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Tecnología DWDM de 100G/400G

José Ignacio Quintero, Ing. Universidad Simón Bolívar

Jquintero1@gmail.com

I.Introducción El continúo crecimiento del tráfico en Internet, potenciado por la aparición de terminales inteligentes que catalizan dicho crecimiento; así como los nuevos patrones de uso de la red como lo es el video; está liderando los perfiles de trafico de la red, colapsando muchas de las redes de transporte de los operadores de telecomunicaciones. Muchos de esos operadores cuentan con infraestructuras de transporte basadas en tecnología DWDM con lambdas de 10G, dichas redes ya tiene un elevado uso de la grilla óptica, en muchos casos superior a 75 % de ocupación del espectro óptico. Por lo que les será muy complicado poder adaptarse a la tendencia del crecimiento con la infraestructura actual. El objeto de este documento es el de presentar un resumen sobre las tecnologías DWDM 100G y 400G. El mismo estará compuesto por 4 capítulos: el primer capítulo, donde se expone la justificación de esta tecnología. El segundo capítulo presenta la situación actual del proceso de estandarización de las dos tecnologías. En el tercer capítulo se hará una descripción de las técnicas de telecomunicaciones empleadas en las tecnologías en estudio. Por último se presentarán los equipos y sistemas que usan las tecnologías DWDM de 100G, 400G y las aplicaciones y servicios que son prestadas sobre éstas.

II.Planteamiento del problema Las redes ópticas de transporte están sufriendo transformaciones forzadas por la demanda de los usuarios, por nuevos servicios y aplicaciones; el incremento del tráfico de Video y las redes sociales también han impulsado esas transformaciones. EL crecimiento en la penetración de Internet, el aumento de los terminales inteligentes y las tabletas, están cada vez exigiendo más capacidad de las redes de acceso y en consecuencia de las redes de transporte. De igual manera la tendencia al mayor uso de la red para visualizar video, ya sea por demanda o servicios de televisión no lineal están sirviendo de catalizador y empuje para que se requieran mayores capacidades. Hoy el video se está convirtiendo en el protagonista de Internet, ya que es el más atractivo para los usuarios, además que su efecto a nivel de la captación del mensaje es mucho más efectivo. Este tráfico de video es y será el tipo de tráfico que forzará a los operadores a actualizar sus redes y aumentar sus capacidades, de manera tal, que la calidad de experiencia de los usuarios de la red sea satisfactorio. Los operadores se ven obligados a incrementar sus capacidades de transporte a velocidades mayores, para ello usan sistemas ópticos DWDM, con varias longitudes de onda y capacidades de 10 Gbps. por longitud de onda en un par de fibras ópticas; para poder seguir manteniendo el uso de la planta de fibra óptica instalada. Sin embargo ya las redes actuales están cerca de su máxima ocupación del espectro óptico, por lo que incrementar capacidades adicionales de 10 Gbps. no va a satisfacer la demanda. Por ello los operadores se ven en la necesidad de plantearse la pregunta de desarrollar planta de fibra nueva o evolucionar a una nueva tecnología. La opción de construir red de fibras ópticas nueva para aumentar los hilos y en consecuencia aumentar así la capacidad representa inversiones muy altas, debido al impacto muy fuerte de los costos de obras civiles asociados a la instalación y enterrado de nuevos cables en cientos de kilómetros. Aquí radica la evolución tecnológica de 100 G/400G G, la cual permite el uso de la planta de fibra óptica actual, y evita en muchos casos la utilización de compensadores de dispersión cromática y

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de polarización; permitiéndole al operador minimizar el costo por megabit y maximizar su infraestructura de transporte óptica. Gracias a la detección coherente, y avanzados métodos de codificación y modulación se pueden lograr velocidades de transmisión de 100G /400 Gbps. por longitud de onda, y con menos requerimientos técnicos sobre la fibra óptica actual. Con la ventaja de que la tecnología ya está disponible desde el punto de vista comercial, pudiéndose implementar en el corto plazo. Actualmente con las tecnologías de 10Gbps por longitud de onda, teóricamente se pudiera transportar 88 Lambdas, con un total de capacidad de 880 Gbps. Sin embargo debido a los efectos no lineales de la F.O.; en muchos casos solo se pueden transmitir entre 30 a 40 lambdas, lo que reduce la capacidad del enlace de 300Gbps a 400 Gbps. Con la nueva tecnología se pueden multiplexar hasta 88 lambdas de 100Gbps, para un total de 8,8 terabits/seg, o 44 lambdas de 400 Gbps. para un total de 17 Terabits/seg de capacidad en la misma fibra óptica, esto representa una capacidad de crecimiento que es superior al sistema actual.

III.Estándares y Órganos de Estandarización involucrados A continuación se describirán de manera muy resumida los 4 estándares para redes ópticas de 100G y 400g, así como los estándares funcionales básicos que sustentan dichas tecnologías. El primer estándar (ITU-T) G.872 relacionado a la arquitectura de red Óptica (OTN), sobre el que se fundamental los otros tres estándares; el segundo estándar es el que define la ocupación del espectro óptico por los canales o longitudes de onda que se multiplexarán, para ser transmitidas sobre el hilo de fibra óptica (ITU-T G. G.694.1). El tercer estándar define las estructuras de las nuevas interfaces y capas para las redes ópticas de transporte OTN (ITU-T G.709). El último estándar define las especificaciones de Interfaz y velocidad de líneas, así como la conformación de canales para las tasas de transmisión de 100Gbps y 400Gbps para interfaces Ethernet (IEEE 802.3ba). A. Recomendación G.872 Arquitecturas para redes Ópticas (OTN) Hay un número importante de estándares del ITU-T, que caen bajo la definición de OTN (Optical Transport Network). El estándar G.872, define la arquitectura de la red óptica de transporte (OTN) y es donde se define la implementación del nivel de canal óptico (OCh), la sección de multiplexación óptica (OMS) y la sección de transmisión óptica (OTS). Según el ITU-T G.872, se definen dos clases de interfaces: interfaces inter-dominio (IrDI) y la interfaz intra-dominio (IaDI) con el objeto de garantizar la interoperabilidad y compatibilidad entre operadores y entre redes dentro de un mismo operador La interfaz inter- dominio (IrDI), fue definida con la función de procesamiento 3R, cuyo objeto es el de garantizar la interoperabilidad y compatibilidad entre operadores y entre diferentes fabricantes. La interfaz intra-dominio (IaDI), fue definido con el objeto de garantizar compatibilidad entre redes dentro del dominio de un operador, lo que también puede interpretarse como compatibilidad entre equipos de diferentes fabricantes (ver figura 1)

Fuente: ITU-T OTN tutorial

Figura 1: Clases de Interface para redes OTN.

