Analisis y Diseno-DWDM

RedesDWDM AnlisisyDiseoProf.DigenesMarcano [email protected]

DWDM AnlisisyDiseo Captulo7Pag.1


En las prdidas d la fibra se incluyen las prdidas propiamente de la fibra, ms las prdidaspor empalmes y por los conectores colocados en la misma.



El diseo de un enlace ptico requiere un anlisis detallado del presupuesto del enlace,donde se indiquen las ganancias y las prdidas, con el fin de determinar la potenciadisponible en el receptor.



Se toma el cuenta el peor caso, en el cual se considera la mnima potencia de salida deltransmisor. En las prdidas se consideran, con signo negativo, las ganancias de losamplificadores.Tanto al inicio, como al final de la vida del sistema el margen debe ser superior a cero, demanera que la potencia que llega al receptor sea superior a la sensibilidad, pero inferior almximo tolerable, es decir al overload power en Rx.En ITUT Rec. G.691 (03/2006) Cap. 6 se presentan varias tablas con parmetros tpicospara aplicaciones hasta STM64 es decir 10 Gbpspara aplicaciones hasta STM 64, es decir 10 Gbps.



El diseo de redes pticas en general, y en particular de las redes DWDM implica analizar yfijar una serie de parmetros con el fin de que la misma cumple su propsito principal quees transportar los datos de los usuarios entre dos nodos extremos garantizando una ciertacalidad de servicio.Esto conlleva a una situacin de compromiso entre tecnologa, arquitectura de la red, laslimitaciones de los dispositivos pticos, la tasa de bits esperada, la cantidad de a usar,etc.Un parmetro clave a controlar en un enlace ptico es la potencia Incluso el tener muchaUn parmetro clave a controlar en un enlace ptico es la potencia. Incluso el tener muchapotencia en el receptor puede llegar a ser perjudicial.



Un gran espaciamiento entre canales permite ms fcilmente actualizaciones futuras delsistema hacia tasas de bit superiores, lo cual es ms difcil si la separacin entre canales esreducida. Por ejemplo, los sistemas actuales operan a 100 GHz de separacin con tasas de10 Gbps por cada canal. Estos sistemas pueden actualizarse a separacin de 50 GHz,introduciendo canales adicionales. O tambin se puede mantener el espaciamiento de 100GHz y aumentar la tasa a 40 Gbps.Si el sistema original tiene una separacin de 50 GHz, es ms difcil aumentar la capacidadde cada canal a 40 Gbpsde cada canal a 40 Gbps.



Este ejemplo corresponde a un sistema comercial de 160 canales cada uno con un mximode 10 Gbps (denotado como un sistema 160x10 Gbps), 80 en la banda C y 80 en la L. Cadagrupo, par o impar, tiene 40 canales separados 100 GHz entre ellos. Cada canal o transporta una seal de 10 Gbps, equivalente a STM64).En cada banda la separacin entre dos canales adyacentes (un canal par y otro impar, oviceversa) es de 50 GHz. Pero la separacin entre los pares es de 100 GHz, igual entre losimpares.En el ejemplo mostrado hay dos niveles de multiplexaje DWDM; el primero se realiza en losEn el ejemplo mostrado hay dos niveles de multiplexaje DWDM; el primero se realiza en losmdulos M40 con una separacin de 100 GHz, y se genera una seal de 400 Gbps. Elsegundo multiplexaje se lleva a cabo en el ITL, este ltimo se realiza con una separacin de50 GHz y produce una seal de 800 Gbps.



Bajo este esquema existen dos opciones para esta red. Una opcin es colocar dos OLTespaldaespalda en B, y la otra es usar un OADM tambin en el nodo B.Vamos analizar ambas opciones. En muchas oportunidades el diseo consiste en presentarvarias opciones y despus hacer una comparacin, para luego bajo ciertos compromisos dediseo seleccionar la alternativa ms adecuada.Estos compromisos de diseo incluyen tanto aspectos tcnicos como econmicos.



