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DWDM corrige las limitaciones de la fibra

Autor: Ramón Jesús Millán Tejedor

Publicado en Redes & Telecom nº 201, VNU VP España S.A., 2006

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IntroducciÓn

La explosión de la banda ancha en nuestros días ha obligado a las operadoras de telecomunicaciones a incrementar el tamaño y alcance de sus redes de transporte para poder soportar todo el tráfico generado en la red de acceso de sus clientes residenciales y empresariales. La demanda de capacidad de transporte es cada vez mayor, debido a la introducción y proliferación de servicios y aplicaciones con gran consumo de ancho de banda (Internet de banda ancha, vídeo bajo demanda, redes de almacenamiento, etc.), a partir de tecnologías en la red de acceso como: ADSL, HFC, LMDS, PLC, GbE, GPRS, etc.

Hace años, el cuello de botella con el que se encontraban las operadoras para poder transportar el tráfico generado por sus clientes estaba en la disponibilidad de fibra óptica, pues típicamente cada fibra transportaba una única señal multiplexada en el tiempo -mediante tecnologías como PDH o SDH- a través de la red. Los grandes avances de finales del siglo pasado en relación a la fotónica, dieron lugar a la aparición de una nueva tecnología de transmisión totalmente óptica conocida por DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), mediante la cual una única fibra óptica puede acomodar cientos de señales, y puede ser posible incrementar la capacidad de la red de transporte sin necesidad de hacer nuevos tendidos de fibra.

La fibra óptica es el mejor medio de transmisión, sobre todo a largas distancias, en cuanto a capacidad del enlace, interferencias, distancias soportadas, integrabilidad e incluso precio. Sin embargo, su tendido es muy lento y costoso, no sólo por el precio de la propia fibra óptica, sino por las obras y licencias que hay que acometer para canalizarlo en el subsuelo. Esta es la razón por la que las empresas eléctricas o incluso Renfe, son capaces de alquilar fibras ópticas en nuestro país a un precio muy competitivo, ya que disponen de un soporte aéreo por el que canalizar cables con cientos de fibras ópticas sin necesidad de abrir nuevas franjas subterráneas.

Sin embargo, la utilización de distintas fibras ópticas para solventar el problema de capacidad tiene de nuevo un problema que solventa de nuevo DWDM: el coste de la infraestructura y gestión de todos los elementos de red necesarios para llevar a cabo dicha transmisión. Por ejemplo, SDH requiere de regeneradores intermedios cada 40 Km, y esos regeneradores serán necesarios por cada fibra óptica; sin embargo, mediante DWDM, estos regeneradores se substituyen por amplificadores distantes por 80 Km o incluso más, y el mismo amplificador es empleado por todas las señales SDH que viajan a través del enlace DWDM. Por otro lado, DWDM es cada vez más asequible y está cada vez más optimizado a distintos entornos de red (acceso, metropolitano, larga distancia y ultralarga distancia).

Es tal la demanda de capacidad actual que se están empezando a desplegar sistemas terrestres DWDM con las mismas novedades técnicas que los sistemas de cable submarino, tradicionalmente mucho más caros y complejos. Esto está ocurriendo incluso en España, donde Telefónica comenzó en el año 2004 a desplegar redes DWDM de ultralarga distancia empleando tecnología Ericsson, Jazztel la de Huawei, para hacer frente al incremento de capacidad necesario para duplicar la velocidad de ADSL a sus clientes.