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B. Recommendación G.694.1 Spectral Grid for DWDM Applications (espectro de la grilla para aplicaciones DWDM) El ITU-T en su recomendación G.694.1, definió la estructura de la grilla de espectro óptico para el uso de aplicaciones basadas en multiplezaje por división de longitud de onda densa (DWDM). En su primera definición del estándar solo contemplaba el uso de la grilla Fija, sin embargo con el advenimiento de los sistemas de 400G y superiores, la ITU-T, publicó una actualización de la norma en Febrero del 2012, la cual concibe la posibilidad de aplicaciones DWDM de uso de grilla flexible. Lo que supone la posibilidad de usar tamaños de ranuras de la grilla desde los 12,5 GHz hasta 100 GHz de ancho. Dado el espaciado del canal en GHz y el centro de frecuencia en Thz, se tendrá la distribución de canales de la siguiente forma, con n enteros positivos u negativos incluyendo el 0: Separación 12,5 GHz: 193,1 THz + n * 0,0125 Separación 25 GHz: 193,1 THz + n * 0,025 Separación 50 GHz: 193,1 THz + n * 0,050 Separación 100 GHz: 193,1 THz + n * 0,1 En otras palabras para una separación de 50GHz, se puede obtener en la banda C, un total de 88 canales; si la separación es 100 GHz, se puede obtener 44 canales; si la separación es de 25 GHz, se puede obtener 176 canales y si la separación es de 12,5 GHz se puede obtener 352 canales. En la figura 2 se muestra una distribución de grilla fija y en la figura 3 una distribución de grilla flexible.

Fuente: ITU-T G.694.1

Figura 2: Distribución de grilla fija de canales de 50Hz

Fuente: ITU-T G.694.1

Figura 3: Distribución de grilla flexible canales de 50 y 75 GHz C. Recomendación G.709 -Hierarchy Optical Transport Network (Jerarquía de red de transporte óptico) La recomendación ITU-T G.709, define los requerimientos de interfaces de la red óptica de transporte (OTN) y define los estándares para el transporte transparente de servicios sobre longitudes de onda en sistemas DWDM; la cual es considerada como jerarquía óptica de transporte (OTH). Del mismo modo se definen la estructura de trama, las tasas de transmisión y los formatos de conexión de tráfico de clientes. La estructura de trama definida por el estándar G.709 está definida por 3 áreas:

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.- OPUk es el área definida para la carga útil (Payload).

.- ODUk contiene el OPUk con Bytes de overhead adicionales.

.- OTUk es la sección de entramado. El sistema DWDM basado en redes ópticas está conformado por canales que contienen las señales digitales de cliente, este se denomina OTN OTUk. El OTN OTUk es la señal digital de la longitud de onda, adicionalmente incluye el overhead del OTUk para el canal óptico del canal de unidad de datos (ODU, optical data unit) en el nivel K determinado (ODUk) y el bloque para detección y chequeo de errores (FEC). La trama OTUk consiste de 4 filas de 4080 Bytes, independientemente del nivel de K. Cada ODUk contiene una unidad de carga útil de canal óptico (Optical Channel Payload unit) (OPUk), el cual lleva uno o más ODUks (ver figura 4).

COLUMN

1 14 15 16 17 3824 3825 4080

1

2

3

4

OTU Overhead

R

O

W

OPU

Ove

rhea

d

OPU(Payload) FEC

Och Payload FEC AreaOch Overhead

ODU Overhead

Frame Align Overhead

Fuente: ITU-T G.694.1

Figura 4: Estructura de trama OTN El numero K define la tasa de transmisión; 1 significa 2.5 Gbps, 2 Significa 10.7 Gbps, 3 Significa 43 Gbps, 4 significa 111,81 Gbps, y 5 puede ser 449.219 Gbps. La tabla 1 muestra las tasa de transmisión para cada una de las jerarquías OTN.

Fuente: OFC/NFOEC Technical Digest © 2012

Tabla 1: Estructura de trama OTN

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Para todos los casos de las capacidades de OTU1 hasta OUT 4, son tasas de transmisión que serán conducidas sobre una sola longitud de onda. D. IEEE 802.3ba Task force 2010

El estándar IEEE 802.3ba, define los parámetros de control de medio de acceso (MAC), la capa física y parámetros de gestión para la operación de sistemas de 40 Gbps y 100Gbps. A diferencia del estándar ITU-T G.709, en el cual se transporta los 40 Gbps, 100 Gbps en un solo canal del espectro óptico (Sistema Serial), para el estándar IEEE 802.3ba el flujo de 40 Gbps y 100Gbps se transporta de forma paralela, y dependiendo de la distancia, esta se puede transmitir en varios medios físicos separados o multiplexado en uno solo (ejemplo fibra óptica). En Junio del 2010, el task force del IEEE 802.3ba liberó el estándar para 40 Gbps y 100 Gbps, lo que se denomina como 40 GE y 100GE, para diferenciarlo del 40G y 100G del ITU-T G.709. Aunque los dos organismos trabajaron al inicio de forma separada, posteriormente se realizaron trabajos en conjunto, de tal manera que las capacidades de 40 GE y 100 GE, pudieran ser consideradas como interfaces y tasas de transmisión admitidas en la arquitectura OTN, como validas como interfaces de cliente. Es así que del trabajo conjunto dio su resultado en el 2010, donde primero se libero el estándar IEEE 802.3ab en Junio del 2010, y posteriormente el grupo de trabajo SG15 liberó el estándar G.709 para velocidades de 40 G y 100G. La figura 5 muestra como se trabajó en el tiempo, el estándar en paralelo del IEEE 802.3ba y el ITU SG15 G.709.