Esta es una solucin tcnicamente vlida. Se necesitan 10 puertos de routers en A y C, y 20en B, y 4 OLT.Se necesitan 10 en los enlaces entre AB y BC, cada uno transporta 100 Gbps. El trficoentre AB y entre BC es de 50 Gbps; y entre AC tambin es de 50 Gbps.De los 100 Gbps que se transportan en el enlace AB, 50 Gbps corresponden al trficoofrecido entre el nodo A y el B, y los otros 50 Gbps pertenecen al trfico entre el nodo A yel nodo C. Una situacin similar se presenta en el enlace BC,



En este caso slo se usan 2 OLTs en los nodos A y C, y en el nod B se una un DWDM OADM.Ahora cad router debe tener 10 puertos para un total de 30 puertos de router. A nivel detrfico la capacidad que se necesita es la misma del caso donde no se usa OADM y tambinse deben activar 10 .En este caso las 5 que van de A a C pasan por el OADM sin ser convertidas a sealeselctricas. El OADM debe tener capacidad para 20 ligthpaths, de los cuales 5 se extraen y 5se insertan en el nodo B.



La comparacin se hace desde una perspectiva tcnica y tambin econmica. Tcnicamenteambas alternativas son vlidas. Desde un punto de vista econmico tambin hay queanalizar la cantidad de que deben pasar de A hacia C sin modificarse, ya que el OADM loque hace es dejar intactas aquellas que lo ameritan, y pasar por el router el trfico que sequeda en B, denomindas passthrough.Si el



En el caso sin OADM, dado que todo el trfico IP sale de A y llega a B, y en B el router de 20puertos se encarga de desviar 50 Gbps para dejarlos en B, e insertar los 50 Gbps que van deB a C, para los router IP la red pareciera estar integrada por dos enlaces puntoapunto cadauno llevando 100 Gbps.

Sin embargo, cuando se usa el OADM, el trfico de 50 Gbps que va desde A con destino a Cpasa por el nodo B de manera transparente como si ste no existiera, lo que equivale atener un enlace directo entre A y C llevando 50 Gbpstener un enlace directo entre A y C llevando 50 Gbps.



Esta es una gua general que puede sufrir algunos cambios dependiendo de cada caso enparticular. Justamente tmese como una gua, no es una camisa de fuerza. El diseador, deacuerdo a su experiencia, podr modificar esta gua en funcin de sus criteriosprofesionales.



A pesar de que el trfico tiende cada da a ser IP, se requiere que las redes pueden manejarmltiple servicios. El backbone est formado por una red mallada de enlaces de fibrasusando DWDM, incluyendo OLT, OXC, OADM y plataformas multi servicios.La red soporta una gran variedad de servicios incluyendo SDH/SONET, IP, Ethernet. SDH enparticular lleva trfico de voz, y el multiplexaje SDH es frecuentemente hecho por losequipos de la capa ptica, y no por equipos SDH separados.En los extremos de las redes los MSP pueden brindar servios de conmutacin de circuitos yde conmutacin de paquetesde conmutacin de paquetes.La idea es usar un solo hardware para el acceso, en lugar de tener varios dispositivosfsicamente separados para el acceso de cada tipo de trfico.



Por cada longitud de onda tenemos un transmisor (incluye un laser) en un extremo y unreceptor en el otro extremo. Tambin existe un MUX y un DEMUX en cada extremo delenlace. En el trayecto de F.O, se tiene un amplificador de potencia en Tx, un amplificador delnea cada cierta distancia y antes del DEMUX un preamplificador.Dependiendo de la distancia, la tasa de bit y el tipo de fibra usada, se puede incorporar unmodulo para compensar la dispersin, tpicamente despus de cada amplificador.El BER depende del ruido, as como de otros inconvenientes en el sistema.



Existe una serie de parmetros que caracterizan a los elementos que forman un enlaceentre dos nodos y que afectan el desempeo del mismo.Tambin hay que considerar los efectos de los conectores, los empalmes; muy importantetomar en cuenta las prdidas de insercin de los Regeneradores, OXC, OADM, etc.