El tendido de cable submarino es extremadamente complejo, pues la ruta predefinida debe ser seguida con una precisión de 100 metros, incluso cuando el cable se tiende a profundidades de 8.000 km. Los problemas de encauzamiento se pueden minimizar con el empleo de barcos especializados que llevan a cabo una investigación geofísica y geotécnica de la ruta propuesta y, si se localizan obstáculos, trabajan para encontrar las mejores alternativas. Las operaciones marinas comienzan situando el cable a flote desde el barco de cableado hasta la posición de tierra. Una vez que el extremo del cable está asegurado en la orilla, las bolsas de flotación se retiran permitiendo al cable asentarse en el mar. El barco de cableado sigue entonces su ruta predeterminada: o con el cable enterrado en el lecho marino -lo que ayuda a prevenir peligros de rastreadores o anclas de barcos- o bien, tendido en la superficie, conforme sea requerido. Los ajustes para tensar el cable y para posicionar el barco se hacen de forma continuada para asegurar la conformidad con la ruta del cable. Cuando el cable llega a su punto de tierra destino, un extremo del mismo -que ha sido previamente instalado y mantenido a flote- se lleva a bordo y se empalma al cable que está siendo tendido.

Fibras opticas

Figura 1: Fibras ópticas.

TecnologÍa

La multiplexación por división en longitud de onda, multiplexación óptica o WDM (Wavelength Division Multiplexing) tiene su origen, en la posibilidad de acoplar la salida de diferentes fuentes emisoras de luz, cada una a una longitud de onda o frecuencia óptica diferente, sobre una misma fibra óptica. Después de la transmisión a través de la fibra, cada una de estas señales o canales ópticos en distintas longitudes de onda, 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, el de separarlas es el demultiplexor, el de regenerarlas a nivel óptico el amplificador, y el de adaptar las longitudes de onda recibidas a una longitud de onda estandarizada, estabilizada y susceptible de ser multiplexada y demultiplexada, es el transpondedor.

En la actualidad los sistemas DWDM de ultralarga distancia hacen referencia a sistemas que son capaces de transportar sobre una única fibra óptica monomodo -realmente se emplea, como en todos los dispositivos de transmisión por fibra óptica, una fibra para la transmisión y otra para la recepción- hasta 160 canales o longitudes de onda en el entorno de tercera ventana (bandas C y L de comunicaciones ópticas). Cada una de estas longitudes de onda está separada de la otra por 0,4 nm (o 50 GHz). En cada una de estas longitudes de onda se puede transportar una señal de cualquier tipo (SONET/SDH, ESCON, Fibre Channel, GbE, ATM/IP, etc.) de hasta 10 Gbps. La distancia máxima que se puede cubrir en la actualidad es de hasta 5.000 Km sin regeneración eléctrica. Se trata de los sistemas más caros y complejos dentro del resto de sistemas WDM (CWDM, DWDM metropolitano y DWDM de larga distancia), sobre todo cuando trabajan en enlaces submarinos transoceánicos.

Las redes DWDM de ultralarga distancia tienen generalmente una arquitectura física de enlaces punto a punto no protegidos. Básicamente, los tipos de elementos con los que nos podemos encontrar son:

  • OTM (Optical Terminal Multiplexer). Multiplexa (en transmisión) y demultiplexa (en recepción) la totalidad de canales ópticos del enlace instalados hasta el momento.
  • OLA (Optical Line Amplifier). Amplifica la señal DWDM conjunta en el dominio óptico (sin ningún tipo de regeneración eléctrica de cada uno de los canales individuales) para su transporte a largas distancias.
  • OADM (Optical Add & Drop Multiplexer). Extrae información de un determinado canal óptico, e inserta nueva información reutilizando dicho canal, sin alterar al resto de canales multiplexados y sin ningún tipo de conversión electroóptica. Tradicionalmente estos equipos no permitían reconfigurar remotamente vía software qué canales extraer y añadir o dejar en paso; no obstante, los avances en filtros ópticos y transpondedores reconfigurables han subsanado esta limitación de DWDM.

En los enlaces DWDM terrestres, estos sistemas se encuentran ubicados en centrales telefónicas o centros de transformación eléctricos. En los enlaces DWDM submarinos, los OTM y OADM están ubicados en plataformas terrestres y los OLA son empalmados al propio cable.