2007Q1 Q4Q2 Q3

2009Q1 Q4Q2 Q3

2008Q1 Q4Q2 Q3

2010Q1 Q4Q2 Q3

IA to Straw BallotIA Borrador100G Project

Arranque

IA to Principal Ballot

Project Completado

G.709 Amd3ConsensoOTU4 Definición

ODU4 Propuesta

G.709 New Version Consenso

ITU-T SG15 OTU-4 standard

IEEE 802.3ba D2.0 802.3WG Ballot

IEEE 802.3ba 40GE/100GE Standard

IEEE 802.3ba D3.0 LMSC Ballot

IEEE 802.3ba 40GE/100GE Aprobado

IEEE 802.3ba D1.0 TF Borrador

Fuente: Alcatel-Lucent 100Gbs status

Figura 5: tiempo de estandarización para 40 Gbps y 100 Gbps Dependiendo de la distancia y del tipo de conexión el estándar IEEE 802.3ba considera para cortas distancias menores a 100 Metros la conexión entre los puerto de 40GE y 100GE la utilización de 4 o 10 pares de hilos independientes para transmitir el total de 40 Gbps y 100Gbps (Sistema Paralelo Físico), para distancias de 10 Km y 40 Km, se emplea la técnica de multiplicación WDM de 4 o 10 Lambdas respectivamente, cada una transportando 10G, para un total de tasa de transmisión de 40 Gbps o 100 Gbps. La tabla 2 muestra la denominación de las interfaces de 40GE y 100GE, dependiendo de la distancia y el número de líneas o canales. Ejemplo 100GBASE LR4, 100 Gbps, 10 Km distancia máxima, 4 lambdas de 25 Gbps.

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Tasa de Tx

Medio

Esquema de codificación

Canales/líneas

Cobre F.O Cobre óptico

40 G = 40 Gb/s

100 G = 100 Gb/s

K = Backplane

C= Cable Assembly/Cupp

er

S = Short Reach (100 m)

L = Long Reach (10 km)

E = Extended Long Reach(40 km)

R = 64B/66B Block Coding

N = 4 or 10 n = número de canales o longitudes

de onda

40 G Coax C R 4

40G SMF 10km L R 4

100G SMF 10km L R 4

100G SMF 40Km E R 4

100G SMF 10 Km L R 10 *

Tabla 2: Denominación de las interfaces de 40GE y 100GE (*) 10 Líneas de 10G no es un valor estandarizado por IEEE 802.3 ba, pero es usado como

estándar de facto por multi-source agreement (MSA) Los tipos de interfaz o puerto físico, son el CFP para 100GE y el QSFP+ para 40GE, los cuales actúan como los tranceivers , y son quienes definen el tipo de conexión (número de lambdas y distancia a alcanzar). La figura 6 muestra los tipos de tranceivers para 100GE y 40GE

CFP CFP2 CFP4 QSFP+

Fuente: CFP-MSA.ORG Figura 6: tipos de tranceivers para 100GE y 40 GE

Estos módulos o Plugings, se hicieron una realidad comercial después de la fecha de estandarización en poco tiempo y a un costo medianamente reducido gracias a la decisión del grupo de tarea IEEE 802.3ba, de que para 40 GE y 100GE, se usarán las mismas técnicas de modulación y detección empleadas en redes ópticas de 10GE como la modulación OOK-NRZ (On-Off Keying) y detección directa. Con esto se garantiza que se podría usar la misma infraestructura de fibra óptica que se viene usando para 10 GE, para los nuevos sistemas de 40GE y 100GE. Esto se logró por la trasmisión en paralelo de n canales 10G para lograr las tasas de Tx de 40Gbps y 100Gbps, con esta decisión se evitaron los problemas inherentes a los efectos no lineales de la fibra óptica a tasas de tx de 40Gbps y 100 Gbps. En caso contrario tendrían que emplearse técnicas de modulación y detección avanzada que elevarían los costos de producción de los sistemas de 40 GE y 100GE y de esa manera dificultaría su implementación masiva en el mercado de los operadores de telecomunicaciones. E. Actividad de estandarización para 400G (IEEE 802.3ba y ITU-T SG15 G.709) En mayo del 2010 se reunieron en Ginebra el grupo de trabajo del ITU-T WP15 y el grupo de tarea del IEEE 802.3ba en consorcio, para definir el futuro de Ethernet y de su transporte sobre las redes ópticas. Uno de los puntos de discusión era la definición del próximo salto de la tasa de transmisión de Ethernet después de 100 Gbps (OTU4). El siguiente salto sería el OTU5 Sin embargo ha habido mucha discusión sobre cuál debe ser la tasa de transmisión para OTU5, muchos fabricantes se han inclinado por 400 Gbps y otros por 1 Tbps. Sin embargo ya hay mucha

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aceptación de que el próximo nivel de Ethernet sea 400 Gbps. En la tabla 3, se puede observar las diferentes tasas de transmisión encima de 100Gbps, que se han venido discutiendo para Ethernet. En la misma se puede observar que para 400 Gbps, se puede llegar a la tasa de transmisión de 400 Gbps tomando 16 canales de 25 Gbps, 10 canales de 40 Gbps u 8 canales de 50 Gbps. La opción que más aceptación está ganando es la de 16x25, ya que los canales de 25 Gbps ya se vienen usando en la interfaz de 100 Gbps en su configuración 100GBase LR4, donde cada canal es de 25 Gbps.