El uso de cdigos de lnea diferentes a NRZ tendr una cierta influencia en los parmetrosdel sistema, ya que los mismos estn estandarizados usando NRZ.Dado que el ancho del pulso de RZ es la mitad del pulso de NRZ, tambin ocupar un mayorancho de banda, ya que al calcular la transformada de Fourirer es un Sinx/x cuyos crucespor cero ocurren cada 1/t, siendo t el ancho del pulso. As que espectralmente NRZ esms eficiente.Sin embargo, a 40 Gbps donde el tiempo de bib tb=25 ps, es menos probable que un pulsoRZ ( 12 5 ps de ancho) interfiera con otro debido a efectos de dispersin cromticaRZ ( 12.5 ps de ancho) interfiera con otro debido a efectos de dispersin cromtica.



Se puede observar que para una misma tasa de bit los receptores APD son ms sensiblesque los pin FET. Mientras menor es el valor de la sensibilidad se dice que el receptor tieneuna mayor sensibilidad.Para altas tasa de bits se prefiere entonces usar los receptores APD.La sensibilidad se mide para el peor caso, y la ITUT recomienda hacer las mediciones paraun BER de 1012.



En el dominio elctrico existen bsicamente dos tipo de ruidos: El ruido Shot y el ruidotrmico.El Shot fue descubierto y analizado tericamente por Walter Schottky en 1918, y es debidoal se manifiesta como una variacin en la corriente elctrica debido al carcter discreto delas partculas cargadas que la integran.Diez aos despus, Johnson y Nyquist, analizaron un tipo de ruido diferente causado por lasfluctuaciones trmicas de cargas estacionarias, y es lo que denomina ruido trmico.



El ruido se caracteriza como un proceso gausiano.



Como vemos el ruido en el receptor es generado en el proceso de conversin ptico aelctrico.Los componentes dentro del frontend amplifier tambin contribuyen con el ruido trmico.



No se debe confundir el ancho de banda ptico BWo, el cual en efecto es mucho mayor queBWe. Sin embargo BWo se ve limitado por los filtros colocados en los extremos del enlace.Entonces convencionalmente se estable que como mnimo BWo=2BWe.Como el detector es seguido del frontend, los dispositivos dentro del mismo producen unruido adicional que se cuantifica por medio de la figura de ruido.



Durante la recepcin, el receptor debe ser capaz de distinguir ente un 1 y un 0. Un error seproduce si al enviar un 1 el receptor detecta un 0, o si al enviar un 0 el receptor detecta un1. Los errores se producen debido a ciertas imperfecciones en el canal ptico; la tasa de bittambin influye en el BER.P(1/0) y P(0/1) dependen de la densidad de ruido en el receptor.



En comunicaciones pticas el procesamiento y las unidades de las perdidas esprcticamente igual que en otros sistemas de transmisin cableado o inalmbricos. Lasprdidas producidas por un dispositivo, por el slo hecho de colocarlos en el canal decomunicacin, se denominan Prdidas de Insercin y se expresan en dB.Dado que Pout siempre es menor que Pin, para todos los dispositivos pasivos, entonces lasprdidas siempre son menores que uno, entonces para que sen positivas en dB se coloca elsigno menos delante del logaritmo.



Por lo general los fabricantes suministran las prdidas en dB/Km, de manera quemultiplicando directamente por la longitud total de la fibra se conoce cuales son lasprdidas debida a la misma.El factor de atenuacin o de prdidas, se especifica para una cierta longitud de onda.Las prdidas especificadas por el fabricante se garantizan mientras la fibra est en el carreteo bobina. Una vez instalada las prdidas aumentan debido a muchos factores, entre ellos:curvaturas y empalmes.



