ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE REDES QUE UTILIZAN WDM A TRAVÉS DEL SOFTWARE DE SIMULACIÓN OPTISYSTEM ANALYSIS OF PERFORMANCE OF NETWORKS WITH WDM USING SIMULATION SOFTWARE OPTISYSTEM Dayana Hernández Rodríguez 1, Heidy Veitía Pérez 2, Marysleivy Martín Roque 3 1 Empresa Eléctrica Provincial de Sancti Spíritus, Cuba, dhernandez@elecssp.une.cu, Angel Montejo No.2 entre Mambí y Tejar, Reparto Pina, municipio Sancti Spíritus, provincia Sancti Spíritus Código Postal: 60100 2 Centro de comunicaciones Villa Clara, Cuba, heidyvp@uclv.cu 3 Universidad de Sancti Spíritus José Martí Pérez, mmartin@uniss.edu.cu RESUMEN: La presente ponencia como parte de un proyecto de investigación de redes de fibra óptica desarrollado por la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central de Las Villas tiene el objetivo de evaluar los parámetros que pueden influir en el diseño o desarrollo de una red óptica con WDM a través del uso de la simulación. En la ponencia se hace una caracterización general de la tecnología de Multiplexación por División en Longitudes de Onda (WDM), se presentan los componentes principales de una red óptica que utiliza WDM y los parámetros fundamentales que definen su capacidad y eficiencia. Se expone la importancia de la simulación como paso previo a la implementación real y se proponen las posibilidades del software OptiSystem en la simulación de enlaces de este tipo. A manera de ejemplo se presentan varios escenarios de simulación montados en el software y las características de cada uno de ellos. Luego se realiza un análisis de alguno de los criterios a tener en cuenta en el diseño real de una red WDM a través de los resultados dados por la simulación. Como conclusiones de la investigación se destacan las posibilidades de estos sistemas en el aumento de las capacidades de transmisión y se destacan las potencialidades del software OptiSystem como una eficiente herramienta de simulación de enlaces ópticos. Palabras Clave: WDM, fibra óptica, OptiSystem, simulación de enlaces ópticos ABSTRACT: This paper as part of a research project of fiber optic networks developed by the Faculty of Electrical Engineering of the Central University of Las Villas aims to evaluate the parameters that can influence the design and development of an optical network with WDM through the use of simulation. The paper does a general characterization of wavelength division multiplexing (WDM), showing the principal components of an optic network that utilize WDM and the fundamental parameters that define his capability and efficiency. The importance of the simulation like previous step for real implementation and the possibilities of the software OptiSystem in the simulation of link this type. The paper present several scenes of simulation mounted in the software and the characteristics of every one of them by way of example. Next the simulation accomplishes an analysis of any one of the criteria itself to take into account in a net's real design WDM through the given results. As research findings highlighted the possibilities of these systems in increasing transmission capacity and highlights the potential of OptiSystem software as an efficient tool for simulation of optical links. KeyWords: WDM, optical fiber, OptiSystem, simulation of optical links.
