Redes DWDM metropolitanas
Autor:
Ramón Jesús Millán Tejedor
Publicado en Comunicaciones World nº 164, IDG Communications S.A., 2002
Introducción
Concepto de DWDM
Redes DWDM metropolitanas
Tecnologías competitivas
Mercado de sistemas DWDM metropolitanos
Introducción
En la actualidad y pese a la actual crisis económica mundial, estamos asistiendo a una auténtica revolución de las telecomunicaciones avanzadas derivada, principalmente, de la liberalización del sector y el crecimiento de los usuarios de Internet y de la telefonía móvil, con unas tasas de crecimiento del número de usuarios y de tráfico superiores al 100% y al 50%, respectivamente, durante los últimos años. Según datos de RHK, el ancho de banda que soportarán las redes de telecomunicaciones se incrementará alrededor de un 300% de 8 a 10 años.
Esta situación, ha propiciado la instalación de redes de gran capacidad y bajo coste basadas en la fibra óptica como medio de transmisión. La única tecnología capaz actualmente de explotar todo el ancho de banda ofrecido por la fibra óptica, es la DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), la cual permite además una evolución flexible y económica de las presentes redes, respondiendo a la demanda de mayor ancho de banda por parte de los nuevos servicios multimedia. La DWDM requiere componentes ópticos muy complejos y caros, por lo que desde su aparición ha sido principalmente utilizada en enlaces punto a punto a larga distancia. No obstante, la enorme demanda de ancho de banda y la madurez de la tecnología DWDM, ha permitido su introducción en las redes metropolitanas.
Las redes metropolitanas o MAN (Metropolitan Area Network) son redes que cubren ámbitos de una ciudad o varias ciudades cercanas que hacen de interfaz entre las redes troncales de transporte a largas distancias y las redes de acceso, conectando una amplia variedad de protocolos de los diversos clientes empresariales y residenciales de las redes de acceso a las redes de transporte a largas distancias de proveedores de servicios. Las necesidades de estas redes son: escalabilidad, bajo coste, flexibilidad, robustez, transparencia y anchos de banda relativamente altos y adaptados al cliente. El mercado metropolitano es sensiblemente diferente al de larga distancia, que cada vez se orienta más a la mera transmisión de bits al menor corte, y no es válido exportar los productos de larga distancia a este entorno para satisfacer la actual demanda de ancho de banda derivada del incremento del tráfico de datos.
Mientras en los entornos de larga distancia, la DWDM es prácticamente la única solución viable, en el sector metropolitano aparecen diferentes alternativas y su elección depende del modelo de negocios del proveedor de servicios en cuestión. La aplicación de la DWDM a este entorno de cortas distancias, se ha posibilitado por la búsqueda de un balance entre el precio y el rendimiento de los componentes ópticos, bastante más sencillos y baratos que los utilizados para entornos de largas distancias donde el principal reto actual reside en conseguir un mayor número de longitudes de onda sobre mayores distancias, forzando a los fabricantes de componentes a suministrar componentes aún más caros y de mayor rendimiento.
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 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, 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. El concepto de esta tecnología de transmisión queda reflejada en la Figura 1
La principal ventaja de la tecnología DWDM es el alto ancho de banda que ofrece. Los sistemas DWDM para largas distancias comercialmente disponibles en la actualidad soportan hasta 1,6 Tbps (160 longitudes de onda a 10 Gbps), superando el cuello de botella alcanzando en SDH/SONET en 10 Gbps. También cabe destacar su transparencia, pues en cada una de las longitudes de onda se pueden ubicar diferentes tasas de bit y protocolos de las capas superiores, e incluso señales previamente multiplexadas por división en el tiempo o TDM (Time Division Multiplexing). Recordemos que en la técnica de multiplexación TDM se segregan muestras de cada señal en ranuras temporales que el receptor puede seleccionar mediante un reloj correctamente sincronizado con el transmisor. Los sistemas instalados actualmente transportan, por ejemplo: PDH (140/565 Mbps), SDH/SONET (155/622/2.500/10.000 Mbps), Fast Ethernet (100 Mbps), Gigabit Ethernet (1.000 Mbps), Fibre Channel (100 Mbps), etc. Por otro lado, aunque los sistemas DWDM son relativamente caros debido a la necesidad de componentes ópticos muy avanzados, la reducción en equipamiento y fibras, supone una reducción de costes relativamente grande en sus inversiones y en su mantenimiento.
