domingo, 21 de marzo de 2010

Sistemas de comunicaciones ópticas híbridos WDM-SCM

Las fibras ópticas disponen de un gran ancho de banda de transmisión del orden de
Terahercios. Para aprovechar esta enorme capacidad de espectro óptico pueden
emplearse distintas técnicas de multiplexación de la información a transmitir, como
por ejemplo la multiplexación en longitud de onda (wavelength division multiplexing,
WDM). Pero en el caso de los sistemas ópticos analógicos todavía es posible
aumentar un escalón más el nivel de multiplexación si modulamos cada portadora
óptica con la señal multicanal de RF proveniente de un transmisor CATV o receptor
de TV satélite. Esta técnica de multiplexación en el dominio eléctrico se conoce con
el nombre de SCM (subcarrier multiplexing). Surgen de este modo los llamados
sistemas híbridos WDM-SCM, los cuales analizaremos en el presente artículo.
Sistemas WDM
La técnica de multiplexación WDM permite aumentar de una forma económica la
capacidad de transporte de las redes ópticas existentes. Por medio de multiplexores
y demultiplexores, los sistemas WDM combinan multitud de canales ópticos sobre
una misma fibra, de tal modo que pueden ser amplificados y transmitidos
simultáneamente. Cada uno de estos canales, a distinta longitud de onda, puede
transmitir señales de diferentes velocidades y formatos. Las redes DWDM (Dense
WDM) transportan 80 canales OC-48/STM-16 de 2,5 Gbit/s (un total 200 Gbit/s), ó 40
canales OC-192/STM-64 de 10 Gbit/s (un total de 400 Gbit/s). Una de las principales
ventajas de los sistemas WDM es su modularidad, la cual permite crear una
infraestructura conocida como "grow as you go", que se basa en añadir nuevos
canales ópticos al sistema de forma flexible en función de las demandas de los
usuarios. Así, los proveedores de servicio pueden reducir los costes iniciales
significativamente, al tiempo que desarrollan progresivamente la infraestructura de
red que les servirá en el futuro. Adicionalmente, las labores de gestión y
enrutamiento de la red tienden a realizarse completamente en el dominio óptico, lo
que les proporciona gran flexibilidad.
Sin lugar a dudas, la tecnología clave para el desarrollo de las redes WDM ha sido el
amplificador óptico. Los amplificadores ópticos se encuentran optimizados para
operar en una determinada zona del espectro de frecuencia, de acuerdo con el tipo
de fibra utilizada en el sistema. En particular, los amplificadores de fibra dopada con
erbio (EDFA) se encuentran optimizados para trabajar en tercera ventana (1550 nm)
y presentan un ancho de banda de unos 30 a 40 nm. Suponiendo una separación
entre longitudes de onda de 100 GHz (0,8 nm), es posible amplificar
simultáneamente hasta 40 canales de 10 Gbit/s, una capacidad total de 400 Gbit/s
por fibra. No obstante, los requisitos impuestos en el diseño y fabricación de los
EDFA son bastante restrictivos. La razón es que pequeñas variaciones de la
ganancia del amplificador sobre canales individuales conducen a un crecimiento
exponencial cuando se colocan cadenas de amplificadores en línea, ya que el
espectro es el mismo para todos ellos. Las prestaciones de los amplificadores
ópticos construidos en la actualidad han mejorado considerablemente, con niveles
de ruido mucho menores y ganancia más plana que son características esenciales
en los sistemas DWDM.
A principios de los 90 comenzó a utilizarse lo que se conoce como transmisión WDM
bidireccional de banda ancha, realizando una de las comunicaciones en la región de
1550 nm (tercera ventana) y el otro sentido de transmisión a 1310 nm (segunda
ventana). Posteriormente, a mediados de los 90 se desarrolló el WDM de banda
estrecha, caracterizado por una separación reducida entre canales y por el
establecimiento de comunicaciones bidireccionales 2x2 y 4x4 a 2,5 Gbit/s y 1550 nm
sobre enlaces punto a punto de gran longitud. Finalmente, la tecnología DWDM
apareció a finales de los 90, donde se introdujeron múltiples grupos de servicios y
múltiples longitudes de onda por grupo sobre una misma fibra. Así, algunos ejemplos
serían la transmisión de 16, 32/40 ó 64/80/96 longitudes de onda con multiplexación
por división en el tiempo a 2,5 y 10 Gbit/s. Incluso ya se está pensando en UDWDM
(Ultra DWDM) con la transmisión de 128 y 256 longitudes de onda transportando
cada una de ellas velocidades de 2,5 Gbit/s, 10 Gbit/s y hasta 40 Gbit/s.
