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Universidad Polité Politécnica de Madrid ETSI TELECOMUNICACIÓ ELECOMUNICACIÓN Departamento de Tecnologí Tecnología Fotó Fotónica Comunicaciones Ópticas WDM y Redes Ópticas José José M. Otó Otón Mayo 2005 Distancia vs tasa binaria (1ª Ventana, Fibra MM) 1 Distancia vs tasa binaria (3ª Ventana, Fibra DSF) Distancia vs tasa binaria 2 Datos calculados: limitacióón en el ancho de banda de la fuente. Sin limitaci Datos calculados: limitacióón en el ancho de banda de la fuente. Sin limitaci Distancia vs tasa binaria (LED + MM) Sílice gradual Sílice abrupto Plástico con núcleo sílice Plástico Distancia vs tasa binaria (LD-FP + MM) 3 Distancia vs tasa binaria (LD-FP + SM) Distancia vs tasa binaria (LD-DFB + SM) 4 Balance de potencia: Pem > Srec + CL + MS + Penalizaciones Concepto de Penalización de Potencia Con efecto adicional Ideal Penalización Penalización por dispersión 5 Penalización por relación de extinción Penalizaciones por relación de extinción y por “chirp” 6 Multiplexado óptico SDM: Se utilizan varias fibras ópticas FDM Ù WDM: Se utilizan varias longitudes de onda TDM: Se reparte el tiempo entre varios canales • En espectro eléctrico • En espectro óptico Æ OTDM Se pueden combinar varias modalidades Desde un mismo origen: TDM, WDM Acceso multipunto: TDMA, WDMA OTDM 7 Canales ópticos Jerarquí Jerarquías Digitales TDM eléctrico: 1 canal digital de voz Î 64 kbps (8kHz@8bits, llamado DS0) DSDS-1: 24× Æ 1,544 Mbps 30× Æ 2,048 Mbps DSDS-2: … DSDS-5: 4×DS-1 Æ 6,312 Mbps … 4×DS-4 Æ 396 Mbps 4×DS-1 Æ 8,448 Mbps … 4×DS-4 Æ 565 Mbps SONET(STS) SDH B(Mbps) Canales OC-1 -- 51,84 672 OCOC-3 STMSTM-1 155,52 2016 OC-9 STM-3 466,56 6048 OCOC-12 STMSTM-4 622,08 8064 OC-18 STM-6 933,12 12096 OC-24 STM-8 1244,16 16128 OC-36 STM-12 1866,24 24192 OCOC-48 STMSTM-16 2488,32[2,5Gbps] 32.256 OCOC-192 STMSTM-64 9953,28[10Gbps] 129.024 OCOC-768 STMSTM-256 39813,12[40Gbps] 516.096 Bandas de transmisió transmisión para WDM Frecuencia central (ITU G-652: 193,1 THz Ù 1552,52 nm 8 Separació Separación entre Canales WDM Redes WDM Bandas de Comunicaciones Ópticas Banda Nombre Rango de longitudes de onda (nm) Comentarios Banda-O Original 1260-1360 Segunda ventana Banda-E Extendida (Extended) 1360-1460 Sólo accesible a fibras AllWave Banda-S Corta (Short) 1460-1530 Parte alta de 3ª ventana Banda-C Convencional (Conventional) 1530-1565 3ª ventana en rango EDFA Banda-L Larga (Long) 1565-1625 Límite rango EDFA Banda-U Ultra-larga (Ultra Long) 1625-1675 Sin explorar 9 Ecualizació Ecualización en WDM Banda C Banda L Cuando Cuandose setrabaja trabajaen enWDM, WDM,lalaganancia ganancia varía varíacon conlalalongitud longitudde deonda. onda.Se Sehace hace necesario ecualizar, especialmente necesario ecualizar, especialmentesisise se emplean cascadas. emplean cascadas. La Laecualización ecualizaciónse seconsigue consigueatenuando atenuando selectivamente selectivamentelas laslongitudes longitudesde deonda ondacon con mayor ganancia. Alternativamente, mayor ganancia. Alternativamente,se se pueden puedenemplear emplearseñales señalesde dedistinta distinta potencia potenciaen enlalafuente. fuente. Topologí Topologías de redes WDM Anillo Anillo Punto Punto aa punto punto 10 Gestió Gestión de diferentes trá tráficos en WDM Cada tipo de tráfico puede viajar en una longitud de onda distinta Sincronismos individuales Efectos no lineales en WDM A distancias largas y altas potencias aparecen efectos no lineales, muchos de los cuales se manifiestan exclusivamente cuando se propagan varias λ simultáneamente por la f.o.