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CWDM, al asalto de las redes metropolitanas

Autor: Ramón Jesús Millán Tejedor

Publicado en Comunicaciones World nº 184, IDG Communications S.A., 2003

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IntroducciÓn

Durante los últimos años del siglo pasado, se gastaron desenfrenadamente miles de millones de euros en el despliegue y ampliación de redes de telecomunicación que nunca verán un retorno del capital invertido. Sin embargo, las operadoras ya no pueden construir redes sobredimensionadas en cuanto a capacidad de transporte, pues la crisis económica actual exige que la capacidad de la red crezca en función del flujo de beneficios obtenidos a partir de ella. Es decir, la red debe ser rentable desde el primer momento y el retorno de las inversiones debe tener lugar en un corto espacio de tiempo. Esto es tanto más cierto para el equipamiento utilizado en el entorno metropolitano, pues las redes de larga distancia pueden ser rápidamente amortizadas por el largo número de clientes soportados, mientras que las metropolitanas, requieren sistemas de menor coste y menor capacidad para satisfacer los requerimientos del mercado.

El entorno metropolitano actual necesita, por consiguiente, sistemas de transporte físicamente pequeños, de poco consumo, sencillos de utilizar y de bajo coste, que proporcionen suficiente capacidad para la demanda actual y estén preparados para la futura. El vertiginoso ritmo de desarrollo tecnológico se ha visto frenado en gran medida y esto ha supuesto un mayor sentido común en las inversiones financieras. Es preferible utilizar sistemas de bajo coste que retornarán la inversión realizada pronto y que deberán ser sustituidos en 10 años, que sistemas que proporcionarán la capacidad demanda durante los próximos 10 años o más, pero que tomarán la mayor parte de este tiempo para retornar su inversión.

Por otro lado, la demanda de capacidad de transporte en el entorno metropolitano es cada vez mayor, debido a la introducción 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. Esta necesidad de ancho de banda en la red metropolitana suscitó hace unos años un gran interés en los sistemas DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), pues además la transparencia inherente a esta tecnología se adapta muy bien a este entorno, caracterizado por la necesidad de integrar una gran diversidad de clientes, servicios y protocolos. Sin embargo, estos sistemas no cumplieron en ningún momento las previsiones, debido principalmente a que tenían un coste muy alto y no permitían un rápido retorno de las inversiones realizadas en su adquisición y despliegue.

Este panorama propició la búsqueda de tecnologías adaptadas al entorno metropolitano que consiguiesen ofrecer altos anchos de banda a un coste relativamente bajo. El resultado fue la aparición, hace alrededor de un año, de los primeros sistemas comerciales basados en la tecnología CWDM (Coarse WDM). Los sistemas CWDM son considerados habitualmente como una alternativa de bajo coste a los ampliamente utilizados sistemas DWDM. La tecnología CWDM se beneficia del menor coste de los componentes ópticos asociados a una tecnología menos compleja, que aunque limitada en cuanto a capacidad y distancia, se adapta perfectamente a las necesidades de las redes empresariales y metropolitanas de corta distancia.

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, 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.

Concepto de CWDM

Figura 1: Concepto de WDM.

En WDM se distinguen típicamente cuatro familias de sistemas: DWDM de ultra larga distancia, DWDM de larga distancia, DWDM metropolitano, y CWDM. Las cuatro familias utilizan componentes ópticos distintos, siendo más complejos y caros los que soportan mayores capacidades por canal y agregadas, y los que soportan mayores distancias de transmisión. En DWDM de larga y ultralarga distancia el espaciamiento de frecuencias actual es de 50-100 GHz (0,4-0,8 nm), en DWDM metropolitano de 100-200 GHz (0,8-1,6 nm), y en CWDM de 2.500 GHz (20 nm). En cuanto al número de longitudes de onda, mientras en DWDM se utilizan hasta 160-80 y en DWDM metropolitano hasta 32-16, en CWDM se suelen utilizar 8-16. Mientras los sistemas DWDM de larga y ultralarga distancia soportan canales de hasta 10 Gbps, la mayoría de los sistemas DWDM metropolitanos y CWDM actuales tienen su límite en 2,5 Gbps. En cuanto a las distancias que se suelen cubrir, los sistemas DWDM de ultralarga distancia alcanzan hasta unos 5.000 Km sin regeneración electroóptica, los de larga distancia hasta unos 600 Km, los DWDM metropolitanos hasta unos 200-80 Km, y los CWDM hasta unos 80 Km.