Ethernet Mac Tasa de TX

Opciones  señalización Eléctrica (Host board a módulo)

Opciones de señalización 

óptica Lineas PCS 20x10.3125Gb/s 8x25.78125Gb/s8x25.78125Gb/s 5x41.25Gb/s

4x51.5625Gb/s25x10.3125Gb/s 10x25.78125Gb/s10x25.78125Gb/s 5x51.5625Gb/s30x10.3125Gb/s 12x25 78125Gb/s12x25.78125Gb/s 6x51.5625Gb/s16x25.78125Gb/s 16x25.78125Gb/s

10x40.125Gb/s8x51.5625Gb/s

40x25.78125Gb/s 40x25.78125Gb/s25 40 125Gb/20x51.5625Gb/s10x103.125Gb/s

400 Gbps 80

1 Tbps 200

200 Gbps 40

250 Gbps 50

300 Gbps 60

Fuente: Scaling the P802.3ba and G.709 Architectures; IEEE/ITU-T SG15, 2010

Tabla 3: Denominación de las interfaces de 40GE y 100GE Aun falta mucho por discutir sobre el estándar IEEE 802.3ba de 400 GE, se espera que la decisión final del estándar esté lista para el segundo semestre del 2015. Sin embargo debido a la presión del mercado y la gran demanda de capacidad para las redes, pueden que terminen acelerando la aprobación del estándar para mediados o finales del 2014. Esto está también motivado a que el desarrollo paralelo del estándar de la ITU-T SG15 G.709, está muy avanzado y ya hay fabricantes con soluciones comerciales disponibles de 400Gbps en una lambda. De forma paralela al IEEE, el ITU-T SG15 G.709, ya ha adelantado las primeras opciones de implementación de los sistemas ópticos de 400 Gbps (ver tabla 4). La primera es la solución dual carrier, con modulación PM-16QAM, donde cada portadora puede llevar 224 Gbps, la segunda opción es la dual carrier con modulación PM-TC-32QAM, ambas mantiene una ocupación de 100 GHz (50 Hhz por canal). La tercera opción usa cuatro sub-portadoras de 112 Gbps, con modulación PM-TC-16QAM. De todas las opciones, la cuarta opción (cuatro sub-portadoras de 112 Gbps, con modulación PM-TC-16QAM) es la que presenta menos exigencias de OSNR del sistema (ver línea verde Figura 7). Sin embargo es la que representa mayor complejidad ya que hay que modular 4 Sub-portadoras, siendo esta alternativa de mayor consumo de energía. Las tres últimas opciones de la tabla 4, representan las alternativas prácticas ya empleadas por un fabricante de equipos DWDM. La línea negra de la figura 7, representa la relación BER vs OSNR , para un canal de 100 Gbps

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Altenativa de Modulación Ancha de banda del Canal por λ (GHz)

Tasa de Simbolos (Gbaud)

Eficiencia Espectral  Bps/Hz

Una portadora  λ a 112 Gbps        PM‐QPSK 50 28 2Dos portadoras  λ a 224 Gbps      PM‐16QAM 50 28 4Dos portadoras  λ a 224 Gbps      PM‐TC‐32QAM 50 28 44 portadoras  λ a 112 Gbps            PM‐TC‐16QAM 25 18,7 4Dos portadoras  λ a 200 Gbps      DP‐8QAM 50 43,3 42 portadoras  λ a 200 Gbps            DP‐16QAM 37,5 32,5 5,33/4Una portadoras  λ a 200 Gbps      DP‐64QAM 50 43,3 8

Fuente: Optical Ethernet IEEE Photonics Society Summer Topical Tabla 4: alternativas para 400G

Fuente: Optical Ethernet IEEE Photonics Society Summer Topical

Figura 7: BER vs OSNR para las alternativas de 400G

Aunque hasta la fecha la ITU-T, no ha culminado el proceso de estandarización para OTU5 de 400 Gbps en su recomendación G.709, ya hay fabricantes de equipos de telecomunicaciones que tienen una solución comercial disponible de transponder de 400Gbps. Una de estas soluciones es de la empresa Alcatel-Lucent, la cual tiene las siguientes características:

F. Sistema de 400G de Alcatel-Lucent: Portadora dual, con modulación PDM-16QAM, donde cada portadora aporta 200 Gbps, en un espacio de canal del espectro óptico de 50 GHz, con una eficiencia espectral de 4 Bits/s/Hz y una tasa de símbolos de 43,3 Gbaud. Tomando el espectro óptico de la tercera ventana (banda C), se puede multiplexar hasta 44 canales con una capacidad total por par de hilo de F.O de 17 Terabits/s. En caso de usar grilla flexible entonces se puede ocupar 58 Canales, para una capacidad máxima de 23 Terabits/s. La figura 8

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Muestra el tipo de modulación PDM-16QAM y la ocupación del canal con la doble portadora. Ahí se observa que cada OTU5 de 400 Gbps ocupará 100 GHz en el espectro óptico, 50 GHz por sub-portadora

Fuente: Optical Fuente: Bell Labs - Alcatel-Lucent

Figura 8: Sistema 400G de Alcatel-lucent Del mismo sistema descrito anteriormente, se puede disponer de transponder ópticos flexibles , que con cambio vía software, puede alterar la modulación y aumentar así la tasa de transmisión, pudiendo pasar de 100 Gbps (PDM-BPSK) a 200 Gbps (PDM-QPSK) y a 400 Gbps (PDM-16QAM), sin cambio de hardware ni cambio de infraestructura de F.O. La figura 9 muestra las tres diferentes tasas de transmisión y los tipos de modulación correspondientes así como su constelación Modulación Adaptativa y variable por software

PDM-BPSK

PDM-QPSK

PDM-16QAM

100G

200 G

400 G

Fuente: Bell Labs - Alcatel-Lucent Figura 9: Sistema 400G flexible de Alcatel-lucent

Con la visión de apuntar a las soluciones de 1 Terabit/s, la nueva solución de 400Gbps la cual está en fase de pruebas de campo tiene la siguiente característica: Una sola portadora, con modulación PDM-64QAM, en un espacio de canal del espectro óptico de 50 GHz, con una eficiencia espectral de 8 Bits/s/Hz y una tasa de símbolos de 43,3 Gbaud.. Tomando el espectro óptico de la tercera ventana (banda C), se puede multiplexar hasta 88 canales con una capacidad total por par de hilo de F.O de 35.2 Terabits/s.