El estándar de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define una
cuadrícula de longitudes de onda permitidas dentro de la ventana que va desde los
1525 nm hasta los 1565 nm tal y como se muestra en la figura 1. Así, el espaciado
entre dos de estas longitudes de onda permitidas puede ser de 200 GHz (1,6 nm), 100
GHz (0,8 nm), o incluso menos. La técnica WDM se considera "densa" (DWDM)
cuando este espaciado es de 100 GHz o inferior. El transmisor óptico es un elemento
clave en este tipo de sistemas, ya que debe proporcionar longitudes de onda muy
precisas debido a la proximidad de los canales. Normalmente, el transmisor consiste
en un array de diodos láser donde la longitud de operación de cada uno se
selecciona por medio del filtro grating de la estructura DFB (Distributed Feedback).
Posteriormente, por medio de un ligero desplazamiento de temperatura se efectúa
un ajuste más preciso (variación en longitud de onda de 0,1 nm/ºC). Además del
ajuste en la longitud de onda de operación, los láseres empleados en los sistemas
DWDM necesitan garantizar la estabilidad de la longitud de onda durante el tiempo
de vida del dispositivo. Por ello, los fabricantes de láseres efectúan pruebas de
control a diferentes temperaturas y corrientes de funcionamiento, obteniéndose
valores típicos de deriva de la longitud de onda inferiores a 0,02 nm por año.
Sistemas SCSistemas SCM
Los sistemas de subportadoras multiplexadas (subcarrier multiplexing, SCM) se
utilizan comúnmente para la transmisión de señales de RF sobre enlaces de fibra
óptica. SCM es una técnica en la que una señal de banda ancha compuesta por
diversos canales multiplexados en frecuencia se aplica directamente a un láser
modulado en intensidad. Estos sistemas se caracterizan por acomodar en el
espectro tanto canales analógicos como digitales, transportando señales de voz,
datos, vídeo, audio digital, TV de alta definición, y cualquier combinación de
servicios que se desee. Cada usuario puede servirse con una única subportadora, o
bien distribuir una señal multicanal entre todos los usuarios. Su enorme flexibilidad
los hace muy atractivos en el caso de aplicaciones de banda ancha, especialmente
si los servicios se originan desde distintos proveedores utilizando esquemas de
modulación y anchos de banda diferentes.
La configuración básica de un sistema SCM se muestra en la figura 2. Un gran
número de subportadoras de microondas, moduladas con las señales a transmitir, se
combinan para generar una señal multiplexada en frecuencia. Esta señal compuesta
se aplica ahora junto con la corriente de polarización a un láser de semiconductor o
modulador externo, el cual actuará como transmisor óptico del sistema. La señal
óptica modulada en intensidad se transmite sobre un enlace de fibra óptica
monomodo y finalmente se fotodetecta utilizando un fotodiodo InGaAs p-i-n de banda
ancha.
En el caso de aplicaciones que requieran mayor sensibilidad en el receptor, tales
como redes de distribución con múltiples etapas de repartidores pasivos o troncales
de CATV, se puede utilizar un fotodiodo InGaAs APD de banda ancha que presenta
una mayor ganancia. La señal de microondas recibida puede amplificarse por medio
de un amplificador de banda ancha y bajo ruido o un receptor p-i-n-FET.
Comercialmente existen amplificadores de bajo ruido con anchos de banda de 2-8
GHz y figuras de ruido menores que 2 dB. En el caso de un receptor p-i-n-FET con
ancho de banda de DC a 8 GHz, es posible un valor rms de corriente de ruido en torno
a los 12 pA/Hz-1/2, equivalente a una figura de ruido de un amplificador de 2,5 dB. Esta
solución sería válida en un sistema SCM híbrido que combinara una señal digital
banda base junto con canales de alta frecuencia.
En un sistema de distribución a abonados, como por ejemplo CATV, sólo
necesitamos seleccionar un canal para la demodulación. Por tanto, se puede utilizar
simultáneamente un oscilador local sintonizable, un mezclador y un filtro de banda
estrecha para seleccionar el canal SCM deseado y bajarlo a una frecuencia
intermedia más conveniente para realizar finalmente la demodulación. En el caso de
los receptores de TV satélite, todos estos componentes electrónicos se integran
dentro del elemento conocido como LNB (low-noise block), que consiste en un
amplificador con 1 dB de figura de ruido, un mezclador y un oscilador local de banda
X.
