miércoles, 7 de septiembre de 2011

Tecnologías CWDM - DWDM.

Breve reseña histórica

El primer sistema WDM en combinar dos señales portadoras hizo su aparición alrededor de 1985. A principios del siglo XXI, la tecnología permite combinar hasta 160 señales con un ancho de banda efectivo de unos 10 gbits por segundo. Ya las operadoras están probando los 40 Gbits/s. No obstante la capacidad teórica de una sola fibra óptica se estima en 1600 Gbit/s. De manera que es posible alcanzar mayores capacidades en el futuro, a medida que avance la tecnología


INTRODUCCIÓN

WDM (multiplexación por división de longitud de onda) es una tecnología que multiplexa varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferente longitud de onda, usando luz procedente de un láser o un LED. De este modo se puede aprovechar en mayor medida el enorme ancho de banda que posee la fibra óptica.

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 de acceso y las redes troncales de transporte a largas distancias. Las necesidades de estas redes son ti­picamente: escalabilidad, bajo costo, flexibilidad, robustez, transparencia y anchos de banda relativamente altos y adaptados al cliente. 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. Esta necesidad de ancho de banda en la red metropolitana suscitó hace unos años un gran interés en los sistemas WDM (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 costo muy alto y no permiti­an un rápido retorno de las inversiones realizadas en su adquisición y despliegue. Sin embargo, la madurez de la tecnología WDM ha permitido conseguir sistemas adaptados especi­ficamente al entorno metropolitano, ofreciendo altos anchos de banda a un costo relativamente bajo. Dentro de la familia de tecnologías WDM, la económicamente más competitiva en cortas distancias es la CWDM (Coarse WDM). 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.





Sistema de transmisión de fibra óptica con WDM


Dentro de la familia WDM existen dos sistemas:

DWDM que a su vez puede ser de ultra larga distancia, de larga distancia o metropolitano.

CWDM.

CWDM (Coarse wavelength Division Multiplexing), que significa Multiplexación por división en longitudes de onda ligeras. CWDM es una técnica de transmisión de señales a través de fibra óptica que pertenece a la familia de multiplexion por divisiòn de longitud de onda (WDM), se utilizó a principios de los años 80 para transportar señal de video (CATV) en conductores de fibra multimodo, fue estandarizado por la ITU-T (Internacional Telecommunication Union – Telecommunication sector), en la recomendación de la norma G.694.2 en el año 2002.

se basa en una rejilla o separación de longitudes de onda de 20 nm (o 2.500 GHz) en el rango de 1.270 a 1.610 nm; pudiendo asi­ transportar hasta 18 longitudes de onda en una única fibra óptica monomodo. De acuerdo con esto, se tienen dos importantes caracteri­sticas inherentes a los sistemas CWDM que permiten emplear componentes ópticos más sencillos y, por lo tanto, también más baratos que en los sistemas DWDM:



Mayor espaciamiento de longitudes de onda. De esta forma, 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 asi­, estar en banda. Esto permite fabricar láseres siguiendo procesos de fabricación menos cri­ticos 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 generalmente como filtros de uno o dos canales.



Mayor espectro óptico. 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 la 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.

Además, CWDM es muy sencillo en cuanto a diseño de red, implementación, y operación. CWDM trabaja 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.


Caracteri­sticas

Posee espaciamiento de frecuencias de 2.500 GHz (20nm), dando cabida a láseres de gran anchura espectral.

18 longitudes de onda, definidas en el intervalo de 1270 a 1610 nm

Los CWDM actuales tienen su li­mite en 2,5 Gbps.

En cuanto a las distancias que cubren llegan hasta unos 80 km.

Utilizan láser DBF (láseres de realimentación distribuidos) sin peltier ni termistor.

Usa filtros ópticos de banda ancha, multiplexores y demultiplexores basados en TFF (tecnología de película delgada)

Mayor espaciamiento de longitudes de onda, lo que indica que si hay una variación en la onda central debido a imperfecciones de los láseres producidos por procesos de fabricación menos cri­ticos esta onda se mantendrá en banda.

Mayor espectro óptico, esto nos permite tener un número de canales para utilizar sin que estos sean disminuidos a causa de la separación entre ellos

Topologi­as

CWDM puede admitir las siguientes topologias:

Anillos punto a punto y redes ópticas pasivas (PON, permite eliminar todos los componentes activos en la red, para introducir componentes pasivos como el divisor o splitter, y así reducir costos y mantenimiento en dicha red)



Anillos locales CWDM que se conectan con anillos metropolitanos DWDM
Anillos de acceso y las redes ópticas pasivas.