IV. Técnicas de Comunicaciones Teniendo como base la modulación NRZ, usada en sistema de detección directa, como son los sistemas con lambdas de 10Gbps. En estos sistemas al intentar aumentar las tasas de transmisión a 40 Gbps, 100 Gbps, y 400 Gbps, se tiene que enfrentar con unos obstáculos asociados a los fenómenos de la fibra óptica como los efectos lineales y no lineales: En el caso de los efectos lineales se debe enfrentar al efecto de la dispersión cromática (CD) y la dispersión por modo de polarización

Dispersión Cromática (DC): fenómeno producido por las diferentes componentes de frecuencia de la señal de luz, la cual al viajar por la fibra óptica, cada una de esas componentes viaja a diferentes velocidades, lo que genera un ensanchamiento del pulso, y en caso de aumentar la

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velocidad de transmisión se pudiera generar interferencia inter-simbólica. La dispersión cromática es una relación lineal a la distancia. Se mide por el coeficiente de dispersión cromática de la fibra (ps.nm/km) por la distancia en Km, quedando la dispersión medida en ps.nm- (ver Figura 10).

Dispersión Cromática

Figura 10: Dispersión Cromática, ensanchamiento del pulso (Fuente: EXFO.com)

Debido al ensanchamiento de los pulsos, y al aumentar la tasa de transmisión, entonces la tolerancia al efecto de Dispersión cromática se hace cada vez menor, lo que obligaría a hacer proyectos de transmisión de corta distancia, situación que no es práctica. La tabla 5 muestra las tolerancias teóricas máximas para sistemas basados en modulación NRZ y detección Directa.

Los valores máximos teóricos de tolerancia a la dispersión cromática vienen dado por la siguiente ecuación:

Donde B es la velocidad binaria en Gb/s, D es el coeficiente de dispersión cromática en ps/nm-Km del cable, y L es la longitud de la ruta en Km. Para esa ecuación, entonces se tiene que dependiendo de la tasa de transmisión la DC máxima tolerada debería ser la mostrada en la tabla 5

Tasa de Tx Dispersión Cromática 2.5 Gb/s 16,640ps/nm 10 Gb/s 1,040 ps/nm

40 Gb/s 65 ps/nm 100 Gb/s 10,4 ps/nm

400 Gb/s 0,65 ps/nm

Tabla 5: Tolerancia teórica máxima de dispersión cromática

Como se observa en la tabla no es práctico transmitir a velocidad de 40 Gbps, 100 Gbps y mucho menos a 400 Gbps, usando modulación NRZ y usando detección directa., debido a que la tolerancia al DC es muy baja.

Dispersión por modo de polarización (PMD): La dispersión por modo de polarización es producido por el cambio de velocidad de propagación de las componentes ortogonales de la luz, debido a la asimetría del hilo de fibra óptica, esto produce un ensanchamiento del pulso. Este fenómeno está determinando por la pérdida de circularidad del hilo de fibra, o pérdida de simetría, y es ésta asimetría la que ocasiona que una de las componentes la luz, se atrase con respecto a la otra componente ortogonal. La dispersión por modo de polarización es una relación lineal a la raíz

cuadrada de la distancia. Se mide por el coeficiente de PMD de la fibra ps/ km) por la distancia en Km, quedando el PMD medido en ps. (ver Figura 11).

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Eje rápido

z, tEje lento

Δτ

t

Δτ

Figura 11: Dispersión por Modo de polarización (Fuente: EXFO.com)

Como se observa en la tabla 5 no es práctico transmitir a velocidad de 40 Gbps, 100 Gbps usando modulación NRZ y usando detección directa, ya que la tolerancia teórica al PMD es muy baja, dejando la oportunidad de desplegar redes ópticas de 100 Gbps solo en distancia de 4 Km, hecho que no es práctico con la realidad de las redes ópticas de larga distancia nacional que están en los órdenes de los cientos a miles de kilómetros,

.

Tasa de Tx DGD Promedio (ps)Coeficiente PMD 400

km fibra (ps/km½) 2.5 Gb/s 40 <= 2,0 10 Gb/s 10 <= 2,0

40 Gb/s 2,5<= 2.0 o 25 km con

0.5 ps/km1/2)

100 Gb/s 1<= 2,0 0.05 o 4 km

con 0.5 ps/km1/2)

Tabla 6: Tolerancia teórica máxima de dispersión cromática

Debido a las limitantes impuestas por los efectos lineales, no es posible desplegar redes ópticas de 40G, 100G y 400G, con los sistemas antiguos de modulación NRZ y detección directa. Por este motivo es el que se han desarrollado nuevas técnicas de detección y modulación que permite superar dichos obstáculos. A continuación se detallan las nuevas técnicas.

A. Multiplexaje por división de Polarización y desplazamiento de fase en cuadratura (PDM-QPSK )

Esta técnica agrupa en sí dos técnicas de manera simultánea, una es la multiplexación por polarización y la segunda es la modulación por cambio de fase de 4 estados de fase, con el transporte de 4 bits/símbolos (ver figura 12).

λ

50GHz slot

“PolarizaciónDual”

T

//

Figura 12. Multiplexaje por división de Polarización y desplazamiento de fase en cuadratura (PDM-QPSK )

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Adicional a esta técnica del transmisor, en el receptor se usa otra técnica denominada receptor coherente, el cual incorpora un laser continuo (CW, continuos laser) a la misma frecuencia de la señal portadora, el cual es mezclado con la señal óptica recibida, de esa manera se recupera la información de frecuencia, fase, y amplitud de la señal transmitida con unos requerimientos de OSNR bajos. A este receptor coherente se combina un proceso de conversión analógico y DSP de ultra alta velocidad, que tienen la función de detección y algoritmos para la compensación de dispersión cromática y dispersión por modo de polarización, así como los procesos electrónicos para reducir los efectos no lineales (ver figura 13). Es en este receptor coherente donde radica el avance tecnológico, ya que ahora se pueden transmitir a altas tasas de transmisión de 40 Gbps, 100 Gbps y 400 Gbps, sin que los efectos lineales y no lineales de la fibra se conviertan en un obstáculo. Solo para tener una referencia de este avance, cuando para la técnica de detección directa y modulación NRZ a velocidad de 100 Gbps, la tolerancia máxima de dispersión cromática (CD) y dispersión por modo de polarización (PMD) eran 10, 4 ps-nm y 1 ps respectivamente. Con la detección coherente ahora las tolerancias máximas son de 60.000 Ps-nm para CD y de 38 ps para el PMD. Razón por la cual se puede llegar a distancias grandes sin regeneración en el orden de los miles de Kilómetros.

