PANORAMA DE LAS COMUNICACIONES ÓPTICAS

PANORAMA DE LAS COMUNICACIONES ÓPTICAS Ing. Aurelio Bazán Sánchez S INDICADORES Y TENDENCIAS TECNOLÓGICAS Tráfico Global Total Tráfico de datos Total Tráfico de voz 6000 4000 2000 0 1998 2000 2002 2004 2006 Source: Arthur D. Little 2008 1

CRECIMIENTO DEL TRÁFICO LA DEMANDA DE ANCHO DE BANDA ESTÁ CRECIENDO EXPONENCIALMENTE Demanda relativa de ancho de banda 60 50 40 30 20 10 0 Fuente: Lightwave, Voz (45%/año) 1990 1995 2000 2005 2010 Año El tráfico generado por Internet se incrementa constantemente 2

MERCADO ÓPTICO MUNDIAL TIPOS DE FIBRAS F ÓPTICAS PARA APLICACIONES ESPECÍFICAS Ciudad distante Anillo regional entre ciudades Transporte de larga distancia entre países Anillo Metro Acceso de bucle 1 a 5km Submarino 2 a 30km entre centrales Fibra óptica de dispersión desplazada no-cero Fibra óptica específica para aplicaciones metropolitanas Fibra óptica específica para aplicaciones de corto alcance 3

Redes Metropolitanas STM-16 /4/1 y varias λs Acceso de banda amplia STM-64/16 Acceso metropolitano decenas Km varias λs Segmento principal metropolitano Redes Empresariales STM -16/4/1 decenas Km λs Largo alcance Generalmente submarino G Ethernet, 2 Km y varios λs SOLUCIONES EMPRESARIALES Alta Velocidad LAN Inalambricas Energía Sistemas Ópticos de Datos Redes de Datos 4

Ancho de Banda LAN (Mbit/s) 1000 EVOLUCIÓN N DE LAS REDES LAN EMPRESARIALES 10GE Gigabit Ethernet? 100 100M FDDI 100M Ethernet 10 1 10M Thick Coax Ethernet 4M Token Ring (STP) 10M Thin Coax Ethernet 10Base-T 0.1 1980 1985 1990 1995 2000 SELECCIÓN N DE LA FIBRA ÓPTICA Y PLANIFICACIÓN N 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 decir, los sistemas de la siguiente generación serán desarrollados cada 5-7 años, con un rendimiento drásticamente óptica para mejorado proteger y la un inversión menor costo n en la por red! unidad de 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). Es muy importante considerar el potencial futuro de la fibra 5

CAPACIDAD DE LOS CABLES DE FIBRA ÓPTICA 10 6 10 5 10 4 Gb/s * km 10 3 10 2 10 1 1.0 0.1 1975 1985 1990 1995 2000 Año 2005 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 λ 1 λ 2 λ Fibra con 1λ 3 λ a (ejm) STM-16 4 WDM Ejemplo: 16λs a OC-192 ó STM-64 por λ λ 16 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 1.20 ATTENUATION (db) 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 2 5 3 4 6 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 WAVELENGTH (nm) Standard AllWave TM PARÁMETROS DE LA FIBRA F ÓPTICA Atenuación Fibras ópticas multimodo y monomodo Dispersión cromática Fibras ópticas multimodo y monomodo Dispersión del modo de polarización (PMD) Fibras ópticas monomodo Efectos no lineales 8

EDFA Filtros INTENSITY ASE Spectrum with ASE Wavelength Spe Flattening ctru m ASE = Amplified Spontaneous Emission 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 Narrow Band Lens Filter SMF Input Channel 1 Channel 8 Optical Corporation of America Patent # 4,768,849 WAVELENGTH Fiber Bragg Grating Array Waveguide Grating Optical Fiber Bragg Grating Region Input Star Coupler Waveguide Output Coupler Reflected Wavelength Transmitted Wavelength Channels 1 to N 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 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 40 x 10 Gb/s 8 x 40 Gb/s 80 x 40 Gb/s 320 Gb/s 400 Gb/s 3200 Gb/s 9