Los sistemas de gestión DWDM suelen estar basados en la arquitectura de niveles de la norma TMN (Telecommunications Management Network) de la ITU-T (Internacional Telecommunications Union – Telecommunications Sector) y emplean la familia de protocolos OSI (Open Systems Interconnection) para la comunicación con los elementos de red. La plataforma de gestión suele basarse en sistemas Unix, tanto por la alta carga que suponen los protocolos OSI como por la alta disponibilidad y fiabilidad que necesita el gestor de una red que soportan tan altos anchos de banda.

Las principales diferencias en los componentes DWDM de ultralarga distancia respecto al resto de tecnologías WDM, se encuentran en los amplificadores y transpondedores. La misión de estos componentes, más complejos y caros que para el resto de sistemas WDM, conseguir sistemas más flexibles y capaces de transmitir más cantidad de datos a mayores distancias, paliando las limitaciones físicas inherentes a la fibra óptica (atenuación, dispersión y no linealidad).

Esquema de un enlace DWDM

Figura 2: Esquema de un enlace DWDM.

Transpondedores

Los transpondedores actuales ya no emiten a una frecuencia fija a su salida, sino que pueden ser sintonizados para trabajar con cualquier longitud de onda. La implicación inmediata de esto, es que los operadores pueden reducir drásticamente la cantidad de repuestos así como equipar su red para trabajar con nuevos canales más rápidamente. Por otro lado, esto permitirá en un futuro cercano dar lugar a redes ópticas inteligentes, con la misma capacidad de provisión dinámica del ancho de banda, encaminamiento, protección y restauración, que las actuales redes de datos.

Los transpondedores empleados a larga distancia emplean la modulación RZ (Return to Zero) en vez de la tradicional NRZ (Non Return to Zero) utilizada en entornos de menores distancias. La modulación RZ reduce los efectos de interferencia entre símbolos en medios de transmisión dispersivos, aunque su complejidad y coste es mayor que la NRZ. En ultralarga distancia también son típicos los solitones ópticos que, básicamente, son pulsos estables que viajan a través de la fibra sin variar su forman. Estos pulsos tienen una forma de campana en vez de los tradicionales de forma cuadrada, de acuerdo a una compleja fórmula matemática, que permite que las no linearidades y la dispersión de la fibra se compensen entre sí.

Los transpondedores de ultralarga distancia implementan también ya los denominados "digital wrapper" estandarizados en la G.709 de la ITU-T. Se trata de una cabecera óptica de baja sobrecarga, alrededor del 3%, que permite transportar de forma transparente cualquier tipo de protocolo, incluido IP directamente. Los transpondedores como los únicos puntos donde se realiza conversión electroóptica dentro de los sistemas WDM, se encargan así de añadir bytes de sobrecarga que soportan la gestión y el control del canal óptico, con una funcionalidad y fiabilidad semejante a la trama SONET/SDH. Dentro de esta cabecera se reserva un campo para la inserción de un código de redundancia cíclico que permite la corrección de errores hacia delante o FEC (Forward Error Correction). Mediante las técnicas FEC es posible soportar distancias sensiblemente mayores para la misma calidad. Finalmente, en esta cabecera también se introducirá la información necesaria para trabajar con GMPLS (Generalized MultiProtocol Label Switching), evolución de MPLS, que soporta no sólo dispositivos de conmutación de paquetes, sino también de conmutación en el tiempo, en longitud de onda y de fibras ópticas.

Los transpondedores actuales soportan señales cliente de hasta 10 Gbps, aunque pronto aparecerán comercialmente transpondedores trabajando a 40 Gbps. Mediante otros componentes denominados muxponder, estos transpondedores también son capaces de multiplexar en el tiempo las señales cliente, de modo que se aproveche al máximo el espectro óptico disponible. Por ejemplo, un transpondedor de 10 Gbps con capacidades de muxponder podría agregar 4 señales STM-16 (2,5 Gbps) ó 8 señales GbE (1,25 Gbps).

