DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

Transcripción

1 DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Preparado por: José Fernando Sánchez S Sistemas de Comunicaciones Avanzadas UNITEC (Abril-Julio 2009)

2 Introducción Incremento del ancho de banda necesario para el soporte de aplicaciones multimedia, Arquitectura Cliente Servidor y Procesamiento Distribuido El desarrollo de la infraestructura de fibra óptica ha apoyado la interconexión de puntos distantes con gran necesidad de ancho de banda (100 Mbps a 10 Gbps) brindando beneficios extendidos Investigaciones han determinado que el Diodo Laser (LD) y la Fibra Optica Monomodo son incompatibles al analizar los problemas de eficiencia del haz de luz con el nucleo de la fibra por los modos transversales de alto orden emitidos por los LD El uso de la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) ha incrementado esta capacidad entre (Desde 40 Gbps hasta +1 Tbps.) llegando a redes bidireccionales multicanales de transmisión coherente que contienen equipos ópticos totalmente pasivos.

3 Uso de WDM en Redes de Proveedores de Contenido Proveedores de contenido Core 10G OADM WDM ISP Backbone STM-XX STM-XX STM-XX Acceso ULTIMA MILLA Grandes empresas Soho/ Pymes Sector residencial

4 Que es WDM? Tecnología que acopla varias longitudes de onda en una misma fibra con el objetivo de tener varios canales de transmisión con el consiguiente incremente del ancho de banda agregado por fibra a la taza de transmisión (Bitrate) de cada longitud de onda. Ejemplo: 40 longitudes de onda λ a 10 Gbps por λ en una misma fibra incrementa el agregado a 400 Gbps lo que representa solo una fracción del potencial total de las Fibras Opticas.

5 Tecnología WDM

6 Tecnologías clave en Sistemas WDM

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8 Que es OFDM? Acrónimo de Optical Frecuency Division Multiplexing empleado en los primeros días de WDM. En OWDM el espaciado entre cada longitud de onda esta en el orden de 1 nm. En OFDM esta en relación con la tasa de transmisión de la señal. En WDM cada canal representa un flujo de bits llevado por una portadora diferente. Diferentes canales pueden llevar datos a tasas de transmisión distintas que pertenecen a servicios diferentes (Video, Voz, ATM, SDH, etc).

9 Ahora Dense WDM Tecnología que acopla un mayor número de longitudes de onda en una misma fibra (λ 40). Usualmente los equipos de DWDM pueden acoplar 40, 80 o 160 longitudes de onda. Ejemplo: 55 longitudes de onda λ a 20 Gbps por λ en una misma fibra incrementa el agregado a 1,1 Tbps.

10 Opciones de incremento en la capacidad de las redes More Fibers (SDM) Igual tasa de bits, mas fibras Mercadeo lento Costos de Ingeniería altos Derechos de paso limitados Ductos de salida W D M Misma fibra y Tasa de bits, mas ls Compatibilidad en la fibra Libera capacidad en la fibra Mercadeo rapido Bajos gastos de posesión Utiliza equipos de TDM existentes Faster Electronics (TDM) Mayor tasa de bits, misma fibra Electrónica mas costosa

11 Redes de fibra Multiplexado por División de Tiempo (TDM) Channel 1 Una sola longitud de onda por fibra Multiples canales por fibra 4 canales OC-3 en un OC-12 4 canales OC-12 en un OC canales OC-3 en un OC-48 Multiplexado por división de longitud de onda (WDM) Multiples λ por fibra 4, 16, 32, 64 canales por sistema Multiples canales por fibra Channel n l1 l2 ln Single Fiber (One Wavelength) Single Fiber (Multiple Wavelengths)

12 Comparación de TDM y DWDM TDM (SONET/SDH) Toma señales síncronas y asíncronas y las multiplexa en una tasa óptica de orden superior Conversión E/O o O/E/O DS-1 DS-3 OC-1 OC-3 OC-12 OC-48 SONET ADM Fiber (D)WDM Toma múltiples señales ópticas y las multiplexa en una sola fibra No hay conversión de formato de la señal OC-12c OC-48c OC-192c DWDM OADM Fiber

13 DWDM versus TDM DWDM puede dar incrementos en las capacidades a las cuales TDM no puede acomodarse Sistemas TDM de mas altas velocidades son muy costosos