Ventajas

Menor consumo energético.

Tamaño inferior de los láser CWDM.

Soluciona los problemas de cuellos de botella.

Hardware y costo operativo más barato referente a otras tecnologías de la misma familia.

Anchos de banda más elevada.

Es más sencillo referente al diseño de la red, implementación y operación.

Mayor facilidad de instalación, configuración y mantenimiento de la red.

Alto grado de flexibilidad y seguridad en la creación de redes ópticas metropolitanas.

Puede transportar cualquier servicio de corto alcance como: SDH, CATV, ATM, FTTH – PON, 10Gibagit, entre otros.




DWDM. (Dense wavelength Division Multiplexing), que significa Multiplexación por división en longitudes de onda densas. DWDM es una técnica de transmisión de señales a través de fibra óptica usando la banda C (1550 nm).

Es un método de multiplexacion muy similar a la Multiplexacion por division de frecuencia que se utiliza en medios de transmisión electromagnéticos. Varias señales portadoras (ópticas) se transmiten por una única fibra optica utilizando distintas longitudes de onda de un haz láser cada una de ellas. Cada portadora óptica forma un canal óptico que podrá ser tratado independientemente del resto de canales que comparten el medio (fibra óptica) y contener diferente tipo de tráfico. De esta manera se puede multiplicar el ancho de banda efectivo de la fibra óptica, asi­ como facilitar comunicaciones bidireccionales. Se trata de una técnica de transmisión muy atractiva para las operadoras de telecomunicaciones ya que les permite aumentar su capacidad sin tender más cables ni abrir zanjas.

Para transmitir mediante DWDM es necesario dos dispositivos complementarios: un multiplexor en lado transmisor y un demultiplexor en el lado receptor. A diferencia del CWDM, en DWDM se consigue mayor números de canales ópticos reduciendo la dispersión cromática de cada canal mediante el uso de un láser de mayor calidad, fibras de baja dispersión o mediante el uso de módulos DCM "Dispersion Compensation Modules". De esta manera es posible combinar más canales reduciendo el espacio entre ellos. Actualmente se pueden conseguir 40, 80 o 160 canales ópticos separados entre si 100 GHz, 50 GHz o 25 GHz respectivamente.





Caracteri­sticas

La fabricación a gran escala de fibra óptica ha posibilitado una disminución de los costes y una mejora en las caracteri­sticas de transmisión de la fibra.
Amplificadores ópticos de ganancia plana para un rango determinado de longitudes de onda que acoplados en linea con la fibra actúan como repetidores eliminando la necesidad de regeneradores.
Filtros integrados de estado sólido de menor tamaño y con posibilidad de ser integrados en el mismo substrato junto con otros componentes ópticos.
Nuevos foto detectores y fuentes láser que permiten integración produciendo diseños más compactos.
Multiplexores y demultiplexores ópticos basados en difracción óptica pasiva.
Filtros de longitud de onda seleccionable, que pueden ser empleados como multiplexores ópticos.
Los multiplexores ópticos Add-Drop (OADM) han permitido que la tecnología DWDM pueda implantarse en redes de diversos tipos.
Los componentes ópticos de conexión (OXC), que pueden implementarse con diferentes tecnologías de fabricación, y han hecho posible la conmutación puramente óptica.

El campo de aplicación de DWDM se encuentra en redes de larga distancia de banda ultra-ancha, asi­ como en redes metropolitanas o interurbanas de muy alta velocidad.

A medida que crece la implantación de DWDM su coste va decreciendo progresivamente, debido básicamente a la gran cantidad de componentes ópticos que se fabrican. Consecuentemente, se espera que DWDM se convierta en una tecnología de bajo coste que permita su implantación en muchos tipos de redes.

La tecnología DWDM requiere dispositivos ópticos especializados basados en las propiedades de la luz y en las propiedades ópticas, eléctricas y mecánicas de los semiconductores. Entre estos dispositivos ópticos se incluyen transmisores ópticos, ADC y OXC.

Las fibras monomodo convencionales pueden transmitir en el rango de 1.300 a1.550 nm. absorbiendo las longitudes de onda de 1.340 a 1.440 nm. Los sistemas WDM emplean longitudes de ondas en los dos rangos posibles (de 1.300 a 1.34o nm 's1.440 a 1.550 nm). Existen fibras especiales que permiten la transmisión en todas las longitudes de ondas comprendidas entre 1.530 y 1.565 nm sin absorción. Sin embargo no todos los componentes opto electrónicos trabajan con la misma eficiencia en todas las longitudes de onda.