Las redes DWDM de larga a distancia suelen tratarse de enlaces punto a punto y, por lo general, no suelen utilizar ningún tipo de protección. Se pueden distinguir cuatro tipos de sistemas: el amplificador óptico de línea u OLA (Optical Line Amplifier), el terminal multiplexor y demultiplexor óptico u OTM (Optical Terminal Multiplexer), el terminal de inserción y extracción óptico u OADM (Optical Add and Drop Multiplexers) y el cross-connect óptico u OXCs (Optical Cross Connects). La misión de un OLA es amplificar la señal multiplexada en longitud de onda, es decir, sin ningún tipo de conversión electroóptica. El OTM se encarga de multiplexar (en transmisión) y demultiplexar (en recepción) los canales ópticos. La misión de un OADM es extraer información de un determinado canal óptico, e insertar nueva información sin alterar el resto de canales multiplexados en longitud de onda o DWDM y sin ningún tipo de conversión electroóptica. Los OADM pueden trabajar reutilizando o no los canales ópticos y; los actualmente disponibles son por lo general semifijos, es decir, no es posible determinar mediante el sistema de gestión asociado si un canal óptico debe continuar a lo largo del sistema de transmisión, ser extraído o ser insertado. Finalmente, el OXC es un conmutador de canales entre fibras de entrada y fibras de salida; es, por lo tanto, el elemento que proporciona mayor flexibilidad en la red y por limitaciones actuales en la tecnología óptica la mayoría de los dispositivos comercialmente disponibles realizan conversión electroóptica limitando su transparencia. Las redes DWDM metropolitanas, a diferencia de las de larga distancia, se basan en arquitecturas en anillo dadas sus necesidades de flexibilidad. La arquitectura en anillo, posibilita además, ofrecer a un precio muy económico protección de canal y de línea. Estas necesidades y las cortas distancias que abarcan, explican que los únicos sistemas utilizados sean son los OADM, aunque con diferencias significativas en su diseño respecto a sus equivalentes en el entorno de largas distancias.
La diferencia fundamental entre los sistemas DWDM metropolitanos y los de larga distancia es que no son necesarios amplificares ópticos, con lo cual se consigue un importante ahorro económico en dichos componentes. Los amplificadores ópticos más utilizados son los amplificadores de fibra dopada con Erbio o EDFA (Erbium Doped Filter Amplifier), que permiten amplificar el conjunto de canales ópticos independientemente de su longitud de onda, tasa binaria y protocolo, con unas ganancias muy altas; debiendo trabajar para ello en un determinado ancho espectral y con potencias de entrada de los canales ópticos semejantes para disminuir los efectos no lineales y el ruido óptico que generan en su interior. El hecho de trabajar en distancias más cortas, supone también un menor coste de los láseres utilizados en entornos metropolitanos, pues deben soportar dispersiones menores que los utilizados en largas distancias.
Por otro lado, las longitudes de onda utilizadas en los sistemas DWDM de larga distancia tienen que estar dentro del ancho de banda de los EDFA, que va de 1.530 a 1.625 nm; es decir, abarcan la tercera ventana de comunicaciones ópticas. Las longitudes de onda utilizadas en los sistemas DWDM metropolitanos, en cambio, pueden extenderse en toda la banda de 1.280 nm a 1.625 nm; es decir, abarcan la segunda y tercera ventana de comunicaciones ópticas. Según esto, puesto que el ancho de banda en el cual se pueden disponer las longitudes de onda es sensiblemente mayor en el DWDM metropolitano que en el de larga distancia, es posible utilizar filtros ópticos y láseres menos complejos y baratos. Por ejemplo, los sistemas DWDM de larga distancia trabajan habitualmente con desplazamientos de longitudes de onda menores o iguales 0,8 nm (o 100 GHz) y los metropolitanos superiores a 100 GHz, lo cual supone utilizar láseres con técnicas de integración más sencillas y con más tolerancia a la temperatura. Los láseres utilizados en DWDM son los de realimentación distribuida o DFB (Distributed FeedBack), que permiten obtener canales ópticos muy estables y con un ancho espectral muy pequeño, sin espúreos, y con unas potencias de salida relativamente altas. En cuanto a filtros de multiplexación y demultiplexación de canales, los sistemas de larga distancia utilizan rejillas de guiaondas en forma de matriz o AWG (Arrayed Waveguide Grating), que permiten acoplar y desacoplar un número relativamente alto de canales ópticos con un espaciamiento en longitud de onda muy pequeño, con bajas pérdidas y con alto aislamiento; mientras que los sistemas metropolitanos se basan en componentes que trabajan con menos canales y más económicos, como los filtros de rejilla de Bragg o los filtros de interferencia.