Quaternary Phase Shift Keying (QPSK)

Cada polarización lleva 4 estados de fase (2 bits)

100G PDM-QPSK Transmisor Receptor Coherente

Fuente: Bell Labs - Alcatel-Lucent Figura 13: Transmisor 100 PDM-QPSK y receptor coherente Ventajas de la detección Coherente:

- Se logran distancias mayores entre 30 % y 50% en comparación con sistemas de detección lineal.

- Excelente tolerancia a los efectos no lineales - No se requiere el uso de compensadores de dispersión cromática - Puede trabajar en planta de fibra óptica de vieja data - Mejor uso del espectro óptico - Menos uso de lambdas por canal, lo que simplifica el diseño - Permite la coexistencia con canales que tengan señales que son de sistemas coherentes - Buena compatibilidad con canales de 10G y 40 G, en el mismo espectro óptico - permite trabajar con tasas de símbolos menores (tasa de Baudios).

Para el caso descrito aquí, se reduce la tasa de símbolos de 100 Gbuad a 25 Gbaud, ya que cada símbolo lleva 4 bits, se puede transportar 100 Gbps (4 bits/Símbolos * 25 Giga símbolos/Sg). Para la banda C, se puede usar 88 Canales lo que daría un total de capacidad de transporte de 8,8 terabits/sg en un par de hilos.

Figura 14: Espectro óptico y ocupación del canal en la grilla de 50GHz

13

B. Multiplexaje por división de frecuencia polarización Dual desplazamiento de fase en cuadratura (FDM-DP-QPSK )

La técnica de multiplexación y modulación FDM-DP-QPSK, es muy similar a la técnica PDM-QPSK, la diferencia radica en que la primera usa dos sub-portadoras por canal de 50 GHz y la segunda sola una portadora por canal de 50 GHz del espectro óptico (ver figura 15). Esto hace que la técnica FDM-DP-QPSK, sea una alternativa compleja y de mayor consumo de energía debido al uso de dos sub-portadoras y tiene una baja tolerancia a los efectos no lineales, especialmente la mezcla de cuatro ondas y la modulación cruzada entre canales. Hecho que obliga al diseñador a dejar bandas de guarda entre canales con el objeto de reducir las interferencias de canales vecinos, reduciendo en consecuencia la eficiencia espectral y reduciendo la capacidad máxima de canales a transportar por la fibra óptica.

1 canal en unaRanura de 50GHz

λ

14 Gbaud

“Mutiplexación por Dominiode frecuencia”

“Multiplexación por división de polarización”

Figura 15. Multiplexaje por división de frecuencia polarización dual desplazamiento de fase en cuadratura (FDM-DP-QPSK).

Figura 16: Espectro óptico y ocupación del canal en la grill de 50GHz

C. Multiplexaje por división de frecuencia ortogonal polarizado desplazamiento de fase en cuadratura (OPFDM-QPSK)

La técnica de multiplexación y modulación OPFDM-QPSK, es muy similar a la técnica PDM-QPSK, el elemento que la diferencia, es que la mutiplexación por división de polarización es ortogonal, es decir, la técnica OPFDM-QPSK usa dos Sub-portadoras, de la primera sub-portadora solo modula en la polarización vertical y en la segunda soportadora se modula en la polarización horizontal (ver figura 17). Esta técnica requiere el uso de compensadores de dispersión cromática y PMD, tiene una baja eficiencia espectral ya que cada canal ocupa un espacio de 100 GHz del espectro óptico, lo que le da un máximo de 44 canales en vez de los 88 disponibles. Adicionalmente tiene una baja tolerancia a los efectos no lineales lo que obliga al diseñador a dejar bandas de guarda entre canales para evitar el efecto de modulación cruzada, trayendo como consecuencia una reducción adicional de la capacidad de canales útiles en el espectro óptico. Del mismo modo esta técnica obliga a que los sistemas que la emplean, consuman mayor energía y tendrán mayor complejidad.

14

“Mutiplexación por división de frecuencia”

1 canal en unaranura 100GHz

“Polarización Ortogonal”

28 Gbaud

Figura 17. C. Multiplexaje por división de frecuencia ortogonal polarizado desplazamiento de fase en cuadratura (OPFDM-QPSK)

Figura 18. Espectro óptico y ocupación del canal en la grill de 100GHz En la tabla siguiente, se puede observar un resumen sobre las características más resaltantes de las diferentes técnicas así como la comparación entre ellas

PDM-QPSKDetección Coherente)

FDM DP-QPSK(FDM Dual-Polarization

QPSK)

Mejor Alcance at 100GAlcance

Compatibilidad 10Gy 40G vecnos

Power consumptionand footprint

OPFDM-RZ-DQPSK(Orthogonal-polarized

FDM RZ-DQPSK)

PObreBaja tolerancia a los efectos no lienales

Pobre• Receptor no

coherente

ExcelenteTolerancia a ladispersión por PMD

• Sin compensación electrónica

Excelente

Muy BuenaBaja tolerancia a los

efectos no lienales

Muy Bueno• Pero baja eficiencia

espectral

λ

50GHz slot 50GHz slot 100GHz slot

λ λ

ExcelenteMuy Pobre• Dos Subportadoras

Pobre• Dos Longitudes de

onda

Bajo desempeño2x complejidad

Bajo desempeño1/2 capacity

Comparación 100G

PM-DQPSK(Non coherent

Polarization-Multiplexed DQPSK)