A fin de considerar el efecto del PMD en el power budget, se incorpora una penalizacinpor PMD que normalmente oscila entre 1 dB (0.3Tb) y 0.1 dB (0.1 Tb).A 10 Gbps el Tb es de 100 ps, as que 50 ps en 100 Km representa un tiempo igual a 0.5 Tb



El ncleo de la fibra ptica esta hecho de dixido de silicio (SiO2) que es un compuesto desilicio y oxigeno, denominado corrientemente como slice. Resulta que el ndice derefraccin de la slice vara con la frecuencia, es decir con la longitud de onda. Entonces acada propagndose dentro de la fibra le corresponde una velocidad de propagacindistinta. Esto trae como consecuencia que las ms rpidas llegan primero y las ms lentasdespus, trayendo como consecuencia una dispersin o ensanchamiento de un pulsoinyectado a la entrada de la fibra o componente ptico. Esto es lo que se denominadispersin del material ya que es debida a las caractersticas del material propiamentedispersin del material, ya que es debida a las caractersticas del material propiamentedicho.A parte de la dispersin del material, la dispersin cromtico contiene otro componenteque es la dispersin de la gua de onda. Pero este componente es muy dbil frente a ladispersin debida al material.La dispersin debida a la gua de onda se produce ya que parte de la energa viaja por elncleo y parte por el revestimiento o clading. Si la mayora circula por el ncleo el ndice derefraccin ser muy cercano al al del ncleo; pero si la mayor cantidad de energa viaja porel clading entonces el ndice de refraccin efectivo ser muy parecido al del clading. Comola proporcin de energa que viaja por el ncleo o por el clading depende de la longitud deonda, entonces tambin depender el ndice de refraccin.



La dispersin cromtica depende de la longitud de la fibra recorrida por el pulso.En las fibras multimodo se produce un fenmeno denominado dispersin modal, y seproduce debido a que cada modo se propaga con velocidades diferentes dentro de la fibraptica.



En el ejemplo mostrado vemos que para =1550 nm, la DC inferior a 18 ps por cada nm de ( o de espectro) contenido en el pulso.



Las limitaciones impuestas por la dispersin cromtica se pueden modelar asumiendo queel ensanchamiento del pulso, debido a la dispersin, debe ser menor a una fraccin deltiempo de bit, para una penalizacin dada debida a la dispersin cromtica. La tablamuestra la penalizacin en potencia y el valor de correspondiente.Si la igualdad no se satisface se deben modificar los parmetros, por ejemplo reducir ladistancia L.El parmetro v se obtiene de G series Supplement 39 (12/2008), donde se presentan loscasos lmite de una tasa de bits elevada y muy bajacasos lmite de una tasa de bits elevada y muy baja.



La dispersin cromtica total D es igual a la suma de la dispersin del material DM y ladispersin de la gua de onda DW: D=DM+DW.DM incrementa con (se reduce con la frecuencia) y tiene una zona donde es negativa yotra donde es positiva; pasa por cero en =1.276 m.Por su lado DW es siempre decreciente con y negativa. Este comportamiento hace quepara =1.31 m la dispersin total D sea nula.Alrededor del punto donde la dispersin total es nula, D puede aproximarse por una lnearecta cuya pendiente se denomina pendiente de la dispersin cromtica de la fibrarecta cuya pendiente se denomina pendiente de la dispersin cromtica de la fibra(chromatic dispersion slope).Entonces el efecto de la dispersin es casi insignificante en sistemas operando en =1.31m , por eso se denominan sistemas limitados por las prdidas.



Este modelo en particular permite compensar para span de 60 Km y soporta aplicacionesen 2.5 Gbps y 10 Gbps.



Algunas consideraciones con relacin a los mdulos de compensacin de la dispersin1. No se debe exceder la mxima dispersin admisible2. Incluir la penalizacin por dispersin cromtica en el presupuesto del enlace3. Incluya las prdidas de insercin de mdulo de compensacin en el presupuesto del

enlace4. Los amplificadores pticos no tienen ningn efecto sobre la dispersin5. Para reducir los efecto no lineales de la distorsin, se recomienda mantener una cierta

cantidad de dispersin residual en cada tramo o spancantidad de dispersin residual en cada tramo o span.6. Para sistemas con tasas de transmisin se recomienda precompensar los span a fin de

minimizar efectos no lineales entre canales



Estas fluctuaciones debido al PDL causan cierta incertidumbre en los valores de potencia dela seal; por ejemplo un DPL de 0.5 dB puede producir variaciones de 0.5 dB en la seal,por lo tanto se considera como una penalizacin de potencia y se toma en cuenta comouna prdida en el power budget del enlace ptico.En el ejemplo mostrado, los valores son vlidos para una cierta , si esta cambia se debeestimar o medir nuevamente el PDL.El PDL es una variable aleatoria, y cuando existen varios componentes en serie el PDL nopuede calcularse como una simple suma si no que debemos emplear algn modelopuede calcularse como una simple suma, si no que debemos emplear algn modeloestadstico para analizarlo. En aras de evitar complicaciones se puede asumir el peor casoque consiste en sumar los PDL de todos los componentes.