(WDM) Scatterings no Lineales • Scattering Raman • Scattering Brillouin • Scattering Brillouin Estimulado (SBS) Derivados del Efecto Kerr • Automodulación de fase (SPM) • Intermodulació Intermodulación de fase (XPM ó CPM) • Mezclado de cuatro ondas (FWM) Multifrecuencia • Scattering Raman Estimulado (SRS) 11 Scattering Raman Efecto Raman Raman estimulado (SRS) Brillouin y Brillouin estimulado son semejantes pero su espectro de ganancia (20 MHz) y su desplazamiento Stokes (10 GHz) son menores. menores. Ademá Además tiene el máximo en direcció dirección contraria a la propagació propagación (backward scattering) El ancho de banda de ganancia Raman es de varios THz y su desplazamiento Stokes alcanza los 15 THz, THz, cubriendo toda la regió región espectral de interé interés en WDM. Ademá Además tiene el má máximo de scattering en la direcció dirección de propagació propagación (forward scattering). Estos efectos no son siempre negativos. negativos. Tanto el SRS como el SBS pueden utilizarse con provecho en la fabricació fabricación de amplificadores Auto/intermodulaci ón de fase Auto/intermodulació Efecto Kerr n = n1 + nn I Automodulació Automodulación de fase ϕ (t ) = (n1 z + ϕ 0 ) + 2π λ nn I (t ) z Intermodulació Intermodulación de fase ∆ϕi (t ) = N ⎤ 2πnn z ⎡ I ( t ) 2 I j (t )⎥ + ⎢ i ∑ λ ⎣ j ≠i ⎦ La ón de ífica intermodulaci espec La intermodulació intermodulación de fase fase es es especí específica de de los los sistemas sistemas WDM. WDM. La La presencia presencia de de un un bit 1” en bit ““1” en uno uno de de los los canales canales produce produce distorsiones distorsiones en en elel índice índice efectivo efectivo de de los los demá ás que dem demás que se se traducen traducen en en ensachamientos ensachamientos de ñales. se ales. de las las señ señales. 12 Mezclado de cuatro ondas (FWM) ν4 = ν1 ± ν2 ± ν3 En WDM se utilizan canales equiespaciados en frecuencia. frecuencia Por lo tanto, cualquier combinación FWM que resulte dentro del rango espectral se traducirá en un incremento de ruido de otro canal. Este efecto impide en la práctica el uso de fibra DSF para aplicaciones WDM de larga distanciaÆ NZDSF Limitaciones de efectos no lineales Al crecer el número de canales disminuye rápidamente la potencia que puede transportarse. Si se desea aumentar la capacidad se debe incrementar la tasa binaria, pero ésta también está condicionada por componentes electrónicos y por la producción de bandas laterales. 13 Evolució Evolución Sistemas DWDM λi Rx Tx λi λi λn λn AO λn λi OADM λm λx Punto-Punto Inserción/extracción Óptica λiλx λx λy λy λy λi OADM Anillo Redes WDM Sistema WDM con AddAdd-drop intermedios λ1 λosc Banda del AO Tx λ1 Tx λ2 Tx λn Tx λosc Canal de supervisión λ λn M U X Add-drop mux AO extrae λi Receptor local AO inserta Transmisor local λi D E M U X Rx 1 Rx 2 Rx n Rx λosc Canal de supervisión JAMP’02 14 Elementos WDM Matriz de conmutació conmutación (OXC) I1 I1 I2 I2 I3 I3 I4 I4 O1 O2 O3 O4 O1 O2 O3 O4 Conmutador sin