Los sistemas DWDM emplean los últimos avances en la tecnología óptica para generar un gran numero de longitudes de onda en el rango cercano a 1.550 nm La ITU-T en su recomendación G.692 define 43 canales en el rango de 1.530 a 1.565 nm con un espaciamiento de 100 GHz, cada canal transportará un tráfico OC-192 a 10 Gbps. Sin embargo, cada di­a salen al mercado sistemas con mayor número de canales. Un sistema DWDM de 40 canales a 10 Gbps por canal proporciona una velocidad agregada de 400 Gbps.

Actualmente, los sistemas comerciales DWDM presentan 16- 40 y 80 canales, y se prevé la próxima salida al mercado de sistemas de 128 canales. Los sistemas con 40 canales presentan un espaciado entre canales de 100 GHz, los que tienen 80 canales tienen un espaciado de 50 GHz. Este espaciado en frecuencia indica la proximidad de los canales entre si­. Un canal no utiliza solamente una única longitud de onda, cada canal tiene un determinado ancho de banda alrededor de la longitud de onda central, cada banda se separa de la siguiente por una banda zona de guarda de varios GH, de esta manera se busca evitar posibles solapes o interferencias entre canales adyacentes.

Estos problemas se deben a derivas en los emisores láser por la temperatura o el tiempo, a que ios amplificadores ópticos no presentan una ganancia constante para todas las longitudes de onda y a los posibles efectos de dispersión, entre otros.



El número de canales depende también del tipo de fibra óptica empleada. Un único filamento de fibra monomodo puede transmitir datos a una distancia aproximada de 80 Km. sin necesidad de amplificación. Colocando 8 amplificadores ópticos en cascada, la distancia puede


aumentar a 640 km.





Topología punto a punto.

La topología punto-a-punto puede ser implementada con o sin OADMs. Estas redes están caracterizadas por velocidades de canales ultra rápidos (10 a 40 [Gbps]), alta integridad y confiabilidad de la señal, y rápida restauración de trayectoria. En redes long-haul (larga distancia), la distancia entre transmisor y receptor puede ser varios cientos de kilómetros, y el número de amplificadores requeridos entre ambos puntos, es típicamente menor que 10. En redes MANs, los amplificadores no son necesarios frecuentemente.
La protección en topologías punto-a-punto puede ser proveída en una pareja de caminos. En los equipos de primera generación, la redundancia es un nivel del sistema. Líneas paralelas conectan sistemas redundantes a ambos extremos.
En los equipos de segunda generación, la redundancia es al nivel de tarjeta. Líneas paralelas conectan un solo sistema en ambos extremos que contienen transpondedores, multiplexores y CPUs redundantes.
Un esquema de este tipo de topología se puede observar en la Figura C.8


Figura C.8. Topología punto-a-punto.



Topología de anillo.

Los anillos son las arquitecturas más comunes encontradas en áreas metropolitanas y en tramos de unas pocas decenas de kilómetros. La fibra anillo puede contener sólo cuatro canales de longitudes de onda, y típicamente menos nodos que canales. El Bit Rate está en el rango de los 622 [Mbps] a los 10 [Gbps] por canal.
Con el uso de OADMs, los que bajan y suben longitudes de onda en forma transparente, es decir que las otras no se ven afectadas, las arquitecturas de anillo permiten a los nodos tener acceso a los elementos de red, tales como routers, switches y servidores, con la subida y bajada de canales de longitudes de onda en el dominio óptico. Con el incremento en el número de OADMs, la señal está sujeta a pérdidas y se pueden requerir amplificadores.
Para la protección en esta topología se utiliza el esquema 1+1. Se tiene dos líneas de conexión, la información se envía por una de ellas. Si este anillo falla, se switchea la trayectoria al otro anillo. Un esquema de esta topología se puede observar en la Figura C.9.




Figura C.9. Topología anillo.

Topología de malla.

La arquitectura de malla es el futuro de redes ópticas. Como las redes evolucionan, las arquitecturas de anillo y punto-a-punto tendrían un lugar, pero la malla sería la topología más robusta. Este desarrollo sería habilitado por la introducción de los OxCs (Optical Cross-Connects) y switches configurables, que en algunos casos reemplazarían, y en otros suplementarian, a los dispositivos DWDM fijos.
A partir del punto de vista del diseño, hay una airosa trayectoria evolutiva de topologías de punto-a-punto y malla. Al comienzo de enlaces punto-a-punto, dotados de nodos OADM al principio para flexibilidad, y posteriormente en las interconexiones, la red puede evolucionar en una malla sin un rediseño completo. Adicionalmente, las topologías de anillo y malla pueden ser conectadas a enlaces punto-a-punto (ver Figura C.10).