Amplificadores

Los amplificadores tradicionalmente empleados en sistemas DWDM de larga distancia son los amplificadores de fibra dopada con Erbio o EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). El Erbio es un elemento, perteneciente a las denominadas “tierras raras”, que cuando es excitado genera luz en el entorno de la tercera ventana de comunicaciones ópticas. En un EDFA la señal generada a 980 o 1.480 nm por un láser de bombeo entra junto a la señal a amplificar, en una fibra dopada con Erbio. Esta luz inyectada estimula a los átomos de Erbio, produciendo la emisión de luz a 1.550 nm; de modo que mientras este proceso continúa a lo largo de la fibra, la señal de entrada al EDFA se vuelve más fuerte. Las emisiones espontáneas en el EDFA también añaden ruido a la señal y de trabajar en puntos de ganancia inadecuados pueden producirse también no linealidades o interferencias entre los distintos canales.

Por otro lado, los amplificadores de Raman se basan en el efecto conocido por scattering Raman, que permite convertir una pequeña porción de la frecuencia óptica incidente en otras frecuencias. El efecto puede ser estimulado y utilizado para transferir energía desde un láser de bombeo a una señal más débil, por lo que así es posible la amplificación de la señal deseada. Si se compara con la utilización de soluciones amplificadas con EDFA, la amplificación Raman distribuida, o en línea, ofrece dos ventajas potenciales: mejora la relación señal a ruido y por lo tanto la calidad y distancias de la transmisión y aumenta el ancho de banda de amplificación. Debido a su mayor precio y a que no siempre son imprescindibles, los amplificadores de Raman trabajan conjuntamente con los EDFA.

Cuando se trabaja con canales de 10 Gbps o más, son necesarias fibras con compensación de dispersión o DCF (Dispersion Compensation Fiber). Estos componentes evitan el ensanchamiento espectral de cada uno de los canales ópticos, que podría dar a su solapamiento, debido al efecto de dispersión introducido por toda fibra óptica. Puesto que estos componentes añaden mucha atenuación a la señal, suelen ser introducidos en un punto intermedio del terminal, contando con una etapa previa de preamplificación que recibe la señal procedente de línea y una posterior de amplificación que emite la señal que va a ser enviada a la línea de transmisión.

Los sistemas DWDM de ultralarga distancia requieren de complejos cálculos de balance de potencias por canal, algo que se complica aún más cuando se añaden y extraen canales y cuando se incorporan más nodos amplificadores. Los nuevos amplificadores ópticos pueden ir asociados a unidades de monitorización, que son básicamente pequeños espectrómetros ópticos que permiten calcular en tiempo real la potencia y señal a ruido de cada uno de los canales ópticos, optimizando en todo momento y de forma automática el funcionamiento del sistema.

Suministradores

La base instalada de fibra óptica para transmisión a largas distancias en España, está constituida principalmente por fibra antigua del tipo convencional ITU-T G.652, que no está especialmente optimizada para el transporte de tráfico ATM, SDH o GbE con velocidades superiores o iguales a 10 Gbps. La red troncal de fibra "oscura" está constituida principalmente por: Telefónica de España, compañías eléctricas (Endesa, Iberdrola y Unión Fenosa), Renfe y el ente público de Correos y Telégrafos. Esta fibra oscura es alquilada a las operadoras de telecomunicaciones y, para rentabilizarla al máximo, éstas instalan sistemas DWDM de alguno de los suministradores de referencia: Telefónica trabaja con sistemas de Alcatel, Ericsson y Lucent, Jazztel con los de Huawei, Ya.com con los de Ciena, BT con los de Alcatel, ONO principalmente con los de Ericsson, Siemens y Nortel, etc. La mayor disponibilidad de fibra óptica en el entorno metropolitano, así como su mayor calidad, debido a que el tendido es mucho más reciente y realizado por la mayoría de las operadoras aparecidas en los años 1998 y 1999 en España, ha ralentizado el despliegue de sistemas WDM en este entorno, si bien se espera su explosión definitiva para este año.

Los principales fabricantes y suministradores de sistemas DWDM son: Alcatel, Ciena, Cisco, Ericsson, Huawei, Lucent, Marconi y Nortel Networks.

Equipo DWDM larga distancia

Figura 3: Sistema DWDM larga distancia.


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