bloqueo, reconfigurable JAMP’02 15 Elementos WDM (II) Acoplador en estrella NxM Acoplador en estrella MxN AWG Clasificació Clasificación de redes Distancia entre procesador 0,1 m 1m Procesadores ubicados en el (la) mismo(a) Tarjeta de circuitos Sistema 10 m Cuarto 100 m Edificio 1 km Campus 10 km Máquina de flujo de datos Multicomputadora } LAN Red de área local Ciudad Red de área metropolitana 100 km 1.000 km País Continente } 10.000 km Planeta Red área amplia Local Area Network MAN Metropolitan Area Network WAN Wide Area Network La Internet 16 Topologí Topologías de Red BUS ANILLO ESTRELLA Evolució Evolución Sistemas DWDM (II) 17 Otras redes de primera generació generación Topología Velocidad (Mbaud) Fibra ESCON Malla 200 MMF SMF LED MLM FDDI Anillo 125 MMF SMF LED MLM HIPPI (serie) Malla 1200 SMF MLM Fiber Channel Malla 1062.5 531.25 265.625 SMF MLM Red Emisor FDDI - Fiber Distributed Data Interface (I) CARACTERÍSTICAS • LAN óptica a 100 Mbps • Estructura: 2 “token-rings” contradirecionales • Uso común: troncal para varias LAN en cobre • Hasta 200 Km, 1000 estaciones a 2 Km Redes de Primera generació generación 18 FDDI – Estructura y Sellado (II) Redes de Primera generació generación ESCON y Fiber channel • ESCON: IBM Entreprise Serial Connection • Fiber Channel: Standard ANSI • Interconexiones entre consolas y periféricos • Codificación: 8B/10B • Velocidades de 100 a 800 Mbps • Enlaces en fibra SM o MM, con LED o LD, 1º o 2ª ventana, hasta 10 Km Redes de Primera generació generación 19 ATMATM-Asynchronous Transfer Mode • Tecnología base para BISDN (red digital de servicios integrados de banda ancha) • Transporte de voz y datos a alta velocidad: LAN, MAN, WAN • Información dividida en paquetes (cells), de longitud fija • Conmutación de paquetes y establecimiento de caminos virtuales • Redes ATM privadas y públicas Redes de Primera generació generación Ethernet (IEEE802.3) • Standard a 10 Mbps muy extendido en LAN • CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Acces with Collision Detecting • Distancias de 100 a 500 m entre terminales sobre cobre • Fibra (10BaseF): hasta 2Km, MM y LED 850 nm • Ethernet rápida (IEEE802.3u): Extensión a 100 Mbps >100baseFX: duplex 2 Km Redes de Primera generació generación 20 Gigabit y 10 Gigabit Ethernet GbE (IEEE802.3z) 10-GbE • 1Gbps, Cobre o fibra • 10 Gbps, Fibra • LAN → MAN→ WAN • Aún no hay standard Redes de Primera generació generación Medio fí físico en GbE Emisor Fibra Ancho de banda (MHz . Km) Rango (m) Láser 850 nm (1000Base-SX) 62.5/125 160-200 2-275 Láser 850 nm 50/125 400-500 2-550 Láser 1300 nm (1000Base-Lx) 62.5/125 50/125 400-500 2-550 Láser 1300 nm (100Base-LH) SM 9/125 - 1 Km-50 Km Láser 1550 nm (100Base-LH) SM 9/125 - 50 Km-100 Km Redes de Primera generació generación 21 Medio fí físico en 1010-GbE Fibra Ancho de banda (MHz . Km) Rango (m) 50/125 500 65 Láser 1310 nm 4X (WDM) 62.5/125 160 300 Láser 1300 nm 4X (WDM) SM 9/125 - 10 Km Láser 1300 nm SM 9/125 - 10 Km Láser 1550 nm SM 9/125 - 40 Km Emisor Láser 850 nm Redes de Primera generació generación Niveles ISO/OSI Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Se ocupa de la transmisión sin errores y en secuencia de los mensajes transmitidos. Proporciona servicios de circuitos virtuales y/o datagramas a la capa