Finalmente, cuando se diseña una red DWDM de larga distancia se deben tener en cuenta los siguientes parámetros: el balance de potencia o diferencia entre la potencia emitida por el transmisor y la mínima capaz de recibir el receptor; la dispersión o ensanchamiento de las longitudes de onda con la distancia recorrida y que puede dar lugar a su solapamiento; las no linealidades o espúreos que pueden aparecer debido a la transmisión de altas potencias a través de la fibra; la ganancia óptima de los amplificadores ópticos o relación entre la potencia a su entrada y salida en el cual su curva de ganancia es más plana amplificando por igual a todos los canales; y el ancho de banda de los amplificadores ópticos o rango de longitudes de onda susceptible de amplificar sin distorsión. Cuando se diseña una red DWDM metropolitana se debe tener en cuenta únicamente el balance de potencia; es decir, la diferencia entre la potencia transmitida por el transpondedor de transmisión y el transpondedor de recepción correspondiente, teniendo en cuenta también todas las pérdidas asociadas a los filtros de extracción e inserción de canales por los que pasa el canal óptico en cuestión. La misión del transpondedor de transmisión es adaptar la longitud de onda recibida del equipo cliente, a una longitud de onda muy estable estandarizada por el ITU-T y con una potencia óptica bien determinada, que será la entrada al multiplexor. El transpondedor de recepción debe recibir el canal óptico correspondiente procedente del demultiplexor, eliminar el ruido óptico, reducir la diafonía entre canales y enviarlo al equipo cliente con una potencia óptica bien determinada y dentro del rango de longitudes de onda susceptibles de ser recibidas por los detectores ópticos del equipo cliente.
Tecnologías competitivas
Para cubrir las necesidades de las redes MAN, las tecnologías competitivas son: SDH/SONET, DWDM metropolitano y Ethernet óptico. Estas tres tecnologías establecerán una intensa batalla para dominar este mercado y cada una tiene una serie de ventajas distintivas para los operadores y sus clientes. Otras tecnologías como FDDI (Fiber Distributed Data Interface) o ATM (Asyncronous Transfer Mode), presentan grandes inconvenientes que producirán su declive paulatino en este mercado.
La tecnología más utilizada en redes MAN en la actualidad, es SONET (Syncronous Optical NETwork ) del ANSI en Norte América y SDH (Syncronous Digital Hierarchy) o JDS (Jerarquía Digital Síncrona) del ITU-T en Europa. Se trata de dos estándares de transmisión digital, en principio 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 o de menor capacidad, presentados por su predecesor, PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) o JDP (Jerarquía Digital Plesiócrona). Tanto PDH, como SONET y SDH, son tecnologías de transmisión basadas en la multiplexación en el tiempo o TDM (Time Division Multiplexing), 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 la 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), aunque en breve aparecerán sistemas a SMT-256 (40 Gbps); siendo un E1 (2 Mbps) o T1 (1,5) la tasa mínima susceptible de manejar. 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) o IP (Internet Protocol) utilizando POS (Packet Over SONET), estandarización mundial, monitorización de errores o calidad de servicio y su potente funcionalidad de administración.
Ethernet óptico está tomando una importancia creciente en el entorno MAN. Se trata de incorporar las ventajas de la óptica respecto al par trenzado de cobre a las características de simplicidad de Ethernet IEEE 802.2; aprovechando además el alto conocimiento técnico que se tiene de esta tecnología y su gran base instalada, constituyendo más del 95% de en redes de área local o LAN (Local Area Networks) en sus modalidades de 10 y 100 Mbps. Aunque la velocidad de Ethernet óptico en su estado actual en el mercado es de 1 Gbps, aparecerán las velocidades de 10 y de 40 Gbps a corto plazo. El Ethernet óptico es escalable, ofrece grandes anchos de banda y es mucho más económico que SDH/SONET aunque también menos fiable y robusta. Los sistemas de Ethernet óptico son también capaces de utilizar eficientemente el ancho de banda; sin embargo, la calidad de servicio o la posibilidad de priorizar aplicaciones en función de su carácter crítico y tratar adecuadamente el tráfico multimedia que ofrecen, es muy limitada. Por otro lado, tampoco se adaptan demasiado bien a las arquitecturas típicas metropolitanas, los anillos, y las distancias alcanzadas son menores que mediante el resto de tecnologías competitivas.