La calidad de los sistemas SCM, dado que se trata de sistemas ópticos analógicos,
se mide al igual que ocurre con los sistemas radio sobre fibra por medio de la
relación portadora a ruido (CNR) de las subportadoras y del nivel de distorsión de
intermodulación (CSO/CTB) a la entrada del demodulador del receptor. En el caso de
transportar señales multicanal CATV con modulación AM-VSB se exigen unos niveles
de CNR mayores de 50 dB y de CSO/CTB menores de -60 dBc. Por el contrario, si se
transmiten canales con modulación digital los requisitos anteriores se reducen en
unos 30 dB.
Sistemas WDSistemas WDM-SCM
La mayoría de redes WDM transportan tráfico homogéneo, por ejemplo todos los
canales ópticos transportan tramas SONET (Synchronous Optical NETwork) OC-48
(2,5 Gbit/s) y OC-192 (10 Gbit/s). Sin embargo, en el caso de tráfico no homogéneo
(bien analógico/digital, o bien digital con distintas velocidades y formatos de
modulación) resulta más eficiente acudir a soluciones alternativas. En esta
situación, la solución consiste en proporcionar un nuevo nivel de multiplexación
sobre cada uno de los canales ópticos, es decir SCM. De este modo se llega a un
esquema de multiplexación híbrido WDM-SCM, en el cual se tiene un canal de
información independiente por cada una de las subportadoras que componen cada
uno de los canales ópticos WDM.
Las señales SCM a diferentes longitudes de onda provenientes de distintos
transmisores ópticos pueden multiplexarse en el dominio óptico empleando un
combinador e inyectarse posteriormente en una misma fibra. En la figura 3 se
representa el espectro óptico típico de uno de estos sistemas. En especial, alguna
de las portadoras ópticas podría estar modulada directamente por una señal digital
en banda base. La ventaja de este esquema de multiplexación conjunto es que
permite enrutar cada portadora hacia un determinado nodo óptico en función de su
longitud de onda, y posteriormente seleccionar la subportadora de cada usuario en
el dominio eléctrico.
En combinación con la modulación directa, la técnica WDM-SCM no requiere una
circuitería compleja de estabilización de frecuencia. Además, no necesita control de
polarización ni filtros selectivos. La inclusión de nuevos usuarios se realiza de forma
flexible sin modificar la arquitectura de la red, simplemente acomodando nuevos
canales ópticos o subportadoras de RF. Por último, no es necesaria ningún tipo de
sincronización entre los transmisores y los receptores.
Una de las principales fuentes de degradación de los sistemas WDM-SCM es el
proceso no lineal de mezclado de cuatro ondas que se produce a lo largo del
trayecto de propagación por la fibra óptica. Para evitarlo es indispensable trabajar
en zonas de dispersión cromática no nula. Es por ello que se utilizan las llamadas
fibras de dispersión desplazada casi nula (NZDSF, nearly zero dispersion-shifted
fiber), puesto que además se reducen los niveles de dispersión cromática. De hecho,
el efecto conjunto de la dispersión cromática y de la automodulación de fase
introducida por la fibra en el caso de potencias ópticas elevadas es la principal
causa de distorsión no lineal sobre la señal multicanal SCM a la salida del
fotodetector. Adicionalmente, otro factor perjudicial lo constituye la diafonía
producida por diversos efectos no lineales como por ejemplo la modulación de fase
cruzada o la dispersión estimulada de Raman. Finalmente, cuando los canales SCM a
una misma longitud de onda se introducen en el sistema empleando transmisores
ópticos distintos, la interferencia que se produce en el fotodetector entre los
espectros ópticos del ruido de fase de cada uno de los láseres da lugar a un fondo de
ruido que afecta principalmente a las frecuencias bajas de la señal (menores de 1
GHz). Para evitarlo es necesario el empleo de láseres con reducido ancho de línea.
Gestión de redes ópticas mediante tonos pilotGestión piloto
Las tareas de supervisión y gestión de las redes WDM pueden realizarse empleando
tonos piloto generados por medio de modulación de amplitud de la señal. Esta
técnica es atractiva desde el punto de vista de que no necesita ninguna fuente
óptica adicional. En realidad, la introducción de tonos piloto en los canales WDM
puede considerarse como una multiplexación WDM-SCM. En la figura 4 se muestra
esquemáticamente el proceso de enrutamiento de los canales WDM en una red
óptica empleando un conmutador controlado por medio de la información
transportada por los tonos piloto de cada uno de los canales. Ahora bien, dado que
los convertidores de longitud de onda utilizados en los conmutadores fotónicos
tienen una función de transferencia no lineal (en contraposición a los acopladores,
filtros y amplificadores), es necesario prestar atención a la influencia de estos
efectos no lineales sobre los tonos piloto.
