnética, como ocurre cuando un alambre telefónico pierde parte de su señal a otro. Las fibras no pierden luz, por lo que la transmisión es también segura y no puede ser perturbada. Carencia de señales eléctricas en la fibra, por lo que no pueden dar sacudidas ni otros peligros. son convenientes por lo tanto para trabajar en ambientes explosivos. Liviandad y reducido tamaño del cable capaz de llevar un gran número de señales. Sin puesta a tierra de señales, como ocurre con alambres de cobre que quedan en contacto con ambientes metálicos. Compatibilidad con la tecnología digital. Fácil de instalar. TECNOLOGÍA Y EVOLUCIÓN El pilar principal de una red óptica es la avanzada tecnología que permite realizar las funciones ópticas necesarias. La tecnología óptica sigue avanzando gracias a ingeniosas técnicas e implementaciones que mejoran la función y los beneficios de las redes ópticas.

3 WDM: A principios de los 90 comenzó a utilizarse lo que se conoce como transmisión WDM bidireccional de banda ancha, realizando una de las comunicaciones en la región de 1550 nm (tercera ventana) y el otro sentido de transmisión a 1310 nm (segunda ventana). Posteriormente, a mediados de los 90 se desarrolló el WDM de banda estrecha, caracterizado por una separación reducida entre canales y por el establecimiento de comunicaciones bidireccionales 2x2 y 4x4 a 2,5 Gbit/s y 1550 nm sobre enlaces punto a punto de gran longitud. El estándar de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define una cuadrícula de longitudes de onda permitidas dentro de la ventana que va desde los 1525 nm hasta los 1565 nm tal y como se muestra en la figura 1. Así, el espaciado entre dos de estas longitudes de onda permitidas puede ser de 200 GHz (1,6 nm), 100 GHz (0,8 nm), o incluso menos. La técnica de multiplexación WDM permite aumentar de una forma económica la capacidad de transporte de las redes ópticas existentes. Por medio de multiplexores y demultiplexores, los sistemas WDM combinan multitud de canales ópticos sobre una misma fibra, de tal modo que pueden ser amplificados y transmitidos simultáneamente. Cada uno de estos canales, a distinta longitud de onda, puede transmitir señales de diferentes velocidades y formatos. Una de las principales ventajas de los sistemas WDM es su modularidad, la cual permite crear una infraestructura conocida como

4 "grow as you go", que se basa en añadir nuevos canales ópticos al sistema de forma flexible en función de las demandas de los usuarios. Así, los proveedores de servicio pueden reducir los costes iniciales significativamente, al tiempo que desarrollan progresivamente la infraestructura de red que les servirá en el futuro. Adicionalmente, las labores de gestión y enrutamiento de la red tienden a realizarse completamente en el dominio óptico, lo que les proporciona gran flexibilidad. AMPLIFICADORES ÓPTICOS Sin lugar a dudas, la tecnología clave para el desarrollo de las redes WDM ha sido el amplificador óptico. Los amplificadores ópticos se encuentran optimizados para operar en una determinada zona del espectro de frecuencia, de acuerdo con el tipo de fibra utilizada en el sistema. En particular, los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) se encuentran optimizados para trabajar en tercera ventana (1550 nm) y presentan un ancho de banda de unos 30 a 40 nm. Suponiendo una separación entre longitudes de onda de 100 GHz (0,8 nm), es posible amplificar simultáneamente hasta 40 canales de 10 Gbit/s, una capacidad total de 400 Gbit/s por fibra. No obstante, los requisitos impuestos en el diseño y fabricación de los EDFA son bastante restrictivos. La razón es que pequeñas variaciones de la ganancia del amplificador sobre canales individuales conducen a un crecimiento exponencial cuando se colocan cadenas de amplificadores en línea, ya que el espectro es el mismo para todos ellos. TECNOLOGÍAS ACTUALES DWDM (Dense wavelength Division Multiplexing) La introducción de nuevos servicios de valor añadido tales como vídeo bajo demanda o aplicaciones multimedia requiere de una gran cantidad de ancho de banda para satisfacer las necesidades de los usuarios. La solución óptima consiste en utilizar DWDM, que permite aumentar de una forma económica la capacidad de transporte de las redes existentes. Por medio de multiplexores, DWDM combina multitud de canales ópticos sobre una misma fibra, de tal modo que pueden ser amplificados y transmitidos simultáneamente. Cada uno de estos canales, a distinta longitud de onda, puede transmitir señales de diferentes velocidades y formatos: SDH/SONET, IP, ATM, etc. Es decir, DWDM puede multiplexar varias señales TDM sobre la misma fibra. Las redes DWDM futuras se espera que transporten 80 canales OC-48/STM-16 de 2,5 Gbit/s (un total de 200 Gbit/s), ó 40 canales OC-192/STM-64 de 10 Gbit/s (un total de 400 Gbit/s), la capacidad equivalente a unos volúmenes de enciclopedia por segundo. A diferencia del sistema WDM convencional, en este caso todas las portadoras ópticas viajan por la fibra con separaciones inferiores a 1 nm.