Es decir, la DWDM metropolitana tiene como principales ventajas el enorme ancho de banda que ofrece y su compatibilidad con SDH/SONET y Gigabit Ethernet. No obstante, no puede por el momento competir con SDH/SONET en cuanto a calidad de servicio, estandarización y flexibilidad; ni con Ethernet en cuanto a costes, simplicidad y universalidad.
Mercado de sistemas DWDM metropolitanos
Según un
estudio de Pioneer (www.pioneerconsulting.com),
el mercado de redes MAN ópticas se prevé que crezca desde los 2.980 billones de
dólares en el año 2001 a los 13.174 billones de dólares en el año 2005. Norte
América será el que lidere este crecimiento, debido al entorno competitivo de
sus regiones, el liderazgo en suministro y producción de equipos, la
concentración del tráfico de Internet y la escasez de infraestructura de fibra
óptica metropolitana.
Por otro lado, el mercado mundial de los sistemas DWDM disminuyó en el año 2001 un 14%, suponiendo un total de 7,1 billones de dólares según un reciente estudio de KMI (www.kmicorp.com). Durante los años 1998-2000 se produjo un enorme crecimiento de la tecnología DWDM debido principalmente a la explosión de Internet en 1995, que obligó a los proveedores de transporte a largas distancias utilizar las últimas tecnologías de fibra y equipos ópticos. De esta forma, el mercado de la DWDM prácticamente se duplicó del año 1999 al 2000, desde los 2,3 billones de dólares en 1998 a los 4,2 en 1999 y los 8,3 en el 2000. Con la mayoría de las redes de larga distancia instaladas y preparadas para soportar la mayor demanda de capacidad generada por el aumento de usuarios de Internet, el mercado de equipos DWDM se redujo sensiblemente en el año 2001. De este modo, de los 7,1 billones de dólares invertidas por las operadoras en el año 2001, alrededor de 4,1 billones de dólares corresponden a nuevos equipos, disminuyendo las inversiones en un 26% respecto las del año 2000; mientras que las inversiones para la ampliación de estos sistemas para soportar nuevos canales supusieron 3 billones de dólares, creciendo en un 9%.
No obstante, se prevé que el mercado de sistemas DWDM vuelva a crecer en el 2002, pues aunque el mercado de sistemas de larga distancia se prevé que disminuya un 23%, el de los sistemas metropolitanos aumentará en un 63%. Por otro lado, en cuanto a regiones, se espera un crecimiento superior al 50% en Asia Pacifico y otras regiones del mundo, y una disminución de alrededor del 23% en Europa y Norte América. Por otro lado, haciendo suposiciones de demanda de ancho de banda relativamente moderadas, la consultora KMI estima que el 60-70% de la capacidad de los sistemas instalados durante los años 1999 y 2000 sea utilizada durante los años 2002 y 2003, obligando a los proveedores de transporte a instalar nuevos sistemas. Esto, junto a la proliferación de las tecnologías de acceso de banda ancha como el UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), la RDSI (Red Digital de Servicios Integrados), el ADSL (Asyncronous Digital Subscriber Line) o el LMDS (Local Multipoint Distribution Service), que permitirán ofrecer a los usuarios servicios interactivos y multimedia de diversa índole (videoconferencia, televisión digital de alta definición, transmisión de grandes cantidades de datos entre computadoras y terminales móviles remotos, etc.); supondrán una explosión del mercado de la DWDM a partir del año 2003, alcanzando más de 23,2 billones de dólares en el 2005, de los cuales más del 20% corresponderán a entornos metropolitanos.
En nuestro país, la DWDM es una tecnología utilizada por prácticamente todas las operadoras de telecomunicaciones, siendo Telefónica de España el principal inversor en estos sistemas, cuyas primeras instalaciones en sistemas de larga distancia comenzaron durante el año 1998. Telefónica de España ha sido también la primera operadora en instalar sistemas DWDM metropolitanos, precisamente durante el año 2001. Mientras que el tráfico soportado por los sistemas a larga distancia ha venido siendo principalmente SDH, en los sistemas metropolitanos se espera una gran demanda de tráfico Gigabit Ethernet.
