CONSULTORÍA ESTRATÉGICA EN TECNOLOGÍAS
DE LA INFORMACIÓN Y COMUNICACIONES

CONSULTORIA EN REDES Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES


Dense Wavelength Division Multiplexing

Autor: Ramón Jesús Millán Tejedor

Publicado en Windows NT/2000 Actual nº 12, Prensa Técnica S.A., 1999



IntroducciÓn

Durante los últimos años diversos factores han propiciado el importante desarrollo tecnológico de todos los equipos y servicios relacionados con las telecomunicaciones: grandes avances técnicos, liberalización del sector, crecimiento de la red Internet... Las transformaciones derivadas de todos estos procesos están convirtiendo nuestra era, en la era de la información y las comunicaciones. Esta revolución de las telecomunicaciones avanzadas, conocida por la Sociedad de la Información, Autopistas de la Información o Aldea Global, descentralizará y flexibilizará la economía, modificará los hábitos de vida de las personas y, en definitiva, transformará radicalmente la sociedad.

Para que esta revolución tenga lugar, es necesario mejorar las infraestructuras que soportarán servicios multimedia e interactivos de diversa índole. En efecto, el éxito de esta revolución global sin precedentes, depende en gran medida de la instalación de redes de gran capacidad y bajo coste, siendo la fibra óptica el medio elegido para los sistemas de telecomunicación.

En un principio la tecnología óptica fue implantada para sistemas de transmisión a larga distancia, pero ahora está reemplazando al cable coaxial y par trenzado de cobre en las redes telefónicas locales, las redes de televisión por cable y las redes de datos de área local. Las razones del atractivo de la fibra óptica, y en particular de la fibra óptica monomodo, son: baja atenuación, alto ancho de banda, fácil instalación, inmunidad a interferencias, alta seguridad de la señal, aislamiento eléctrico, y posibilidad de integración.

No obstante, la completa explotación de todas las posibilidades que ofrece la fibra óptica no es sencilla, pero se ha progresado tremendamente en los últimos 20 años, durante los cuales la capacidad de las redes de largo recorrido se ha duplicado cada dos años. Considerando un crecimiento anual del 100%, se concluye a que los requerimientos de capacidad para la próxima generación de equipos, en torno al año 2010, será del orden de Tbps.

Actualmente, y gracias a la aparición de amplificadores de fibra óptica y láseres de múltiples longitudes de onda, la multiplexación por división en longitud de onda es uno de los temas que más atención suscita dentro del campo de las comunicaciones ópticas, pues estos dispositivos permiten incrementar enormemente la capacidad de los sistemas de transmisión sin requerir de desarrollos tecnológicos significativos y sin alterar las arquitecturas de red implantadas. Es decir, permiten una evolución flexible y económica de las presentes redes, respondiendo a la demanda de mayor ancho de banda por parte de los nuevos servicios de telecomunicaciones avanzadas.

Concepto de DWDM

La multiplexación por división en longitud de onda, multiplexación óptica o DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) tiene su origen, en la posibilidad de acoplar las salidas de diferentes fuentes emisoras de luz, cada una a una longitud de onda diferente, sobre una misma fibra óptica. Después de la transmisión a través de la fibra,  las señales a cada longitud de onda diferente, pueden ser separadas entre sí hacia diferentes detectores en su extremo final. El componente encargado de inyectar las distintas fuentes sobre la misma fibra óptica es el multiplexor, y el encargado de separarlas es el demultiplexor. El concepto de esta tecnología de transmisión óptica queda reflejada en la Figura 1.

Concepto de multiplexación por división en longitud de onda

Figura 1: Concepto de multiplexación por división en longitud de onda.

Cuando la distancia entre los distintos puntos de la red es muy pequeña, la introducción de nueva fibra puede ser una solución a los problemas de capacidad. No obstante, cuando las distancias aumentan, o bien se tiene una base de fibra instalada, la DWDM es la alternativa más económica.

La transparencia ha sido otro argumento a favor de las redes de transporte DWDM. Mediante DWDM en cada una de las longitudes de onda se pueden ubicar diferentes tasas de bit de distintas capas superiores, como PDH, SDH, ATM e IP. Se puede ver, por lo tanto, como una tecnología totalmente óptica, independiente de la tasa de bit y protocolo de las capas superiores.