1. INTRODUCCIÓN El desarrollo de las telecomunicaciones, la electrónica y la informática brindan la posibilidad de transmitir una gran cantidad de información con fiabilidad y seguridad a través de largas distancias, no obstante, a nivel mundial es creciente la demanda de mayores anchos de banda que permitan cursar de forma más rápida las diversas aplicaciones, ya sea de voz, imágenes, video y fundamentalmente para satisfacer el crecimiento vertiginoso del uso de Internet. El surgimiento de las comunicaciones ópticas propicio un notable crecimiento en la capacidad de transmisión tanto en las redes locales, metropolitanas y las de rango extendido [1]-[3]. Más recientemente han evolucionado técnicas de transmisión por fibras ópticas que han permitido incrementar sustancialmente las capacidades tanto de enlaces ya existentes como de enlaces nuevos de comunicaciones ópticas. La tecnología de Multiplexación por División en Longitudes de Onda (WDM: Wavelength Division Multiplexing) permite la transmisión simultánea de señales utilizando diferentes longitudes de onda (canales ópticos) por una misma fibra óptica, logrando así aumentar en gran medida la capacidad del medio de transmisión. WDM se ha consolidado por las ventajas que ofrece al potenciar el ancho de banda. Son cada vez más las redes de cables ópticos que la utilizan para ofrecer multiservicios [4]-[7]. Una vía económica y factible de probar el comportamiento de diferentes experimentos, técnicas y tecnologías es el empleo de simuladores. La simulación de escenarios que emplean tecnología WDM permite tener una perspectiva del diseño antes de la implementación real. Durante la simulación se puede evaluar la influencia de parámetros como la potencia de los láseres, la longitud de la fibra óptica y la capacidad por canal, permitiendo evitar errores en el diseño y en la compra de equipamiento que no satisfaga las necesidades de la red óptica deseada. La presente ponencia tiene el objetivo de evaluar los parámetros que pueden influir en el diseño o desarrollo de una red óptica con WDM a través del uso de la simulación. 2. CONTENIDO WDM multiplexa o combina varias señales ópticas sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferentes longitudes de onda (1300 nm a 1600 nm), usando luz procedente de un láser o un diodo emisor de luz LED. En este tipo de sistema, cada señal de entrada es independiente de las otras. De esta manera, cada canal óptico tiene su propio ancho de banda dedicado, llegando todas las señales al receptor al mismo tiempo. Como otras técnicas de multiplexado la WDM necesita un espaciamiento entre los canales para evitar interferencias entre estos [8]-[9]. Los componentes de una red WDM son: Emisores de Luz (Láseres): convierten la señal eléctrica en pulsos de luz. Multiplexores/ Demultiplexores ópticos: multiplexan las longitudes de onda ópticas provenientes de las diferentes fuentes de luz y las convierten en un rayo de luz que luego es inyectado en la fibra óptica mientras que los demultiplexores separan este rayo de luz en diferentes longitudes de ondas En el enlace, fibra óptica monomodo: guía la luz con la atenuación mínima en la distancia del enlace. Amplificadores ópticos: realizan el proceso de restaurar la señal óptica a su poder óptico original y sin distorsión. Fotodetectores (PIN y APD): recuperan las señales transmitidas a diferentes longitudes de onda, después de que la señal ha sido atenuada al pasar a través de un hilo de fibra, en el lado receptor. Multiplexores ópticos de adición/sustracción: se ubican en puntos intermedios del enlace. Permiten topologías de redes punto a multipunto, anillos y mallas. Estos dispositivos son capaces de extraer la información contenida en cualquiera de las longitudes de onda multiplexadas en un solo rayo de luz en la fibra en cualquier punto intermedio de la misma. Además de la extracción, también permiten introducir canales en cualquier punto de la fibra. Crosconectores ópticos: conmutan longitudes de onda a gran velocidad de una fibra a otra en base a las necesidades de tráfico. Restauran el tráfico y el enlace en caso de cortes en la fibra o fallos en el nodo [10]- [12]. Como métodos de investigación teóricos se emplean el análisis y la síntesis para realizar un resumen de los principales componentes y parámetros de un enlace de fibra óptica con WDM. Como método de investigación empírico se utiliza la observación a través del diseño de varios escenarios de redes ópticas con WDM, el montaje de estos en el software y la variación de los principales parámetros de las redes ópticas con WDM logrando obtener una percepción real de los diseños. Para realizar las pruebas en las redes ópticas con WDM se emplea el software OptiSystem (Optical Communication System Design Software) una de las herramientas de simulación que presenta el paquete de software de Optiwave.