• Receptor no coherente

λMuy Bajo

Desempeño

• Sin compensación electrónica

50GHz slot

Muy Buena

Pobre• optical Pol Demux

Fuente: Bell Labs - Alcatel-Lucent

Tabla 7: Comparación de las diferentes técnicas de multiplexación y modulación

15

V. Equipos para la implementación del DWDM de 100/400G A continuación se detallan los equipos o elementos de redes que usan o usarán las tecnología DWDM 100G/400G

A. Nodos Ópticos DWDM redes Long Haul y metropolitanas /Detección coherente

La principal aplicación de la tecnología DWDM 100G/400G, está dirigida a la implementación de sistemas de transporte de la larga distancia y metropolitano de gran capacidad; es por ello que se usan para este sistema, los elementos denominados nodos ópticos DWDM, también conocidos como Mux DWDM, estos se emplean cuando el servicio que quiere transportar su señal óptica no viene coloreada, es decir no viene en una lambda o longitud de onda en particular, por lo que el nodo DWDM se encarga de colorear la longitud de onda y es el filtro óptico quien multiplexa las señales con longitudes de onda diferente en la fibra óptica. El nodo DWDM puede trabajar con tres diferentes tipos de trafico de cliente: El primero es un tráfico de 100 Gbps OTU4 banda base , el cual se conecta a una tarjeta del nodo denominada transponder, la cual modula y colorea la señal óptica entrante, saliendo una señal óptica en una lambda particular ya modulada y de ahí se envía al filtro quien multiplexa esta señal con las otras lambdas. Ver figura 19

Cliente OTU4 WDM

1λ1x100Gbps

BW(Blanco y negro)

100 Gbps OUT4 1x 100Gbps – OTU4

Coherente

Cliente OUT4 DWDM

Figura 19. Nodo DWDM con Trafico tributario OTU4 El segundo modo es la de un trafico 100 GE, el cual proviene de un enrutador o conmutador metroethernet, en este caso la trama es ethernet y la misma es conectada a una tarjeta denomina muxponder, que multiplexa los canales del puerto ethernet de 100GE (4 lambdas de 25Gbps o 10 Lambdas de 10Gbps). Este tráfico es multiplexado en una lambda de 100 Gbps, la cual se colorea y es multiplexada en el filtro para ser enviadas con el resto de las lambdas de 100Gbps. Ver figura 20

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88λ @ 50GHz gridDWDMNetwork

1 x

100GbE

Router o ConmutadorMetroEthernet

DWDM

1λ10λx10G CFP1x100GE

10xλCoherente

100 GE 10λx10G 1x 100GE – OTU4

ClienteOUT4 DWDM

1λ4λx25G CFP1x100GE

4xλCoherente

100 GE 4λx25G 1x 100GE – OTU4

ClienteOUT4 DWDM

Figura 20. Nodo DWDM con Trafico tributario 100GE

El tercer modo es el que diferentes tipos de tráficos de varios tributarios a tasas de transmisión de 1,2 Gbps, STM1, STM4, OTU2, OTU2e OTU3 los cuales son conectados a una tarjeta denomina muxponder, la cual multiplexa los tráficos de baja velocidad y lo lleva a un nivel de tasa de transmisión normalizada. Los tributarios de baja velocidad son combinadas en un contenedor OTU4, el cual es transportado en una lambda de 100Gbps, coloreada y modulada y enviada al filtro para multiplexarla con las otras lambdas de 100 Gbps. Ver figura 21 Los ejemplos anteriormente definidos también aplican para la tecnología de 400 Gbps

Clientes OTU4 WDM

1λOTU1

Any Rate

Coherente

Tributarios DWDM

1x 100Gbps – OTU4

OTU2

10GEOTU3

1λOTU4

Coherente

Tributarios DWDM

1x 400Gbps – OTU5

OTU4

OTU4OTU4

4x 100GE

400 G

Figura 21. Nodo DWDM con Trafico tributario OTU1, OUT2, OTU3 y 100GE

B. Nodos de Enrutadores y conmutadores Metroethernet La segunda aplicabilidad de la tecnología DWDM 100G/400G, está dirigida a la implementación de sistemas de transporte metropolitano de gran capacidad metroethernet; para ello se usan los elementos denominados nodos enrutadores Ópticos o conmutadores metroethernet. Estos equipos usan dos tipos de interfaz y protocolos para 100 y 400G, La primera es sobre tramas y protocolos ethernet para lo cual se usan 100GE y 400GE. Este último (400GE) aun no tiene solución comercial ya que el IEEE aun no ha culminado el proceso de estandarización de 400GE. (Ver figura 22)

17

Router oConmutadorMetroethernet

100GigEMAC

10

x 1

0 G

b/s

MUX

100GigEMAC

10

x 10

Gb

/s

MUX100 Gb/s(10 λ’s)

Router oConmutadorMetroethernet

Router oConmutadorMetroethernet

Router oConmutadorMetroethernet

100 Gb/s(10 λ’s)

Figura 22. Nodos Enrutadores o conmutadores con interfaces 100GE (IEEE 802.3ba)

La segunda interfaz es la de los puertos 100 Gbps (OTU4) y 400 Gbps (OTU5), en estos dos casos del puerto del enrutador o conmutador metroethernet la señal ya sale coloreada y modulada con las técnicas avanzadas de modulación descritas en los puntos anteriores. Para el caso de 400 G solo hay solución comercial para los Nodos DWDM. Para los enrutadores y conmutares se esperan que las primeras soluciones comerciales estén disponible a finales del 2014 o a comienzos del 2015. Ver figura 23

Router oConmutadorMetroethernet

Router oConmutadorMetroethernet

100 Gbps 1 λ DWDM OTU4

Figura 23. Nodos Enrutadores o conmutadores con interfaces 100Gbps (ITU-T G.709 OTU4)

VI. Sistemas de Transportes DWDM con Integración con redes Metroethernet La justificación de las tecnologías de DWDM de 100G/400G, está enfocada a la satisfacción de las demandas de tráficos de los usuarios y las nuevas aplicaciones y dispositivos que generan mayor consumo de la red. El punto crítico de la red del operador que se ve mas impactado por el crecimiento del tráfico y de la no satisfacción de la demanda es la del segmento de núcleo de la red, conformado por la red de transporte interurbano, la red de trasporte metropolitana, las redes de núcleo y agregación metroethernet. Con la incorporación y muestra en servicio de tecnologías de acceso como VDSL2, Gpon y LTE, estas redes de transporte estarán en la necesidad de llevar grandes cantidades de tráfico, razón por la cual la tecnología 100G/400G resuelve el requerimiento. En la figura 24, se observa una red de transporte DWDM interurbana, metropolitana y la red metroethernet, donde se puede visualizar la integración entre las mismas y el uso de las tecnologías de 100G/400G del IEEE 802.3ba y del ITU-T G.709.