5 La revolución de los sistemas DWDM no hubiese sido posible sin las características clave de tres tipos de tecnología: - La capacidad que poseen los diodos láseres de emitir luz a una longitud de onda estable y precisa con un ancho de línea espectral muy estrecho. - El ancho de banda de la fibra óptica (varios THz), el cual no ha sido aprovechado completamente durante mucho tiempo. - La transparencia de los amplificadores ópticos de fibra (EDFA) a las señales de modulación y su habilidad para amplificar de forma uniforme varios canales simultáneamente. Los rápidos avances producidos en DWDM en los últimos años, junto con la creciente demanda de servicios de alta velocidad y gran ancho de banda, están provocando cambios sustanciales en las arquitecturas de las redes ópticas. Así, la tecnología DWDM se está expandiendo progresivamente desde el núcleo de las redes ópticas de alta velocidad hacia las redes metropolitanas y de acceso. Y todo ello provocado por el éxito alcanzado por las soluciones DWDM de largo alcance que han permitido un aumento espectacular en la capacidad de las redes ópticas de transporte. La primera generación de redes WDM surgió para aliviar el problema del agotamiento de capacidad de las redes SDH/SONET, y tal y como se ha comentado, consistía simplemente en combinar múltiples longitudes de onda en una misma fibra. El número de canales era pequeño (del orden de 16) y la protección se realizaba en las capas 2 ó 3. La segunda generación de redes metropolitanas DWDM dobla el número de canales e introduce protección de anillo y OADMs estáticos, permitiendo que los proveedores de servicio proporcionen servicios basados en longitud de onda. Adicionalmente, las arquitecturas de red que emplean DWDM de segunda generación soportan interfaces multiservicio protegidos, tales como Gigabit Ethernet, ESCON y SDH/SONET. Si bien estas mejoras son enormes en comparación con las redes SDH/SONET convencionales, la segunda generación de redes posee limitaciones en cuanto a capacidad, coste, escalabilidad y gestión de red. La conmutación entre múltiples anillos metropolitanos se realiza de forma centralizada y las longitudes de onda se demultiplexan antes de ser conmutadas/enrutadas de forma individual Finalmente, las redes ópticas de tercera generación se caracterizan por ofrecer gestión dinámica de las longitudes de onda directamente en el dominio óptico, proporcionando

6 ventajas significativas con respecto a la segunda generación de redes. Asimismo, el número de canales es mayor y existe una monitorización de prestaciones más sofisticada que se realiza sobre cada canal óptico. Por medio de láseres sintonizables y filtros, junto con tarjetas de interfaz de múltiples velocidades, se puede realizar la gestión dinámica de longitudes de onda en el dominio óptico de una forma rápida y eficiente. Sin embargo, la clave para ganar clientes consiste en su habilidad para proporcionar nuevos servicios o cambiar la capacidad de los existentes de forma rápida. OCS CONMUTACIÓN DE LAMBDAS La conmutación óptica de circuitos (OCS) consiste en reservar un circuito físico desde el origen hasta el destino. Desde el origen hasta el destino puede haber diferentes nodos, cada conexión entre dos nodos tiene asignada una λ. El hecho de que en OCS se use un tráfico continuo de datos lo hace más apropiado para aplicaciones en tiempo real que para el tráfico de datos.

7 En el futuro es previsible que se desarrolle conmutación de ráfagas y de paquetes ópticos OPS y OBS. La conmutación OPS, a diferencia de la OCS, fragmenta la información en paquetes, sin realizar conexión previa. Cada paquete será reenviado por cada nodo dependiendo de su cabecera. El OBS como concepto de conmutación de ráfagas, que se empezó a conocer a principios de los años 80, tiene como objetivo ensamblar varios paquetes dentro de una misma ráfaga. En la conmutación de ráfagas hemos de tener en cuenta dos cosas muy importantes. La primera es el cliente que se encargará de ensamblar / desensamblar los datos en ráfagas en la frontera de la red OBS, y la segunda es la ráfaga, que se compone por un paquete de control y una ráfaga de datos.