4 Economía a de transporte de grandes distancias DWDM de 40Gb/s con NZDSF es la solución n más m s rentable TDM de 2.5 Gb/s con USF Costo relativo del sistema 3 2 1 TDM de 10 Gb/s con USF TDM de 10 Gb/s con NZDSF DWDM de 2.5 Gb/s con USF DWDM de 10 Gb/s con USF DWDM de 10 Gb/s con NZDSF 10 Gb/s 20 Gb/s 30 Gb/s 40 Gb/s 50 Gb/s ECONOMÍA A DEL TRANSPORTE 1.0 STM-4 Precio relativo ($/bit) 0.8 0.6 0.4 STM-16 STM-64 0.2 Las velocidades TDM se incrementan por un factor de cuatro STM-256 Pero 0 el incremento del precio relativo es sólo de entre 2 y 2.5 Esto significa 0.622 que el costo por bit 2.5 está bajando alrededor 10 del 40% sólo 40debido a TDM Velocidad binaria TDM (Gbs/s) 10

PROGRESO DE LA TRANSMISIÓN ÓPTICA Año 1980 1986... 1991 1994 1998 2005 Bit Rate Mb/s 45 417.. 2,488 9,953 40x 2,448 80x40,000 Total de Canales Voice TV 672 6,048.. 32,256 129,024 1,290,240 Más de 40M 1 9.. 48 192 1,920 Más de 60,000 CABLES SUBMARINOS DE FIBRA ÓPTICA POLIETILENO HD CUBIERTA NUCLEO OPTICO RELLENO CONDUCTOR 11

CONFIGURACIÓN N 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 Digital Crossconect Line Terminal Unit Line Terminal Unit Digital Crossconect PFE PFE 12

CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA TERMINAL DE CABLE SUBMARINO W T U E Q U 10G LTU RLTU 1 fiber pair LTU: Line Terminating Unit RLTU: Redundant Line Terminating Unit WTU: Wavelength Terminating Unit PFE LME NEOS EQU: Dispertion Equalization Unit LME: Line Monitoring Equipment PFE: Power Feeding Equipment NEOS: Network Element Operating System Block diagram of WTU#1 Optical Input From EQU MX SHELF CH1 CH2 CH3 MUX EQ SHELF EDFA REP SHELF Raman EDFA C-OTDR IN Optical output to the submarine system CH14 CH15 CH16 From WTU#2 LME IN C-OTDR PATH Optical Output to EQU DX SHELF CH1 CH2 CH3 MUX CH14 CH15 CH16 EDFA Optical Input from the submarine system 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 Input (UP) Er-doped Fiber WDM Coupler Isolator Gain Equalizer Output (UP) Pump Laser Pump Controller Supervisory Circuit Er-doped Fiber Output (DOWN) Power Circuit Gain Equalizer Isolator WDM Coupler 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 Tx λ2 λ3 W D M M λ2 λ3... AO RED DE TRANSMISIÓN OADM AO W D M TRANSPONDEDORES D Rx λm Interfaz óptica de la red de transporte λk λp Interfaz óptica de la red de transporte RED DE TRANSPORTE 20

INTERACCIÓN N EN REDES ACTUALES INFRAESTRUCTURA ÓPTICA TENDENCIAS DE EVOLUCIÓN N 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 Conmutador ATM Crossconnect SDH Router IP NO NO Crossconnect SDH NO NO Router IP NO Anillo Óptico NO NO Crossconnect SDH NO Ambiente totalmente óptico Crossconnect SDH NO NO NO PSX+F+ ADM+... Conmutador ATM Último elemento Óptico (O/E) de la Red 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 GESTIÓN N DEL NIVEL DE SERVICIO Sistema de Gestión n de Conmutación Sistema de Gestión n de La Capa Óptica Sistema de Gestión n de SDH Servidor SDH-MUX Ambiente Óptico SDH-MUX Servidor TX ELÉCTRICO/ÓPTICO ÓPTICO TR INTERCONEXIÓN DE LOS SISTEMAS DE GESTIÓN 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 SUPERVISIÓN N DE UN CONMUTADOR ÓPTICO λ2 λ3 λ4... λn λ2 λ3 λ4... λn λ2 λ3 λ4... λn λ2 λ3 λ4... λn λ2 λ3 λ4... λn 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 CONEXIÓN N ENTRE SUB-REDES Nodos concentradores Nodos periféricos DH Anillo cerrado DIAGRAMA DEL MÓDULO M DE PROTECCIÓN Ruta activa λ2 λ3 λ4... λn Ruta de reserva λ2 λ3 λ4... λn DMUX DWDM Detectores de Potencia Detectores de Potencia Hacia el Receptor 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 TOPOLOGÍA A ANILLO A OMEGA Par de fibras de trabajo Nodo concentrador duplicado (1+1) Dual Homing Par de fibras de protección Nodo periférico, donde se duplica la portadora TOPOLOGÍA OMEGA VISTO COMO BUS ABIERTO Nodo concentrador Par de fibras de protección Par de fibras de trabajo 26