2.1 Potencialidades de OptiSystem OptiSystem es un software con propósitos educacionales basado en el análisis de resultados y presentación de ejemplos y ejercicios. Con el mismo se puede diseñar, probar y optimizar cualquier tipo de enlace óptico a nivel físico y analizar las redes ópticas de banda ancha de los sistemas de larga distancia LAN y MAN. Posee un nuevo ambiente de simulación poderoso y una definición jerárquica de componentes y sistemas; con una visión global de la actuación de un sistema real reduciendo los riesgos de inversión en una tecnología de este tipo [13]- [15]. OptiSystem permite el diseño de escenarios teniendo en cuenta cada uno de los elementos que componen un sistema WDM como se muestra en las figuras 1, 2, 3: Figura 3 Demultiplexor y Receptor Óptico. Con OptiSystem es posible obtener el espectro óptico de la señal luego de la etapa de multiplexación (Figura 4). La Razón de Error de Bit (bit error rate, BER) constituye una figura de mérito de las redes WDM con el uso del componente BER Analyzer del software se obtiene el BER de cada uno de los canales transmitidos a través de varios kilómetros de fibra (Figura 5). La variación de parámetros importantes como la longitud de la fibra óptica puede ser realizada permitiendo evaluar las implicaciones de estos cambios en los escenarios (Figura 6). Figura 1 Transmisor Óptico de un canal WDM. Figura 4 Ejemplo de espectro óptico de señales multiplexadas en un sistema WDM Figura 2 Multiplexor Óptico
luego las señales son multiplexadas, cada una en su portadora óptica e inyectadas a la fibra óptica monomodo como un solo haz de luz por un multiplexor WDM con pérdidas de inserción en este caso de 0dB. El analizador WDM permite obtener la potencia óptica, el ruido y la relación señal a ruido de cada canal del sistema y el espectro óptico de las señales multiplexadas. Figura 5 Analizador de la Razón de Error de Bit (BER) Figura 6 Entrada de los diferentes valores de longitud de la fibra óptica 2.2 Escenarios de simulación empleados Los escenarios de simulación implementados en el software fueron de 4, 8, 32 y 40 canales respectivamente, estos representan redes WDM con topologías punto a punto utilizadas en el mercado metropolitano para unir sucursales de grandes compañías, siendo una de las topologías de mayor uso debido a las altas velocidades por canal (2.5 Gbps y 10 Gbps), a la alta integridad y confiabilidad de la señal y a la rápida restauración de trayectoria. La fibra óptica monomodo es la indicada para este tipo de transmisión ya que permite obtener mayores distancias en los enlaces debido a su baja atenuación. El componente de fibra óptica dado por OptiSystem da la posibilidad de variar la atenuación, la dispersión, la polarización del modo de dispersión (PMD) y la influencia de las no linealidades; dando una visión real de las consecuencias que tienen estos factores en enlaces WDM. Luego de que las señales se propagan por la fibra, llegan al extremo receptor donde son demultiplexadas antes de que cada una de ellas se detecte por un fotodetector, en este caso del tipo Positivo Intrínseco Negativo (PIN). Se configura luego de la salida del fotodetector, un filtro paso bajo de Bessel utilizado para filtrar la señal detectada evitando errores en la decodificación. Además un Analizador de Espectro es colocado en la salida del filtro de cada canal dando las figuras de mérito del receptor el BER y el factor Q. El analizador BER toma tres referencias para realizar su análisis: la salida del generador de secuencia de bit, la salida del generador de código NRZ del transmisor óptico y la salida del filtro que le sigue al detector del canal. 2.2.1 Escenario 1 El primer escenario de simulación cumple con las condiciones descritas. Cada uno de los cuatro canales tiene un transmisor y un receptor sintonizado a la frecuencia o longitud de onda determinada (Figura 7, Figura 8). La redes ópticas con WDM simuladas, cuentan con canales espaciados a 100 GHz siguiendo la recomendación G.694.1 de la UIT, con frecuencia inicial fijada en 193.1THz y la razón de bit por canal 2.5 Gb/s ó 10 Gb/s según el escenario. La fibra óptica con una longitud de 100 km, una atenuación de 0.2 db/km y una dispersión 16.75 ps/nm/km. Cada una de estas señales ópticas tiene un transmisor, con una potencia óptica de 0 dbm, Figura 7 Transmisión, multiplexado y línea de transmisión con 4 canales