14 Historia de DWDM Principios de WDM (Finales de los 80s) Dos longitudes de onda ampliamente separadas (1310, 1550nm) Segunda generacion WDM (Principios de los 90s) Dos a ocho canales en la ventana de 1550 nm 400+ GHz espaciamiento Sistemas DWDM (mediados de los 90s) 16 a 40 canales en la ventana de 1550 nm 100 a 200 GHz espaciamiento Próxima generacion de Sistemas DWDM (Actual) 64 a 160 canales en la ventana de 1550 nm 50 y 25 GHz espaciamiento 14

15 Por qué DWDM (Caso de Negocio) Conventional TDM Transmission 10 Gbps 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km TERM TERM RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 TERM RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 TERM RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR RPTR RPTR RPTR RPTR RPTR RPTR RPTR TERM TERM TERM TERM OC-48 OC-48 OC-48 OC-48 OA DWDM Transmission 10 Gbps 120 km 120 km 120 km OA OA OA OC-48 OC-48 OC-48 OC-48 4 Fibers Pairs 32 Regenerators 1 Fiber Pair 4 Optical Amplifiers

16 Fundamentos económicos WDM Fibra subterranea o submarina Fibra existente Manejo de derechos de paso Alquiler o compra Excavaciones Consumen tiempo, trabajo intenso, costos de patentes $15,000 a $90,000 por Km Regeneradores 3R Espacio, potencia Re-shape, re-time and re-amplify Administración de red simplificada Estratificación, Menos complejidad, less elements

17 Caracteristicas de una red WDM Caracteristicas de Longitudes de onda Transparencia Puede transportar multiples protocolos sobre la misma fibra El monitoreo puede conocer multiples protocolos Espaciamiento de longitudes de onda GHz, 100GHz, 200GHz Define cuantas y cuales longitudes de onda pueden ser usadas Capacidad de las longitudes de onda Ejemplo: 1.25Gb/s, 2.5Gb/s, 10Gb/s

18 Bandas de Transmisión Optica Banda Longitud de onda (nm) Nueva Banda Banda S Banda C Banda L Banda U

19 Características de atenuación en la fibra Attenuation vs. Wavelength S-Band: nm L-Band: nm 2.0 db/km Fibre Attenuation Curve 0.5 db/km 0.2 db/km Wavelength in Nanometers (nm) C-Band: nm

20 Caracteristicas de una red WDM Multiplexado de sub-longitudes de onda o MuxPonding Posibilidad de colocar múltiples servicios en una sola longitud de onda

21 Por qué DWDM? Argumento Técnico DWDM provee enormes capacidades de transmisión escalable No limitado por la velocidad de la electrónica disponible Sujeto a tolerancias holgadas de dispersión y No-linealidad Capaz de airosa capacidad de crecimiento

22 DWDM Fundamentos Clave A B C l1 l2 l3 Wavelength Division Multiplexer Fibre l1 + l2 + l3 Wavelength Division Demultiplexer l1 l2 l3 X Y Z Multiples canales de información sobre la misma fibra, cada uno usa una λ individual Dense WDM is WDM utilizando espaciamiento cercano de canales Espaciamiento de canales reducido a 1.6 nm o menos Forma rentable de incrementar capacidad sin reemplazar fibra Sistemas comerciales disponibles con capacidades de 32 canales y hasta mas con tasas de transmisión > 80 Gb/s por fibra Permite nuevas topologías de redes ópticas, por ejemplo anillos metropolitanos de alta velocidad Los amplificadores ópticos son tambien un componente clave

23 Muestreo de una señal DWDM Multiplexer Optical Output Spectrum for an 8 DWDM channel system, showing individual channels Source: Master 7_4

24 Transmisión en Terabits usando DWDM Tasa de bits de 1.1 Tbits/sec (más de 13 millones de canales telefónicos) 55 longitudes de onda a 20 Gbits/sec cada una Operación en 1550 nm sobre los 150 km con compensación de dispersión Ancho de banda de nm a nm (0.6 nm de espaciamiento)