Hasta ahora las más importantes técnicas de multiplexación utilizadas eran la TDM (Time Division Multiplexing) o multiplexación por división en el tiempo, y la FDM (Frecuency Division Multiplexing) o multiplexación por división en frecuencia. En TDM se segregan muestras de cada señal en ranuras temporales que el receptor puede seleccionar mediante un reloj correctamente sincronizado con el transmisor; y en FDM, cada señal se transporta en una frecuencia subportadora que puede ser filtrada electrónicamente por el receptor.

Si bien la FDM y la TDM son sistemas de multiplexación incompatibles, la DWDM puede hacer uso de señales previamente multiplexadas mediante las técnicas FDM y TDM en el dominio eléctrico. Por ello la DWDM es, actualmente, la mejor solución a los límites de capacidad alcanzados recientemente con la TDM en el dominio eléctrico.

La historia de las técnicas de multiplexación ha demostrado una evolución en espiral sobre el espacio, la frecuencia y el tiempo, tal y como se muestra en la Figura 2. En efecto, la primera técnica de multiplexación óptica ha sido la SDM (Space Division Multiplexing), consistente en la mera disposición en paralelo, con el fin de incrementar la capacidad del enlace, de fibras ópticas transportando la misma longitud de onda entre el origen y el destino. En estos momentos la DWDM, que también puede verse como una OFDM (Optical Frecuency Division Multiplexing) considerando separaciones entre portadoras ópticas de GHz, es la técnica idónea para aprovechar el gran ancho de banda ofrecido por la fibra óptica. Cabe esperar que la técnica de multiplexación óptica del futuro, cuando se resuelvan las limitaciones impuestas por la dispersión en la fibra, sea la OTDM (Optical Time Division Multiplexing).

En efecto, tras evolucionar de las comunicaciones analógicas a las digitales, y de PDH a SDH, el objetivo está ahora en pasar de SDH a DWDM. SONET (Syncronous Optical NETwork ) en Norte América y SDH (Syncronous Digital Hierarchy) o JDS (Jerarquía Digital Síncrona) en Europa, son los estándares de transmisión digital a larga distancia que resuelven los problemas de compatibilidad entre equipos de distintos proveedores, la gestión y mantenimiento de los equipos, así como de la inserción y la extracción de las señales de jerarquías inferiores -de menor capacidad-, presentados por su predecesor PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). Tanto PDH, como SONET y SDH, son tecnologías de transmisión están basadas en multiplexación en el tiempo, que utilizan la fibra óptica como mero sistema de transmisión, pero que realizan las funciones de amplificación, encaminamiento, extracción e inserción de señales, etc. en el dominio eléctrico, a diferencia de DWDM.

La tecnología de transporte SDH permite diferentes tasas de bit o STM (Synchronous Transport Module), desde STM-1 (155 Mbps) hasta STM-64 (10 Gbps). La protección se ofrece a través de topologías en anillo, posibilitadas gracias a ADMs (Add and Drop Multiplexers) o multiplexores de extracción e inserción de señales, capaces de reconfigurarse del fallo de un enlace en menos de 50 ms. Otras características importantes de SDH son la compatibilidad con la tecnología de transporte precedente -es decir, PDH-, la posibilidad de transportar nuevos formatos de señales como ATM (Asyncronous Transfer Mode), estandarización mundial, monitorización de errores y su potente funcionalidad de administración.

Evolución de las técnicas de multiplexación

Figura 2: Evolución de las técnicas de multiplexación.

Si consideramos la capacidad de las diferentes tecnologías como la tasa de transmisión de bits típica utilizada y el factor de multiplexación ofrecido por los nodos de conmutación y multiplexación, se puede ver una clara evolución:

  • Inicialmente la transmisión digital era capaz de soportar 2 Mbps (en el primer nivel de multiplexación o multiplexores básicos), teniendo 64 Kbps cada una de las señales tributarias. Estos 64 Kbps conforman la tasa de bit de las redes telefónicas tradicionales.
  • El siguiente paso fue mejorar la eficiencia en la transmisión, permitiendo tasas de bit más altas introduciendo cross-connects, elementos de conmutación entre puertos de entrada y de salida. La señal agregada pasó a tener una capacidad de 140 Mbps y un factor de multiplexación de 2 Mbps. Por supuesto también hay tasas de bit intermedias, tales como 8 Mbps o 34 Mbps. Esta tecnología es PDH.
  • Un paso mayor, que está de hecho en desarrollo en todos los países del mundo, es la introducción de SDH. Actualmente el factor de multiplexación es de 150 Mbps y es posible una capacidad de 10 Gbps. Nótese, de nuevo, que son posibles otras tasas de bit intermedias.
  • Una nueva etapa está en el uso generalizado de la DWDM, que aún no ha sido totalmente estandarizado debido la rápida evolución de estos equipos, lo que imposibilita producir recomendaciones a tiempo y constituye una clara desventaja frente a SDH. Ya no se está lejos de alcanzar una capacidad de 320 Gbps (32 longitudes de onda), con un factor de multiplexación de 10 Gbps.
  • El paso siguiente se dará posiblemente en torno al año 2010 y requerirá grandes avances que superen las limitaciones de la DWDM, consiguiendo incrementar el factor de multiplexación a 320 Gbps con una capacidad total de 10 Tbps, o quizás la combinación de DWDM con el principio de TDM en el dominio óptico.