Figura 8 Demultiplexado y recepción con 4 canales 2.2.2 Escenario 2 Cuenta con 8 canales comenzando en la frecuencia de referencia 193.1 THz. La capacidad total del enlace de 20 Gbps (Figura 9 y Figura 10). Figura 10 Demultiplexado y recepción con 8 canales 2.2.3 Escenario 3 Este escenario cuenta con 32 canales, con una capacidad total de 80 Gbps. En la primera parte del diseño se utilizan un arreglo de transmisores WDM que permiten variar el número de puertos, el espaciado entre canales, la potencia, la codificación y la razón de bit por canal. También se emplea un multiplexor WDM de igual espaciamiento entre canales (Figura 11). En la segunda parte del diseño se utiliza un demultiplexor WDM de espaciamiento, pérdidas de inserción y ancho de banda igual a los escenarios anteriores, además son utilizados receptores ópticos para los canales 1, 4 y 17. El módulo Receptor Óptico (Optical Receiver) permite elegir el tipo de fotodetector (PIN o APD: fotodiodo de avalancha); en este escenario es seleccionado el PIN, además el módulo tiene tres salidas que permiten la conexión con el Analizador de Razón de Error de Bits (Figura 12). Figura 9 Transmisión, multiplexado y línea de transmisión con 8 canales Figura 11 Transmisión, multiplexado y línea de transmisión con 32 canales
Figura 12 Demultiplexado y recepción con 32 canales Figura 13 Transmisión, multiplexado y línea de transmisión con 40 canales 2.2.4 Escenario 4 Se tiene un diseño de 40 canales, espaciados a 100 GHz y cada uno a una razón de bit de 10 Gbps dando una capacidad total de 400 Gbps. Para lograr la alta capacidad en este diseño se añaden técnicas que compensan las afectaciones que sufre la señal debido a la atenuación y a la dispersión que introduce la fibra óptica. Entre las técnicas de compensación se encuentran el uso de amplificadores para que la señal se mantenga con el nivel de potencia deseado y el uso de la fibra compensadora de dispersión que evita la interferencia intersímbolo provocada por el esparcimiento o dispersión del pulso (Figura 13). La fibra óptica tiene una dispersión 17 ps/nm/km. Los amplificadores utilizados son de erbio dopado de una ganancia de 20 db y 6 db respectivamente, el primero para compensar la atenuación de la fibra 100 km 0.2 db/km = 20 db y el segundo para compensar la atenuación introducida por la fibra compensadora de dispersión de 0.3 db/km, 20 km 0.3 db/km = 6 db. La compensación de dispersión que se utiliza es una post-compensación donde es compensada la dispersión luego que la señal es propagada por la fibra. La configuración de la utilización de amplificadores antes y después de la fibra de compensación es para contrarrestar la alta atenuación de este tipo de fibra. La fibra compensadora de dispersión tiene una longitud de 20 km con una dispersión de -85 ps/nm/km con 20 km -85 ps/nm/km = 1700 ps/nm para compensar la dispersión de la fibra de 100 km 17 ps/nm/km = 1700 ps/nm (Figura 12). Los analizadores BER son conectados en el canal número 1; 8 y 31(Figura 14). Figura 14 Demultiplexado y recepción con 40 canales 3 Resultados de las simulaciones 3.1.1 Figuras de mérito para una red WDM Las figuras de calidad o de mérito en redes WDM dan una medida del funcionamiento de estas y permiten validar los resultados obtenidos a través de las simulaciones. Las figuras de calidad utilizadas para evaluar los diferentes escenarios son la Razón de Error de bit (Bit Error Ratio; BER) y el factor Q, valores que da el software OptiSystem a través del componente BER Analyzer. Típicamente los sistemas ópticos tienen un BER entre 10-9 a 10-12, en el peor caso cada 10 9 bit se permite un bit erróneo. El factor Q nos da la mínima relación señal a ruido (SNR) requerida para obtener un BER específico para una señal eléctrica dada. Mientras más alto es el valor de Q, mejor es la razón de error de bit. Los valores típicos de Q son de 6 a 8 db.