Figura C.10. Arquitecturas malla, punto-a-punto y anillo.



Las redes DWDM tipo malla, consistiendo en nodos totalmente ópticos interconectados, necesitarían de la próxima generación de protección. Donde los esquemas de protección previos están basados en redundancia del sistema, de tarjeta, o al nivel de fibra, la redundancia ocurriría al nivel de longitud de onda. De esta forma, entre otras cosas, un canal de datos podría cambiar de longitud de onda a medida que viaja a través de la red, debido a una falla en el ruteo o switcheo.
Las redes tipo malla, por lo tanto, requerirían de un alto grado de inteligencia para realizar las funciones de protección y administración de ancho de banda, incluyendo a la fibra y al switcheo de longitud de onda. Los beneficios en flexibilidad y eficiencia, realmente, son potencialmente grandes. El uso de fibra, el cual puede ser bajo en soluciones anillo puesto que requieren de protección de fibra en cada anillo, puede ser mejorado en un diseño de malla. La protección y restauración pueden estar basadas en caminos compartidos, por esta razón se requiere de pocos pares de fibra para la misma cantidad de tráfico y no desperdiciar longitudes de onda sin usar.


Canales DWDM


Distribución en canales DWDM estándar:


– Espaciados oficiales entre canales de 100 GHz (0,8 nm, 41canales) o 50 GHz (0,4 nm, 82 canales)


– Banda C, convencional, de longitud de onda más corta


– Banda L, longitud de onda más larga (hasta 1610 nm)


– Se empieza a utilizar el espaciado de 50 GHz (o incluso de 25 y 12,5 GHz: WDM ultra-denso) y también la bandas (1490 nm)


Transmisión DWDM


DWDM mono:




DWDM bidireccional:


Láseres sintonizables en todo el rango EDFA, con espaciado de 100, 50 y hasta 25 GHz


Posibilidad de receptores sintonizables


Nuevos amplificadores ópticos


Velocidades de hasta 10 y 40 Gbps (dependiendo de la longitud) para cada λ


Componentes DWDM


Multiplexor óptico “Add/Drop” (OADM)


Conmutador cruzado óptico (OXC)


Conversor de longitud de onda


Separador óptico /combinador


Encaminador por longitud de onda


Multiplexores por división de tiempo ópticos (OTDM)


Multiplexor óptico “Add/Drop”






Tabla comparativa entre tecnologías WDM según el tipo de aplicación.





EQUIPOS UTILIZADOS POR CWDM/DWDM

Multiplexor Fibra Óptica y Diodo laser DFB 750-2800nm



Plataforma dwdm/cwdm y Diodo laser 760-3000nm





Láser de fibra DFB y Filtro OPtico







MAPA MENTAL




CONCLUSIONES

Cuando es necesario el uso de WDM en una red metropolitano, la mejor opción normalmente será CWDM. Aunque tiene una serie de limitaciones (capacidad, distancia...) respecto a DWDM, en muchos casos cumple los requisitos necesarios, siendo además en torno a un 50% del de DWDM, ya que los equipos necesarios para CDWM son más baratos.


El hecho de la reducción de precio es muy importante teniendo en cuenta las fuertes inversiones que requieren este tipo de infraestructuras inicialmente, ya que de este modo incentiva su creación. Además, aunque en principio se podría pensar que debido al más que probable aumento de la necesidad de ancho de banda, CWDM podría no cubrir las necesidades a largo plazo, existe la posibilidad de actualizar desde CWDM a DWDM.


CIBERGRAFIA


http://www.ccfargo.com/Pdf/WDM.pdf

http://www.fdi.ucm.es/profesor/jseptien/WEB/Docencia/AVRED/Documentos/Tema5.pdf

http://ldc.usb.ve/~figueira/Cursos/redes2/EXPOSICIONES/DWDM/material/dwdm9.htm

http://ldc.usb.ve/~figueira/Cursos/redes2/EXPOSICIONES/DWDM/material/dwdm7.htm


ENLACES DE VIDEOS DE CWDM-DWDM

http://www.youtube.com/watch?v=OHFbTMTZBR4 CWDM
http://www.youtube.com/watch?v=iiS0RoyiqlA CWDM
http://www.youtube.com/watch?v=iDKSLIOAI0U DWDM
http://www.youtube.com/watch?v=74iRFcw_40Q&feature=related DWDM



Autores:

DAIRO ALBERTO MENCO PADILLA
JHON FREDY VALENCIA PINO

1 comentario:

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