En un experimento reciente (A. Kloch et al., Photon. Technol. Lett., pp. 448-450,
1998) se estudió la influencia de un convertidor de longitud de onda basado en un
interferómetro de Michelson sobre estos tonos piloto, y la degradación que
provocaba sobre las señales transmitidas. El montaje experimental utilizado se
muestra en la figura 5. Un tono piloto de 40 KHz con un índice de modulación del 27
% se inserta por medio de modulación directa en un láser operando a 1555 nm.
Posteriormente, la señal óptica se modula externamente con una PRBS de 2,5 Gbit/s
y se aplica al convertidor de longitud de onda. La señal convertida a 1553 nm
finalmente se fotodetecta para observar su espectro y realizar medidas de BER. Tras
el proceso de conversión de longitud de onda aparece un armónico a 80 kHz,
reduciendo la relación señal a ruido del tono piloto en aproximadamente 5 dB. La
función de transferencia sinusoidal del convertidor es la responsable de la
generación de componentes frecuenciales a múltiplos de la frecuencia del tono
piloto. Fijando como requisito un BER = 1e-9 se demostró que la inclusión del tono
piloto producía una penalización de potencia inferior a 1 dB. Estas mismas medidas
se repitieron para tonos piloto de frecuencias comprendidas entre 10 kHz y 10 MHz,
obteniéndose idénticos resultados. En resumen, un canal WDM que transporta un
tono piloto puede convertirse sin deteriorar la calidad de la señal significativamente.
En la literatura existen multitud de protocolos de enrutamiento en redes ópticas que
hacen uso de la información transportada por los tonos piloto SCM. Algunos de ellos
colocan todos los tonos piloto en el interior de un mismo canal óptico habilitado para
tal efecto, de tal forma que el conmutador se encuentra sintonizado a dicho canal y
obtiene la información de enrutamiento de todos los canales WDM. Por otro lado,
también existe la posibilidad de colocar los tonos piloto de forma individualizada
sobre cada uno de los canales WDM, tal y como se representaba en la figura 4.
Acceso inalámbrico por infrarrojoAcceso infrarrojos
La creciente demanda de conexiones de corta distancia y alta velocidad en áreas
metropolitanas, unido al hecho de que en muchos casos la infraestructura de cable
no puede cubrir el elevado ancho de banda que requieren los edificios de negocios
de zonas densamente pobladas, conduce a la adopción de soluciones alternativas
como puede ser el acceso inalámbrico por infrarrojos.
Este tipo de tecnología permite la transmisión de datos de alta velocidad empleando
señales ópticas que se propagan por el espacio libre. En este sentido, estos enlaces
ópticos se asemejan a los sistemas de fibra óptica. La principal diferencia es que en
un sistema de comunicaciones ópticas convencional, la salida del transmisor óptico
(láser o LED) se enfoca en el interior de una fibra óptica, mientras que en el caso que
nos ocupa la salida se radia a través del aire hasta la unidad receptora empleando
un haz muy estrecho. El rango de frecuencias en el que operan estos sistemas se
encuentra en torno a los 200 THz, lo cual se corresponde con longitudes de onda de
1 micrómetro. Más concretamente, los equipos comerciales suelen trabajar en dos
bandas: 780-900 nm y 1500-1600 nm. Estas bandas coinciden con las llamadas
primera y tercera ventana de los sistemas de fibra óptica convencionales. La banda
de 1300 nm, correspondiente a la segunda ventana de la fibra, no se emplea
habitualmente porque presenta unas pobres características de propagación a través
de la atmósfera.
Así pues, un enlace de infrarrojos está compuesto por un par de transceptores
unidos entre sí por medio de sendos haces láser, lo que da como resultado un enlace
de comunicaciones bidireccional y balanceado (mismo ancho de banda en ambos
sentidos de transmisión). Las características más importantes del transceptor, junto

con algunos valores típicos, se enumeran en la tabla I.