Para valorar la influencia de diferentes parámetros en los diseños se realiza una variación de estos y a través de las figuras de méritos se llega a la conclusión de cuál es el diseño más óptimo. 3.2.1 Influencia de la potencia del láser en los parámetros del enlace Con la ayuda de OptiSystem se realiza un barrido de la potencia óptica de los láseres de onda continua de 0 dbm a 5 dbm para los escenarios 1, 2 y 3. Luego de analizar los diagramas de ojos mostrados en las figuras 15 y 16 se llega a la conclusión de que a medida que se eleva la potencia del láser aumenta el factor Q y la razón de errores de bits (BER) es mejor, por lo que el comportamiento de la red mejora. También se concluye que con una mayor potencia se alcanzan mayores distancias de fibra porque los valores obtenidos son para una distancia de 100 Km por lo que podemos aumentar esta distancia hasta lograr un BER = 10-12 y una Q = 6; valores que definen un enlace con buen desempeño. 3.2.2 Variación de la capacidad del canal En los escenarios propuestos se realiza un cambio de la razón de bit por canal de 2.5 Gbps a 10 Gbps con el objetivo de aumentar la capacidad del enlace. Al aumentar la razón de bit, los diseños se encuentran limitados en distancia debido a la dispersión introducida por la fibra, este efecto puede ser comprobado a través de la fórmula 1. Donde: c: velocidad de la luz. D: dispersión cromática. B: razón de bit. λ: longitud de onda de referencia. Con la razón de bit de 10 Gbps por canal se realiza una variación de la distancia del enlace de fibra (20 km, 50 km, 70 km y 100 km). Al aumentar la razón de bit los diseños se encuentran limitados en distancia debido a la dispersión introducida por la fibra como se muestra en la Tabla I: Tabla I Variación de los parámetros de diseño a 10 Gbps Longitud de la fibra óptica ( km) Factor Q Razón de Errores de Bit BER 20 29,4159 1,48632 10-190 50 12,7556 1,42031 10-37 Figura 15 Factor Q para diferentes potencias 70 6,51842 3,48375 10-11 100 0 1 En el diagrama de ojo (Figura 17) se observa que al aumentar la razón de bit, la dispersión tanto la cromática como en modo polarizado- afectan en mayor medida a la señal, limitando la distancia que esta puede recorrer; se puede observar como el pulso se va esparciendo a medida que la distancia es mayor hasta llegar a la distancia de 100 km, siendo imposible reconocer o decodificar la información original. Figura 16 Factor BER para diferentes potencias
Figura 17 Diagramas de ojo de un canal para las diferentes distancias a 10 Gbps 3.2.3 Técnicas de compensación En las redes reales para lograr altas razones de bit en largas distancias se utilizan mecanismos que contrarresten efectos como la atenuación y la dispersión introducida por la fibra óptica. Entre los mecanismos que permiten aumentar la longitud del enlace se encuentran los amplificadores y las fibras compensadoras de dispersión. Como se ilustra (Figura 18) OptiSystems permite representar estos mecanismos. Con la aplicación de amplificadores y las fibras compensadoras de dispersión se logran grandes distancias, en este caso de hasta 450 km, con una buena BER y factor Q para un diseño óptimo de la red (Figura 19). Figura 19 Diagrama de ojo de un canal luego de utilizar técnicas de compensación 3. CONCLUSIONES La simulación es una vía rápida y eficiente para el diseño de redes WDM ya que permite analizar el funcionamiento de cada uno de los componentes del enlace y la repercusión de la variación de parámetros importantes como la distancia y la potencia de la señal sin necesidad de la implementación real. El software OptiSystem es una poderosa herramienta de aprendizaje que permite montar redes WDM de forma fácil y obtener gráficos que le permiten al ingeniero entender el funcionamiento y evaluar el comportamiento de este tipo de tecnología de transmisión óptica. Además OptiSystem permite la simulación de componentes con parámetros reales, la realización de un barrido de parámetros de importancia y nos ofrece los valores de las figuras de mérito de las redes ópticas (factor Q y el BER) que permiten evaluar los escenarios montados. 4. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Figura 18 Lazo de control para una distancia total de 450 km. 1. A., M. P. J. Sistemas y Redes Ópticas de Comunicaciones Pearson Prentice Hall, 2004. 2. Agrawal, G. P. (ed.) Fiber Optic Communication Systems, New York: John Wiley & Sons, 1997. 3. America, O. S. O. (ed.) Fiber, Devices, and Systems for Optical Communications: McGraw-Hill Companies, 2002. 4. Barría, C. A. G. Análisis de la Tecnología IP sobre WDM. Universidad Austral de Chile, 2006. 5. S.A., E. Redes Ópticas WDM. Redes Ópticas WDM, 2010 6. S.A., T. R. I. Fibra óptica para NGN
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