25 Opciones de Expansión

26 Opciones de capacidad de Instalar más fibra expansión (I) Instalar nueva fibra es costoso ( o más por km) Rutas de fibra requieren derecho de paso Pueden requerirse regeneradores y/o amplificadores adicionales Instalar más elementos de red SDH sobre redes de fibra disponibles Pueden requerirse regeneradores y/o amplificadores adicionales Se necesita mas espacio en la infraestructura existente

27 Instalar elementos de red SDH de mayor velocidad Velocidades sobre STM-16 no son triviales de desarrollar e instalar Los precios de puntos STM-64 no han bajado lo suficiente Opciones de expansión no visibles mas allá de 10 Gbit/s Puede necesitarse un rediseño de la red Instalar DWDM Opciones de capacidad de expansión (II) Capacidad incremental de expansión mas allá de 80 Gbits/s Permite reusabilidad de la infraestructura base instalada

28 DWDM Ventajas y Desventajas

29 Una mayor capacidad de fibra Una mas facil expansión de la red No se requiere nueva fibra Ventajas de DWDM Solo añadir una nueva longitud de onda Costo incremental por un nuevo canal añadido es bajo No se necesita reemplazar muchos componentes, tales como amplificadores ópticos Sistemas DWDM capaces de abarcar extensiones mayores Solución TDM utilizando STM-64 es mas costosa y más susceptible a dispersión cromática y dispersión por modo de polarización (PMD) Se puede migrar a STM-64 cuando la economía mejore

30 Desventajas de DWDM No rentable para números bajos de canales Costo fijo de multi/demultiplexores, transponder, y otros componentes del sistema Introduce otro elemento, el dominio de la frecuencia, al diseño y administración de la red Los sistemas de administración de redes SONET/SDH no estan bien equipados para manejar topologías DWDM Se estan desarrollando monitoreos de desempeño y metodologías de protección de DWDM

31 DWDM: Asuntos comerciales DWDM esta instalado a gran escala en EEUU Mayores proporciones de enlaces mayores a 1000km Temprana aparición de fibra agotada" (saturación de capacidad) in El mercado esta alcanzando su mejor momento en Europa y Latinoamérica Incremento en el tráfico de los operadores ha desarrollado DWDM Nuevos participantes particularmente inclinados a usar DWDM en Europa Necesidad de infraestructura escalable para poder cumplir con la demanda a medida que vaya creciendo DWDM permite incremento de capacidad incremental DWDM es percibido como parte integral de nuevas estrategias de mercado

32 Estandares DWDM Source: Master 7_4

33 ITU Recommendation is G.692 "Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers" G.692 includes a number of DWDM channel plans Channel separation set at: 50, 100 and 200 GHz DWDM Standards equivalent to approximate wavelength spacings of 0.4, 0.8 and 1.6 nm Channels lie in the range nm to nm (so-called C-Band) Newer "L-Band" exists from about 1570 nm to 1620 nm Supervisory channel also specified at 1510 nm to handle alarms and monitoring Source: Master 7_4

34 Bandas ópticas espectrales 2da Ventana Banda O 5ta Ventana Banda E Banda S Banda C Banda L Longitud de onda (nm)

35 Bandas ópticas espectrales

36 Espaciamiento de Canales Tendencia a espaciamientos de canal más pequeños para incrementar la cuenta de canales Espaciamiento de canales recomendado por la ITU es 0.4 nm, 0.8 nm y 1.6 nm (50, 100 y 200 GHz) Espaciamientos propuestos de 0.2 nm (25 GHz) y aún 0.1 nm (12.5 GHz) Requiere de fuentes laser con excelente estabilidad de longitud de onda a largo término, mejor que 10 pm Un objetivo es permitir mas canales en la banda C sin otras actualizaciones 0.8 nm Longitud de onda (nm)

37 G.692 Representación de un Sistema Standard DWDM

38 Componentes DWDM

39 Sistema DWDM DWDM Multiplexer Optical fibre Receivers Power Amp Line Amp Line Amp Receive Preamp Transmitters 200 km DWDM DeMultiplexe r Cada longitud de onda se comporta como si tuviera su propia fibra virtual" Se necesitan amplificadores ópticos para superar las pérdidas en multi/demultiplexores y largas extensiones de fibra