8 El problema común a todas estas redes es que el configurar el conmutador para que pase una señal óptica, y ese tiempo comparado con el que tarda en pasar la señal óptica no es despreciable, más bien es demasiado alto. OCS evita tener cambiar los conmutadores y establece un camino antes de transmitir así aunque los conversores de longitud de onda sean muy lentos no afectará a la transmisión sólo al envío de paquetes. OPS y OCS sufren los problemas porque se requiere que se configuren, en el peor de los casos, todas la matrices de conmutación por las que atraviesa el paquete, aunque el paquete no sufra un retardo elevado, si que padece la matriz de conmutación de un factor de uso bajo porque pasa más tiempo reconfigurándose que conmutando paquetes, cosa que con OCS no pasaba. Así podemos decir que la situación de OCS vs OPS y OBS es la misma que había en las centrales de conmutación antes de la llegada del transistor. Conseguir matrices de conmutación más rápidas es el reto que permitirá pasar de OCS a OBS.

9 EQUIPOS DE TX OXC OXC (Optical Cross Connect) consiste en un conmutador matricial de fibras ópticas de dimensión MxN, donde M es el número de fibras de entrada que conmutan a/desde 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. Desde un punto de vista más abstracto y puramente conceptual, un crossconnect 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. Así, se observa que 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. Su papel está fuertemente condicionado por el desarrollo y nivel de madurez que se pueda conseguir en el entorno DWDM. De momento, la primera aplicación que aparece ya definida suficientemente es la restauración (restauración del tráfico y enlace en caso de cortes en la fibra y fallos en el nodo). La restauración con un OXC conlleva sólo minutos, o incluso segundos, frente a las horas que puede durar el mismo proceso con medios convencionales. El OXC tiene la capacidad de: Fiber switching : Capacidad para enrutar todas las longitudes de onda que provienen de una fibra hacia otra fibra de salida diferente. Wavelength switching : Capacidad de controlar la entrada y la salida de longitudes de onda específicas de una fibra de entrada hacia otra de salida. Wavelength conversion : Capacidad para recoger longitudes de onda y convertirlas en otras con distinta frecuencia óptica antes de mandarlas hacia el puerto de salida.

10 Con la aparición del OXC cambia este panorama y se comienza a hablar de una redes ópticas interconectada las redes sencillas se conectan entre sí y se crean nuevas topologías de mallas. Los OXC realizan la adaptación necesaria de los canales ópticos entre topologías malladas compuestas por redes sencillas, con lo que se establece el servicio extremo a extremo con garantías de QoS, supervivencia ante fallos (protección y restauración) y gestión, permitiendo crear acuerdos de nivel de servicio óptico (OSLA) para dichos circuitos. Los OXC son responsables del establecimiento de parte del circuito óptico, que podrá llegar a ser su totalidad dependiendo de su grado de despliegue y de la arquitectura existente de las redes ópticas. La provisión del circuito óptico se puede realizar automáticamente desde un sistema de gestión de red (SGR). Se distinguen los OXC híbridos, con partes óptica y electrónica, y los OXC ópticos, sin parte electrónica. En la práctica, los modelos híbridos son los que monopolizan en mercado debido a que permiten la interconexión de subredes ópticas de distintos suministradores, garantizan activamente la calidad de los circuitos ópticos largos (3R y FEC), gestionan adecuadamente los fallos y prestaciones desde un punto de vista digital, agrupan señales digitales de velocidades bajas en una de mayor tasa (2,5; 10 ó 40Gbit/s) aprovechando más el ancho de banda del canal óptico. OADM Y ROADM OADM (Optical Add & Drop Multiplexer) es un dispositivo utilizado en los sistemas de multiplexación de longitud de onda para multiplexar y enrutar diferentes canales de luz dentro de una fibra monomodo. El dispositivo tiene las siguientes capacidades: Agregar uno o más canales de longitud de onda a una señal existente Add

11 Retirar uno o más canales Drop, enrutando esas señales a otra trayectoria dentro de la red. ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) es parecido al OADM pero le añade la opción de ser reconfigurado a distancia lo que permite una monitorización del mismo desde cualquier lugar para poder conmutar tráfico de sistemas WDM. Esto permite tratar a las lambdas independientemente sin tener que convertir las señales a eléctrico y después a óptico para regenerarlas. Las principales ventajas del ROADM son: No hace falta asignar un ancho de banda específico ya que este se puede cambiar cuando sea necesario. Permite configurarse y reconfigurarse cuando sea necesario de forma remota, incluso lambda a lambda.