Todas estas características hacen de DWDM la mejor técnica a corto plazo para llegar a aprovechar todo el ancho de banda ofrecido por una fibra óptica, sin necesidad de cambiar todos los equipos y enlaces existentes. La tecnología DWDM es estos momentos, ampliamente utilizada en redes de cable de fibra óptica submarinos internacionales, consiguiendo unas capacidades y una funcionalidad inimaginables hace tan sólo cinco años. Los equipos actuales pueden albergar hasta un SMT-16 (2,5 Gbps) en cada una de las 32 longitudes de onda que soportan, lo que hace una capacidad total, que puede ser utilizada gradualmente, de 80 Gbps. En un futuro próximo se podrá incrementar la capacidad por longitud de onda a un STM-64 (10 Gbps).

El principal reto en el diseño de estos sistemas es cómo conseguir un mayor número de longitudes de onda sobre distancias de alrededor de 12.000 Km, para lo que se debe tener un especial cuidado seleccionando las características de dispersión de cada fibra y el espaciado entre longitudes de onda. Además, la seguridad y disponibilidad, son requerimientos absolutamente necesarios de las redes submarinas, por lo que muchos tramos utilizan componentes redundantes y topologías en anillo. Para ello es necesario emplear OADM (Optical Add and Drop Multiplexers).

Futuro de las redes DWDM

La investigación y desarrollo de las redes DWDM en redes regionales y metropolitanas ha madurado considerablemente en pocos años, además de haberse incrementado el número de prototipos experimentales que actualmente están siendo probados en Europa, Estados Unidos y Japón. Ya se ha anticipado que la próxima generación de Internet, red donde el crecimiento de usuarios ha sido especialmente espectacular, casi exponencial, empleará backbones ópticos basados en DWDM.

La evolución esperada para las nuevas arquitecturas de red óptica DWDM se espera que sea similar a la observada en las redes SDH:

  • En un primer paso (1997-2000) se instalarán enlaces punto a punto. No obstante, la gran capacidad que soportan éstos, hacen de la fiabilidad y seguridad, características totalmente necesarias. Ciertos equipos permiten el envío de información por un camino redundante de protección, lo cual constituye una forma sencilla y barata de conseguir el reencaminamiento de la información, en caso de cualquier problema en el enlace activo.
  • El siguiente paso (2000), será la introducción de multiplexores de inserción y extracción de canales ópticos o OADMs, y la aparición de arquitecturas en anillo como las de las actuales redes SONET/SDH.
  • El último paso (2001), será la interconexión de diversos anillos, dando lugar a que todas las funciones de conmutación y encaminamiento se realicen totalmente en el dominio óptico en función de la longitud de onda de las señales. Un elemento importante son los cross-connects ópticos o OXCs (Optical Cross Connects), que son elementos de conmutación de canales entre puertos de entrada y de salida.

En unos cinco años, la red de transporte europea experimentará un profundo cambio, posibilitado por las soluciones DWDM ofrecidas a los operadores europeos por los principales suministradores de dispositivos ópticos: Alcatel, Ciena, DCS, Ericsson, GPT-Siemens, Lucent, NEC, Nortel, Pirelli. Las cifras de mercado que se prevén para DWDM se sitúan, según la consultora norteamericana de fibra óptica KMI, desde los 3.000 millones de dólares actuales, a los más de 9.000 millones para el año 2004, siendo Estados Unidos el principal inversor. La implantación de la fibra óptica seguirá su expansión, creciendo desde los 22,8 millones de Km en 1995, hasta los 63 millones de Km del 2001, con una implantación mayoritaria en Estados Unidos, Japón y China.


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