40 DWDM: Componentes típicos Componentes Pasivos: Filtro de Ganancia de ecualización para amplificadores de fibra Demultiplexor basado en rejillas Bragg Arreglo de Guías de Onda Multiplexores/Demultiplexores Acoplador de inserción/extracción (Add/Drop Coupler) Componentes Activos/Subsistemas: Transceivers y Transponders Lasers DFB de acuerdo a la especificación de longitudes de onda de la ITU Amplificadores EDFA s de respuesta plana para DWDM

41 Sistema DWDM con Add-Drop DWDM Multiplexer Add/Drop Mux/Demux Receivers Transmitters Power Amp Optical fibre 200 km Line Amp Receive Preamp DWDM DeMultiplexe r Cada longitud de onda aún se comporta como si tuviera su propia fibra virtual" Longitudes de onda pueden ser insertadas o extraídas según se requiera en localidades intermedias

42 Sistemas Típicos DWDM Fabricante & Sistema Número de Canales Espaciamien to de Canales Velocidades de Canal Máxima Tasa de Bits (Tb/s) Nortel OPtera 1600 OLS nm 2.5 ó 10 Gb/s 1.6 Tbs/s Lucent Alcatel Marconi PLT40/80/160 40/80/ , 0.8 nm 2.5 ó 10 Gb/s 1.6 Tb/s

43 Desempeño de DWDM para 2008 Diferentes sistemas integran redes nacionales y metropolitanas Sistemas principales típicos actualmente proveen: 40/80/160 canales Tasas de Bits hasta 10 Gb/s con algunas a 40 Gb/s Interfases para SDH, PDH, ATM etc. Capacidad Total hasta 10 Tb/s + Operación en Banda C + L y algunos en banda S Sistemas disponibles por NEC, Lucent, Marconi, Nortel, Alcatel, Siemens, Huawey etc.

44 Optical Amplifiers Animation Extensión de Sistemas DWDM P km R P R L Power/Booster Amp Receive Preamp Line Amp P L L R up to km P L 3R Regen L R km

45 Recomendación de la ITU es G.692 "Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers" G.692 incluye un número de planes de canales DWDM Separación de canales fijada a: 50, 100 y 200 GHz Estandares DWDM Equivalente a espaciamientos de longitud de onda aproximados de 0.4, 0.8 y 1.6 nm Canales situados en el rango nm a nm (También llamada Banda- C) La reciente "Banda-L" existe desde 1570 nm hasta 1620 nm Canal supervisorio también especificado a 1510 nm para el manejo de alarmas y monitoreo

46 Multiplexado de 16 Canales 16 wavelengths used (8 in each direction). Remains 200 Ghz frequency spacing Further expansion ports available to allow even denser multiplexing Red band = to 1561 nm, blue band = to nm

47 Transmisión Bidireccional usando WDM Source: Master 7_4

48 Transmisión Convencional (Simplex) El enfoque más común es una fibra / una dirección" Esto se denomina transmisión "simplex" Enlazar dos localidades involucrará dos fibras y dos transceivers Transmitter Receiver Receiver Local Transceiver Fibres x2 Transmitter Distant Transceiver Source: Master 7_4

49 Bi-direccional usando WDM Son posibles ahorros significativos con la denominada transmisión bi-direccional usando WDM Esto se denomina transmisión "full-duplex" Se utilizan longitudes de onda individuales para cada dirección Enlazar dos localidades involucrará solo una fibra, dos multi/demultiplexores WDM y dos transceivers Transmitter la WDM Mux/Demux A l A WDM Mux/Demux B lb Transmitter Receiver l B Local Transceiver l B Fibre l A Receiver Distant Transceiver

50 DWDM Bi-direccional Se utilizan longitudes de onda diferentes para la transmisión en cada dirección Típicamente las bandas se denominan: La Banda Roja", Mitad superior de la Banda-C hasta 1560 nm La "Banda Azul", Mitad inferior de la Banda-C desde 1528 nm Transmitter l 1R l 1B Transmitter Transmitter Transmitter l 2R l nr DWDM Mux/Demux Red Band DWDM Mux/Demux l 2B l nb Transmitter Transmitter Receiver l 1B Blue Band l 1R Receiver Receiver l 2B Fibre l 2R Receiver Receiver l nb l nr Receiver