18

n λ de 100G y 400G

DWDM

DWDM

DWDM

DWDM

DWDM Interurbano

Metro Ethernet

100 GE

Metro Ethernet

100 GE

100 GE

Figura 24. Sistemas de Transportes DWDM con Integración con redes Metroethernet

VII. Aplicaciones Y Servicios Los servicios y aplicaciones que la tecnología DWDM de 100G/400 están en capacidad de brindar, son principalmente servicios de transporte ya sea en redes metropolitanas y/o en redes interurbanas. De los servicios de telecomunicaciones que pueden ser transportados en las redes DWDM se tienen:

- Transporte de Redes Metro Ethernet 40 GE, 100GE y 400GE (este último cuando esté disponible)

- Transporte de Redes de acceso agregados de Sistemas Móviles celulares LTE, Interfaces 40GE y 100GE

- Transporte de Redes SDH Interfaces de 1GE, 2,5 Gbps, STM-1, STM4, STM-16, STM64 (OTU2)

- Transporte de servicios para la conexión Internacional a Internet - El servicio de agregación de XDSL y GPON es concentrado en equipos metroethernet, luego

transportado en redes DWDM de 100G/400G

VIII. Conclusiones Las nuevas tecnologías de 100Gbps y 4000 Gbps, definitivamente llegarán para satisfacer gran parte de la demanda de los operadores en el incremento de sus capacidades de transporte. Sin embargo debido a que la tendencia en el crecimiento del tráfico de la red, ya sea por el aumento de los usuario en el acceso Internet, el continuo crecimiento de la penetración de los teléfonos inteligentes (smartphones) y tabletas, así como el crecimiento acelerado en el uso de aplicaciones de Video, televisión no lineal y lineal en la red, volverán a colocar al operador en la encrucijada de que la capacidad de las redes de transportes no será suficientes. Es por ello que ya en estos momentos se están realizando los trabajos pertinentes en los organismos de estandarización para tener pronto los estándares de 400 GE (IEEE 802.3ba), los estándares para 1 Terabits/seg tanto para el ITU-T G.709, como el terabitEthernet del IEEE 802.3ba. Los cuales se espera puedan cubrir las necesidades de crecimiento de capacidad que se estarán enfrentando los operadores en los próximos 5 años. Con el uso de las nuevas técnicas de modulación así como los sistemas de detección coherente, los operadores obtienen una ganancia sin precedentes, ya que estas tecnologías traen consigo la ventaja de que puede trabajar con las fibras ópticas que actualmente tienen los operadores instaladas en sus redes nacionales, es decir, es su fibras ópticas antiguas. Esto evitaría que los operadores tengan que hacer nuevas inversiones de instalación de redes de fibras ópticas para emplear las nuevas tecnologías.

19

IX. Referencias

1. ITU-T, “Optical Transport Network (OTN) Tutorial” and “G.709/Y.1331 Interfaces for the Optical Transport Network (OTN)”.

2. ITU-T Recommendation G.709/Y.1331 (2012).

3. CFP MSA Hardware Specification (5/7/20013). Obtenido de http://www.cfp-msa.org/Documents/CFP-MSA-HW-Spec-rev1-40.pdf.

4. Stephen J. Trowbridge , “Scaling the P802.3ba and G.709 Architectures, ITU-T WP3/15 IEEE P802.3ba”,Ginebra 2010.

5. Nee Ben Gee, Bert E.E. Basch, Steven Gringeri, G.709 Hierarchy Optical Transport Core Network Design, Requirements and Challenges., 2009 Optical Society of America.

6. Yutaka Miyamoto, Akihide Sano, and Takayuki Kobayashi, The Challenge for the Next Generation OTN Based on 400Gbps and Beyond, 2009 Optical Society of America.

7. Ilya Lyubomirsky, Terabit Optical Ethernet IEEE Photonics Society Summer Topical, Montreal, Canada, 2011

8. Mark Loyd Jones, Ph.D, Mapping and Transport Standard for OTU4, 2010 Optical Society of America.

9. Adam Healey,” From 100Gbps Now to 400Gbps Tomorrow “, Obtenido el 27/7/2013 de http://www.lsi.com/ais2011/documents/lsi_deploying100gtopreparing400g.pdf

10. A. Ehrhardt, A. Mattheus, J. Röse, S. Szuppa, H.-M. Foisel, “OTN Evolution Beyond 100G – OIF” Obtenido el 27/7/2103 de www.oiforum.com/public/documents/12_ECOC_Ehrhardt.pdf.

11. Stassar Peter, Anslow Pete , “OTN Evolution Above 100Gbps Input from ITU-T SG15”

obtenido el 27/7/2013 de

http://www.ieee802.org/3/ad_hoc/hse/public/12_09/stassar_hse_01_0912.pdf.

12. EXFO, characterize cd and pmd in a snap for 10 and 40G Ethernet links exfo for livingston.ppt.

13. ITU-T (2008), series G. Supplement 39, Transmission Systems and Media, Digital Systems and Networks.

14. 15. ITU-T (2005), Series G suplemento 41, Sistemas y Medios de Transmisión, Sistemas y

redes Digitales. 16. 17. ITU-T (2000), Serie G.663, Sistemas y Medios de Transmisión, Sistemas y redes Digitales.

18. Bell Labs, White Paper “Coherent Transmission”, Noviembre 2009