12 ENCRIPTACIÓN CUÁNTICA La encriptación cuántica es un método que consiste en manipular la luz para crear patrones más complejos que una simple secuencia binaria, que es lo que se utiliza en el caso de la encriptación tradicional. Esta información, por lo tanto, contiene demasiado ruido, haciendo que sea más difícil de crackear. Esta nueva tecnología, además, acelera el proceso de envío de mensajes a través de Internet. Este sistema utiliza la propiedad intrínseca de los fotones o partículas de luz para transferir datos entre los ordenadores. Cuando los fotones están polarizados pueden transportar información. Una secuencia de fotones polarizados es capaz de transportar una clave inviolable para encriptar y desencriptar mensajes secretos. Además, si alguien con intenciones de espiar interviene la transmisión, su presencia es detectada de inmediato, dado que esta interferencia contamina la señal. VENTAJAS DE LOS NUEVOS SISTEMAS Y COMO ESTO PERMITE UNA OPORTUNIDAD DE NEGOCIO Las redes ópticas actuales se caracterizan por ofrecer gestión dinámica de las longitudes de onda directamente en el dominio óptico, proporcionando ventajas significativas con respecto a las redes anteriores. Asimismo, el número de canales es mayor y existe una monitorización de prestaciones más sofisticada que se realiza sobre cada canal óptico. Por medio de láseres sintonizables y filtros, junto con tarjetas de interfaz de múltiples

13 velocidades, se puede realizar la gestión dinámica de longitudes de onda en el dominio óptico de una forma rápida y eficiente. Por ejemplo, si en algún momento un cliente solicita más ancho de banda del que tiene contratado, al estar la red monitorizada se le puede asignar una lambda determinada durante el tiempo requerido, este servicio es conocido como ancho de banda bajo demanda o bandwidth on demand. Sin embargo, la clave para ganar clientes consiste en su habilidad para proporcionar nuevos servicios o cambiar la capacidad de los existentes de forma rápida. Esto sucedería cuando un operador que ya tiene su propia red de fibra óptica cambia todos sus equipos por lo que tendría mas capacidad y mas lambdas disponibles para alquilar por lo que puede ofrecer el servicio de ancho de banda bajo demanda mencionado anteriormente. OPERADOR INCUMBENTE CON FIBRA SOBRANTE En este apartado tenemos que contemplar el caso de un operador que tiene su red desplegada le sobran fibras ópticas por lo que decide alquilarlas para que otras personas su propia operadora, para que sean proveedores de servicios, de este modo nosotros tendríamos dos grandes y diferenciados mercados y oportunidades de negocio: Una como operador de operadores que contamos con las ventajas de que aunque a nosotros no nos vayan bien las cosas si ellos funcionan obtendríamos ganancias igualmente. Por otra parte nosotros podríamos ofrecer al cliente final los mismos servicios que el operador por lo que tendríamos dos fuentes principales de ingresos. Esto claro esta solo seria posible si tuviésemos fibra óptica que no utilizásemos pero no como en el apartado anterior que nos sobrasen lambdas sino fibras ópticas completas, claro esta que si esto es posible, es gracias a todos los equipos nombrados anteriormente como a la tecnología DWDM. FUTURO Los continuos avances de la tecnología óptica prometen continuar cambiando las redes ópticas. El impacto de la nueva capa óptica en las telecomunicaciones es asombroso. Esto se puede identificar de dos formas diferentes: Económico: el impacto económico y la habilidad de ofrecer nuevos servicios. Óptico: la tecnología de la red aumenta lo que aun teniendo la misma fibra óptica el tráfico pueda aumentar hasta 40 veces lo que teníamos antes, con lo que abarataríamos los costes. Aun mas consumidores podrían acceder a redes de banda ancha con nuevos servicios los cuales hoy en dia nos pareces extremadamente caros o imposibles, clara aportación a esto es que ya se piensa en la UDWDM (Ultra DWDM). En definitiva la fibra óptica nos cambiara la vida por completo.

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