51 La necesidad de una banda de guarda Para evitar interferencias las bandas Roja y Azul deben estar separadas Esta separación se denomina Banda de Guarda La Banda de Guarda tiene típicamente alrededor de 5 nm La Banda de Guarda desperdicia espacio espectral, desventaja de DWDM bi-direccional Blue channel band G u a r d B a n d Red channel band 1528 nm 1560 nm

52 Transmisión Bi-direccional usando FDM (Multiplexado por División de Frecuencias) TRANSMITTER A Frequency Fa RECEIVER A Fibre Coupler Fibre, connectors and splices Fibre Coupler RECEIVER B Frequency Fb TRANSMITTER B Transmisor A se comunica con Receptor A usando una señal en la frecuencia Fa Transmisor B se comunica con Receptor B usando una señal en la frecuencia Fb Cada receptor ignora señales a otras frecuencias, así por ejemplo el Receptor A ignora la señal en la frecuencia Fb

53 Transmisión Bi-direccional usando WDM (Multiplexado por División de λ) TRANSMITTE R A 1330 nm RECEIVER A WDM Mux/Demux Fibre, connectors and splices WDM Mux/Demux RECEIVER B 1550 nm TRANSMITTE R B Transmisor A se comunica con el Receptor A usando una señal en 1330 nm Transmisor B se comunica con el Receptor B usando una señal en 1550 nm Filtros multi/demultiplexores WDM extraen la longitud de onda requerida tal que por ejemplo el Receptor A sólo recibe señales a 1330 nm

54 Componentes DWDM

55 Componentes DWDM 850/ xx l1 l2 l1...n Transponder l3 Optical Multiplexer l1 l2 l3 l1...n l1 l2 l3 Optical De-multiplexer Optical Add/Drop Multiplexer (OADM)

56 Más componentes DWDM Optical Amplifier (EDFA) Optical Attenuator Variable Optical Attenuator Dispersion Compensator (DCM / DCU)

57 Arquitectura Típica de una red DWDM DWDM SYSTEM DWDM SYSTEM VOA EDFA DCM DCM EDFA VOA Service Mux (Muxponder) Service Mux (Muxponder)

58 Aún esta en su infancia Costosa si se compara con propuestas de un solo canal a 10 Gbits/sec Solo para Fibra Monomodo WDM in LANs Productos típicos de ADVA Networking y Nbase-Xyplex Los Productos usan un pequeño número de canales (hasta 4) (Telecoms WDM es tipicamente de 32 +) Longitudes de onda alrededor de 1320 nm, Sistemas de Telecomunicaciones usan nm Nbase-Xyplex System

59 High Density DWDM

60 Aprovechando la capacidad de la Fibra Registros recientes de Capacidades DWDM Fecha Fabricante Canales Capacidad Total April 2000 Lucent Terabits/sec September 2000 Alcatel Terabits/sec October 2000 NEC Terabits/sec October 2000 Siemens Terabits/sec March 2001 Alcatel Terabits/sec March 2001 NEC Terabits/sec Nota: Capacity de una fibra es 1000 x 40 Gbits/s = 40 Tbits/s por fibra

61 Ultra-High Density DWDM Hasta el presente los sistemas comerciales utilizan tipicamente 32 canales Se han alcanzado y demostrado sistemas comerciales de 80+ canales Lucent ha demostrado un sistema de 1,022 canales Solo opera a 37 Mbits/s por canal 37 Gbits/s totales usando espaciamiento de canales de 10 GHz, también llamado Ultra-DWDM ó UDWDM Escalable a Tbits/sec?

62 3.28 Terabit/sec DWDM Demostración de Lucent (Abril 2000) 3.28 Tbits/s sobre 300 km de fibra Lucent TrueWave Por canal la tasa de bits fué de 40 Gbits/s 40 canales en la Banda-C y 42 canales en la Banda-L Utilizó Amplificación Distribuida de Raman

63 10.9 Terabit/sec DWDM Demostración de NEC en Mazo Tbits/sec sobre 117 km de fibra 273 canales at 40 Gbits/s por canal Utiliza transmisión en las Bandas C, L y S. Thulium Doped Fibre Amplifiers (TDFAs) fueron usados para la Banda-S Thulium Doped Amplifier Spectrum (IPG Photonics)

64 DWDM en Venezuela

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