ESQUEMA DE 2 FIBRAS DE TRABAJO + 2 DE PROTECCIÓN Par de protección 2 Fibras Rx Tx Tx Rx Par de trabajo 2 Fibras NODO CONCENTRADOR De A Para B λ4 λ2 OADM OADM λ2 λ3 De B Para A MUX DMUX Para C λ3 λ4 De C 27

NODO PERIFÉRICO RICO Par de fibras de protección O-Tx Protección Diversidad Espacial OADM λ2 E-Rx Protección λ2 O-Rx Protección λ2 O-Tx Trabajo O-Rx Trabajo OADM OADM Módulo de Protección λ2 Portadora seleccionada OADM Divisor Inserción de portadoras E-Tx Protección E-Rx Trabajo E-Tx trabajo Par de fibras de trabajo ORIGEN Divisor Óptico Inserción Desde la Red de Transporte A INTERCONEXIÓN N DE OMEGAS Duplicación de Portadora Enlace punto a punto sin protección Las rutas de trabajo y protección están abiertas DESTINO Módulo de Protección Selección de Portadora Red de Transporte B Nodos concentradores Módulo de protección y selección de portadora Redirección de la portadora Omega/Bus Destino Omega/Bus Origen 28

Nodos periféricos DESTINO Módulo de Protección Selección de las mejores portadoras ópticas Redirección de portadora Diversidad espacial en las fibras Red de Tránsito Las rutas de trabajo y Proteción están abiertas en algún tramo Los nodos concentradores se conectan mediante una fibra (enlace punto a punto sin protección) Omega/Bus DESTINO Omega/Bus TRÁNSITO Duplicación de portadoras Divisor óptico Omega/Bus ORIGEN ORIGEN INTERCONEXIÓN N DE SUBREDES CON MATRICES DE CONMUTACIÓN ÓPTICA Rutas de Protección Rutas de Trabajo 29

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 λ2 λ3 λ4 λ2 λ3 λ2 λ3 λ2 λ3 λ4 λ4 λ4 λ2 λ3 λ4 λ2 λ3 λ2 λ3 λ2 λ3 λ4 λ4 Conmutadores espaciales λ4 30

VARIACIÓN N DE LOS NIVELES DE POTENCIA EN LOS CANALES DE SALIDA DE UN CONMUTADOR ÓPTICO 1 Diferentes Niveles de entrada PSX Salida compensada 1 + 2 + 3 = 3 Respuesta imperfecta de nivel del PSX Variaciones de algunos db. Otros problemas acumulados 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 Pre amp MONITOREO Y COMPENSACIÓN N DE UN CONMUTADOR ÓPTICO Pre-amps, post-amps o VOAs compensan las pérdidas a 0 db PSX λ 1 λ 2 VOAs Post amp VOAs compensa las variaciones de las pérdidas por canal λ n Control Monitoreo por canal verificación de la conexión calidad de la señal Post-amps compensa las pérdid. por tránsito Hacia y desde el Sistema de Gestión y Control VOA: Variable Optical Attenuator/ Amplifier El monitoreo permite: Ver el comportamiento y gestionar las fallas Protección y restauración Compensación de pérdidas Compensación de la dispersión 31

GESTIÓN N DE LA CONEXIÓN N DE LONGITUD DE ONDA End-to to-end End-point End-point λ Red totalmente óptica λ Fibra Gestión y control Nodo PSX Capa de EXC IP / ATM / EXC PSX 1550nm drop add pass-through pass-through End-points 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 PSX Localidad Z Localidad A O/E/O O/E/O PSX: Photonic Switch/Cross-Connect O/E/O: Optical to Electrical to Optical Toda la red de transmisión es óptica 32

EVALUACIÓN N DE LAS REDES TOTALMENTE ÓPTICAS - Costo Costo por puerto Límite EXC PSX Sin incremento Gbit/s por puerto EXC: Electronic Cross-connect PSX: Photonic Switch/Cross-Connect Menor costo PERFORMANCE DE LAS REDES TOTALMENTE ÓPTICAS Potencia Relativa usada EXC PSX Tecnología Transparencia Más s del 90% menor de potencia requerida vs. sistemas 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. Fibra 1 Fibra 2 λ2 λ2 Fibra 3 λ3 λ3 Nueva demanda: A B Nueva demanda: A B A A A A A Translado no requerido B B Translation Bat regeneration node B B B 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