Las longitudes de onda utilizables por los sistemas CWDM fueron estandarizadas por el ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication sector) en el año 2002. La norma, denominada ITU-T G.694.2, se basa en una rejilla o separación de longitudes de onda de 20 nm (o 2.500 THz) en el rango de 1.270 a 1.610 nm; pudiendo así transportar hasta 18 longitudes de onda en una única fibra óptica monomodo. Los grupos de longitudes más utilizados son de 1.510 a 1.570 nm para 4 longitudes de onda, de 1.470 a 1.610 nm para 8 longitudes de onda, y de 1.310 a 1.610 nm para 16 longitudes de onda. Los sistemas comerciales CWDM utilizan habitualmente 8 longitudes de onda cubriendo la banda C, L y parte de la S; mientras, los sistemas DWDM actuales de 160 canales, utilizan únicamente las bandas C y L. Para más de 8 longitudes de onda los sistemas CWDM se ven afectados por la alta atenuación originada por el denominado “pico de agua” en el entorno de 1.383 nm o banda E de la fibra óptica monomodo convencional o G.652. Por lo tanto, los sistemas CWDM de 16 canales deben utilizar un nuevo tipo de fibras ópticas, conocidas por ZWPF (Zero Water Peak Fiber) o G.652.C, que eliminan este “pico de agua”. La Figura 2 muestra la rejilla de longitudes de ondas utilizada por CWDM.

La razón de usar en CWDM un espaciamiento de longitudes de onda relativamente grande en comparación con los sistemas DWDM, es que permite emplear componentes ópticos más sencillos y, por lo tanto, también más baratos. De este modo, en CWDM se pueden utilizar láseres con un mayor ancho de banda espectral y no estabilizados, es decir, que la longitud de onda central puede desplazarse debido a imperfecciones de fabricación o a cambios en la temperatura a la que está sometido el láser y, aún así, estar en banda. Esto permite fabricar láseres siguiendo procesos de fabricación menos críticos que los utilizados en DWDM, y que dichos láseres no tengan sofisticados circuitos de refrigeración para corregir posibles desviaciones de la longitud de onda debidos a cambios en la temperatura a la que está sometido el chip; lo cual reduce sensiblemente el espacio ocupado por el chip y el consumo de potencia, además del coste de fabricación. Por lo general en CWDM se utilizan láseres de realimentación distribuida o DFB (Distributed Feed-Back) modulados directamente y soportando velocidades de canal de hasta 2,5 Gbps sobre distancias de hasta 80 Km en el caso de utilizar fibra óptica G.652. Por otro lado, CWDM utiliza filtros ópticos y multiplexores y demultiplexores basados en la tecnología de película delgada o TFF (Thin-Film-Filter), donde el número de capas del filtro se incrementa cuando el espaciamiento entre canales es menor. Esto supone de nuevo una mayor capacidad de integración y una reducción de coste. Estos filtros CWDM de banda ancha, admiten variaciones en la longitud de onda nominal de la fuente de hasta unos 6-7 nm y están disponibles como filtros de un canal o como multiplexores o demultiplexores de típicamente 4 u 8 canales. En definitiva, el impacto económico de utilizar un mayor espaciamiento en longitudes de onda en CWDM respecto a DWDM, es que el precio de los láseres es de unas 5 veces menor y el de los filtros de unas 2 veces menor.

Por otro lado, CWDM utiliza un espectro más amplio que el utilizado por DWDM. Esto, que permite que el número de canales susceptibles de ser utilizados no se vea radicalmente disminuido a pesar de aumentar la separación entre ellos; es posible porque en CWDM no se utilizan amplificadores ópticos de fibra dopada con Erbio o EDFA (Erbium Doped Filter Amplifier) como ocurre en DWDM para distancias superiores a 80 Km. Los EDFA son componentes utilizados antes de transmitir o recibir de la fibra óptica, para amplificar la potencia de todos los canales ópticos simultáneamente, sin ningún tipo de regeneración a nivel eléctrico. Los sistemas CWDM utilizan, de ser necesario por las distancias cubiertas o número de nodos en cascada a atravesar, regeneración; es decir, cada uno de los canales sufre una conversión óptico-eléctrico-óptico de forma totalmente independiente al resto para ser amplificado. El coste de la optoelectrónica en CWDM es tal, que es más simple y menos caro regenerar que amplificar. Por otro lado, puesto que los regeneradores realizan por completo las funciones de amplificación, reconstrucción de la forma de la señal, y temporización de la señal de salida, compensan toda dispersión acumulada; esto no ocurre en la amplificación óptica, a no ser que se utilicen fibras con compensación de dispersión o DCF (Dispersion Compensation Fiber), de alto coste y que además suelen requerir de una etapa de preamplificación previa dada la alta atenuación que introducen.