superior. Los circuitos virtuales son conexiones punto a punto de transmisión secuencial con una cierta calidad de servicio expresada en parámetros como ancho de banda y tasa de error. Los datagramas son mensajes cortos enrutados de origen a destino sin noción de conexión. Enlace Se encarga de “entramar” los datos (framing), multiplexar y desmultiplexar. Puede incorporar técnicas de gestión de errores de enlace. Incluye la capa de control de acceso al medio (MAC), que coordina las transmisiones de los distintos nodos que comparten el ancho de banda. Físico Proporciona un “conducto” con un cierto ancho de banda. En nuestro caso, el nivel físico está formada por fibras ópticas con distintas interfaces. 22 Las redes ópticas como subcapas de otras redes Subcapas SONET/SDH y capa óptica (Path) Responsable de la transmisión origendestino de la conexión SONET. Sólo está presente en los extremos del enlace Ù RED Multiplexa varios pasos en un enlace Segmentos de enlace entre regeneradores Lightpath, canal óptico: enrutado de extremo a extremo Conjunto de enlaces punto a punto en el canal Transmisión de bits por la fibra. En 2ª generación se sustituye por la capa óptica Cada uno de los segmentos del enlace entre amplificadores 23 Sincronismo entre nodos Capa 2 Capa óptica /O TN /O TN /A IP IP TM TM IP /A H /S D IP IP Capa 3 Capa 1 /S D /O TN H /O TN Capas en redes WDM (I) ATM SDH OTN Redes WDM 24 Interfases Físicas definidas en SONET Tasa Binaria OC-3 OC-12 OC-48 Equiv. SDH STM-1 STM-4 STM-16 Alcance Longitud de onda Tipo de fibra Emisor SR 1310 nm MMF SMF LED LED/MLM IR 1310 nm 1550 nm SMF SMF MLM MLM/SLM LR 1310 nm/1550 nm SMF MLM/SLM SR 1310 nm SMF LED/MLM IR 1310 nm 1550 nm SMF SMF MLM SLM LR 1310 nm 1550 nm SMF SMF MLM/SLM SLM SR 1310 nm SMF MLM IR/LR 1310 nm/1550 nm SMF SLM SR, IR, LR: Short, Intermediate, Long Reach Interfases Fí Físicas en Sonet/SDH Sonet/SDH Las interfases ópticas están definidas según “aplicación”: distancia, velocidad, tipo de tendido. Cada aplicación tiene un código. Nomenclatura: B-nWx-y.z B Si está presente, el sistema es bidireccional n Máximo número de λ multiplexadas W Distancia del tramo, según I: Intracentral 2 km S: Corta ∼ 15 km L: Larga ∼ 40 km (@ 1310nm); ∼ 80 km (@ 1550nm) V: Muy larga ∼120 km U: Ultralarga ∼160 km x Máximo número de tramos permitido en la aplicación (con amplificadores) y Tasa binaria máxima permitida (nivel STM) z Tipo de fibra, según: 1: G·652@1310 2: G·652/654 L ó G·652 S @ 1550 3: G·653 @1550 5: G·655 25 Interfases Fí Físicas en Sonet/SDH Sonet/SDH Redes de Primera generació generación Interfases Fí Físicas en Sonet/SDH Sonet/SDH Redes de Primera generació generación 26 Evolució Evolución Sistemas DWDM Nodo del Anillo Interconexión de Anillos Elementos de infraestructura SONET/SDH 27 Técnicas de protecció protección en anillos SONET/SDH UPSR: Unidirectional path switched ring BLSR:Bidirectional line switched ring Reparació Reparación de fallos en doble anillo DWDM 28 Técnicas de protecció protección en enlaces punto a punto Componentes de Sistemas DWDM 29 Capas de Red Redes WDM Red óptica con OXC Redes WDM 30 Red de Transporte Optica (OTN) OXC OXC OXC OXC OA OA OADM OADM OA OA OXC OXC OADM OADM OXC OXC REG REG OADM OADM OA OA OADM OADM OADM OADM OADM OADM OLT OLT Redes WDM 31