Los fabricantes de sistemas DWDM ya han empezado durante el año 2001 a lanzar productos comerciales adaptados a entornos metropolitanos. Entre los principales fabricantes de estos sistemas, cabe destacar: Alcatel , Ericsson, Huawei Technologies, Lucent Technologies, Nortel Networks, Ciena Corporation, Cisco Systems, Fujitsu, Marconi Communications, NEC, Siemens, Sycamore, y Tellabs. En la Figura 2 se muestra el sistema DWDM metropolitano compacto de Ericsson, una de las líneas de producto de la gama conocida por ERION Metro.
Figura 2: Sistema ERION Metro
Por otro lado, el mercado mundial de los sistemas DWDM disminuyó en el año 2001 un 14%, suponiendo un total de 7,1 billones de dólares según un reciente estudio de KMI (www.kmicorp.com). Durante los años 1998-2000 se produjo un enorme crecimiento de la tecnología DWDM debido principalmente a la explosión de Internet en 1995, que obligó a los proveedores de transporte a largas distancias utilizar las últimas tecnologías de fibra y equipos ópticos. De esta forma, el mercado de la DWDM prácticamente se duplicó del año 1999 al 2000, desde los 2,3 billones de dólares en 1998 a los 4,2 en 1999 y los 8,3 en el 2000. Con la mayoría de las redes de larga distancia instaladas y preparadas para soportar la mayor demanda de capacidad generada por el aumento de usuarios de Internet, el mercado de equipos DWDM se redujo sensiblemente en el año 2001. De este modo, de los 7,1 billones de dólares invertidas por las operadoras en el año 2001, alrededor de 4,1 billones de dólares corresponden a nuevos equipos, disminuyendo las inversiones en un 26% respecto las del año 2000; mientras que las inversiones para la ampliación de estos sistemas para soportar nuevos canales supusieron 3 billones de dólares, creciendo en un 9%.
No obstante, se prevé que el mercado de sistemas DWDM vuelva a crecer en el 2002, pues aunque el mercado de sistemas de larga distancia se prevé que disminuya un 23%, el de los sistemas metropolitanos aumentará en un 63%. Por otro lado, en cuanto a regiones, se espera un crecimiento superior al 50% en Asia Pacifico y otras regiones del mundo, y una disminución de alrededor del 23% en Europa y Norte América. Por otro lado, haciendo suposiciones de demanda de ancho de banda relativamente moderadas, la consultora KMI estima que el 60-70% de la capacidad de los sistemas instalados durante los años 1999 y 2000 sea utilizada durante los años 2002 y 2003, obligando a los proveedores de transporte a instalar nuevos sistemas. Esto, junto a la proliferación de las tecnologías de acceso de banda ancha como el UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), la RDSI (Red Digital de Servicios Integrados), el ADSL (Asyncronous Digital Subscriber Line) o el LMDS (Local Multipoint Distribution Service), que permitirán ofrecer a los usuarios servicios interactivos y multimedia de diversa índole (videoconferencia, televisión digital de alta definición, transmisión de grandes cantidades de datos entre computadoras y terminales móviles remotos, etc.); supondrán una explosión del mercado de la DWDM a partir del año 2003, alcanzando más de 23,2 billones de dólares en el 2005, de los cuales más del 20% corresponderán a entornos metropolitanos.
En nuestro país, la DWDM es una tecnología utilizada por prácticamente todas las operadoras de telecomunicaciones, siendo Telefónica de España el principal inversor en estos sistemas, cuyas primeras instalaciones en sistemas de larga distancia comenzaron durante el año 1998. Telefónica de España ha sido también la primera operadora en instalar sistemas DWDM metropolitanos, precisamente durante el año 2001. Mientras que el tráfico soportado por los sistemas a larga distancia ha venido siendo principalmente SDH, en los sistemas metropolitanos se espera una gran demanda de tráfico Gigabit Ethernet.
Los fabricantes de sistemas DWDM ya han empezado durante el año 2001 a lanzar productos comerciales adaptados a entornos metropolitanos. Entre los principales fabricantes de estos sistemas, cabe destacar: Alcatel , Ericsson, Huawei Technologies, Lucent Technologies, Nortel Networks, Ciena Corporation, Cisco Systems, Fujitsu, Marconi Communications, NEC, Siemens, Sycamore, y Tellabs. En la Figura 2 se muestra el sistema DWDM metropolitano compacto de Ericsson, una de las líneas de producto de la gama conocida por ERION Metro.
Figura 2: Sistema ERION Metro