CWDM es además muy sencillo en cuanto a diseño de red, implementación, y operación, lo cual permite una fácil adopción e implementación de la tecnología por parte de los operadores de transporte, en contraposición a algunos de los complejos sistemas DWDM metropolitanos que han sido utilizado desde hace unos tres años. CWDM se trata de un sistema de transporte con pocos parámetros que necesiten la optimización por parte del usuario, mientras que los sistemas DWDM requieren de complejos cálculos de balance de potencias por canal, algo que se complica aún más cuando se añaden y extraen canales o cuando DWDM es utilizado en redes en anillo, sobre todo cuando los sistemas incorporan amplificadores ópticos.

Rejilla de longitudes de onda de CWDM

Figura 2: Rejilla de longitudes de onda en CWDM según la ITU-T G.694.2.

Con el fin de reducir costes, los suministradores de sistemas CWDM también utilizan protocolos de gestión diferentes a los de los sistemas DWDM. Los sistemas DWDM utilizan el protocolo CMIP (Common Management Information Protocol) de la familia de protocolos OSI (Open Systems Interconnection). Para reducir los costes, los fabricantes de sistemas CWDM utilizan SNMP (Simple Network Management Protocol) de la pila de protocolos TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). La utilización de SNMP frente a CMIP supone, para los fabricantes de equipos, una menor complejidad en el desarrollo de sus herramientas de gestión de red, lo cual redunda en un menor coste de éstas. Por otro lado, el operador se beneficia también porque SNMP está más extendido y es más conocido, consume menos recursos y es más barato de implementar en la red de routers que interconectará la red CWDM con el centro de supervisión central. Por otro lado, la nueva y última versión de SNMP, SNMPv3, solventa muchas de las limitaciones inherentes a las primeras versiones de SNMP que propiciaron la utilización de CMIP en las redes de las grandes operadoras de telecomunicaciones, principalmente las prestaciones de seguridad.

Beneficios

Las tecnologías que lideran el mercado metropolitano en la actualidad, son SDH y Gigabit Ethernet. Cuando la capacidad de transmisión en un enlace óptico no puede ser cubierto por estos sistemas basados en TDM (Time Division Multiplexing), la solución es introducir sistemas WDM; es decir, las tecnologías TDM y WDM son, por el momento, complementarias. De hecho, muchos sistemas WDM, tanto CWDM como DWDM, también pueden multiplexar en TDM las señales de entrada, con el fin de aprovechar al máximo el espectro óptico disponible. Por ejemplo, mediante un sistema CWDM equipado con 8 transpondedores de hasta 2,5 Gbps capaces de multiplexar en el tiempo, se podrían transmitir hasta 16 señales Gigabit Ethernet a 1,25 Gbps; es decir, se agregarían dos señales Gigabit Ethernet en cada canal óptico CWDM.

Según esto, es conveniente centrarse en los beneficios que ofrece CWDM respecto a DWDM para las redes ópticas metropolitanas, sin tener en cuenta otras posibles tecnologías competidoras. Podemos enumerar las ventajas de los sistemas CWDM respecto a los sistemas DWDM, como: menor coste del equipo, menor coste del sistema de gestión asociado, mayor facilidad de instalación y configuración inicial de la red, mayor facilidad de operación y mantenimiento de la red, menor consumo de potencia, y menor espacio ocupado.

En definitiva, CWDM es una tecnología muy sencilla y tiene un coste muy bajo, típicamente de alrededor del 35-65% al de DWDM para el mismo número longitudes de onda, lo que permite que los desembolsos en capital sigan la trayectoria de la generación de beneficios. La única limitación que puede presentar CWDM frente a DWDM en el entorno metropolitano es la menor capacidad soportada. No obstante, varios suministradores WDM ofrecen esquemas de migración entre CWDM y DWDM, de tal modo que, cuando la capacidad de los sistemas CWDM deba ser extendida, algunos puertos CWDM puedan ser substituidos por puertos y filtros DWDM. Según este esquema de migración, hasta 16 canales DWDM separados 50 GHz pueden ser ubicados en el espectro ocupado por un único canal CWDM.


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