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Para el buen funcionamiento del sistema resulta imprescindible que haya visión
directa entre ambos transceptores. Luego a la hora de escoger el lugar donde se van
a emplazar los equipos se debe asegurar que no existe ningún obstáculo a lo largo
de todo el enlace teniendo en cuenta el ángulo de divergencia del haz. Por ejemplo,
considerando una divergencia de 2 mrad, se obtendría un diámetro de haz de 60 cm
a una distancia de 300 m. Los transceptores se pueden instalar tanto en exteriores
como en interiores, tal y como se muestra en la figura 1, pero en el caso de
interiores resulta necesario que el transceptor se sitúe frente a una ventana para
que pueda existir visión directa. Se supone que el vidrio de la ventana no introduce
ninguna atenuación significativa sobre la señal.
Una gran ventaja de los sistemas inalámbricos por infrarrojos es que no se
encuentran regulados y no se requiere licencia para poder operarlos, ya que la FCC
(Federal Communications Commission) decidió en su día no regular aquellas bandas
de frecuencia por encima de los 300 GHz. Adicionalmente, dado que el tamaño del
haz es muy reducido y no existen lóbulos secundarios como los que se producen en
el caso de las antenas directivas, las interferencias no suponen ningún problema.
Propagación de las señalePropagación señales
Las señales de infrarrojos no sólo se atenúan al propagarse a través de la atmósfera,
sino que también el haz láser a menudo se ensancha, se desenfoca o puede cambiar
de dirección. Estos efectos dependen principalmente de la longitud de onda, de la
potencia de salida y de las condiciones de la atmósfera. Cuando la potencia es baja,
el enlace se comporta de forma lineal y los efectos predominantes son absorción,
dispersión y turbulencia atmosférica. En cambio, cuando la potencia es elevada
aparecen nuevos efectos no lineales. A continuación se enumeran los distintos
fenómenos que puede sufrir la señal durante la propagación:
· Absorción atmosférica: las moléculas de H2O y de CO2 que componen la
atmósfera absorben energía e introducen atenuación sobre las señales de
infrarrojos. Dependiendo de las condiciones meteorológicas, de la altitud o de
la localización geográfica, varía la concentración de estas moléculas. El
resultado final es la aparición de una serie de picos de absorción en el
espectro entrelazados con ventanas de transmisión donde la atenuación es
baja (p.ej. la banda de 850 nm).
· Dispersión atmosférica: la dispersión atmosférica se produce cuando el haz
láser se intersecta por el camino con diminutos obstáculos que dispersan la
energía en distintas direcciones fuera de la línea de visión directa con el
receptor. Los efectos que se producen dependen en gran medida del tamaño
de los obstáculos. Así, las moléculas de aire o de polvo cuyo tamaño es
mucho menor que la longitud de onda del láser conducen a dispersión de
Rayleigh. Por otro lado, los aerosoles dispersan la luz siguiendo la teoría de
Mie. Por último, las gotas de agua presentes en las nubes, la niebla, la lluvia o
la nieve quedan mejor modeladas por medio de la teoría de la difracción. Pero
sin lugar a dudas, el efecto más perjudicial para un enlace de infrarrojos es la
niebla, fijando la disponibilidad del sistema en el momento de realizar la
planificación.
· Centelleo atmosférico: este fenómeno surge debido a la diferencia de
temperatura entre la Tierra y el aire que provoca un intercambio de calor.
Dado que el índice de refracción del aire cambia con la temperatura, el
intercambio de calor causa variaciones locales del índice de refracción que
conducen al desenfoque o a la curvatura del haz láser. El resultado final son
desvanecimientos de unos 7-10 dB.
AplicacioneAplicaciones
Entre las principales aplicaciones de estos sistemas se encuentran: interconexión
de redes de área local, transporte de señales Gigabit Ethernet y WDM provenientes
de enlaces de fibra o construcción de anillos metropolitanos. En algunos casos,
también se suelen emplear como sistemas redundantes o combinarse con otro tipo
de soluciones inalámbricas de banda ancha a frecuencias de microondas, por
ejemplo sistemas LMDS. Las topologías de red utilizadas son: malla, anillo, punto a
punto y punto a multipunto (estrella), como se muestra en la figura 2.
En especial, este sistema sirvió de ayuda para el restablecimiento de las
comunicaciones de forma rápida entre algunos de los edificios afectados de
Manhattan tras el atentado del 11 de septiembre. La empresa Canon Broadcast &
Communications (Lake Success, NY) fue avisada el día 15 y el 17 de septiembre ya
se encontraban instalados los equipos necesarios para el funcionamiento de los
sistemas más críticos del edificio de tribunales de justicia de Manhattan.

NOMBRE:JOSE MORA
ASIGNATURA:SCO
LINK:http://www.emagister.com/uploads_courses/Comunidad_Emagister_35141_35141.pdf


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