En el caso de amplificadores EDFA, el PDL depende de la ganancia del amplificador y sedenota por PDG. Esto se debe a que la ganancia depende de la polarizacin.



Es bueno aclarar que la seal que se mide est de por s contaminada con el ruido.



Las fuentes de ruido se pueden clasificar en activas y pasivas. Las activas como los lasers,receptores y amplificadores pticas generan potencia de ruido en el enlace. Las fuentespasiva como filtros, empalmes, conector y componentes WDM producen interferenciadebido a las distorsiones y reflexiones de la seal.La OSNR se considera slo en aquellos enlaces que tienen amplificadores, esto es debido aque al no haber amplificadores en nivel de ruido es muy bajo y no constituye un factorlimitante.



Es bueno aclarar que esta relacin se aplica slo para los casos de mediciones, y el ltimotrmino es un factor de escalamiento relacionado con el ancho de banda de los filtros delOSA. Si Bm y Br son iguales, dicho trmino es nulo.



El estndar IEC 6128029 define los mtodos de medicin del OSNR y las ecuaciones paralos sistema DWDM; estos mtodos son similares a los usados para un simple canal.En DWDM la separacin entre canales est definida por la grilla del ITUT, y a veces no hayespacio suficiente entre canales para medir la potencia de ruido usando el RBW. En esoscasos el NEB se ajusta a un valor inferior que el RMW para medir el ruido a ambos ladosdel canal de inters.Para la interpolacin las mediciones se hacen en el punto medio entre la de inters y laque se encuentra adyacente a ambos lados de la seal que estamos midiendoque se encuentra adyacente, a ambos lados de la seal que estamos midiendo.



Cuando en un enlace se incorpora un amplificador el mismo introduce una cierta cantidadde ruido que no es perjudicial ni deteriora el desempeo del sistema; pero si es necesarioincorporar varios amplificadores entonces se pueden alcanzar niveles crticos quedeterioren el OSNR, lo que traer como consecuencia un menor BER ya que el mismodepende del OSNR.De la ltima relacin vemos que la OSNR depende de la Pin, pero no depende de laganancia del amplificador, esto es debido al hecho que que el ruido generado tambin esamplificado con la misma ganancia de esa forma se cancelan en la divisinamplificado con la misma ganancia, de esa forma se cancelan en la divisin.



Un Span se refiere a un trayecto de fibra e incluye las prdidas de los conectores,empalmes, etc.Si hay M amplificadores se consideran M+1 OSNR, incluyendo la del laser.Por lo general la OSNR del laser es muy elevada, superior a 57 dB (5.012x105), por lo quecasino tiene efecto en los clculos y se puede excluir de los mismos.



La potencia recibida es 20 dBm y la sensibilidad del receptor es 24 dBm @ BER=1012, esdecir que tenemos un margen en potencia de 4 dB, por lo que podemos tener incluso unBER inferior.



La potencia de ruido PASE es la misma para todos los amplificadores ya que todos tienen lamisma NF, y PASE no depende de la ganancia del amplificador.Se considera una velocidad de la luz igual a 2.99792458x108 m/s.



El OSNR mnimo en el receptor debe ser 18 dB, y hemos calculado 23,96, as que tenemosuna OSNR superior al valor mnimo por 5.96 dB.Se puede observar que el OSNREDFA1 es casi igual al OSNR1, esto se debe a que el OSRN dela fuente es muy elevado y tiene poca influencia.



Esta ecuacin permite calcular la cantidad de Spans N conociendo los otrosparmetros, bajo las condiciones arriba indicadas..Se supone que todos los trayectos tienen las mismas prdidas y que todos losamplificadores tienen la misma figura de ruido NF.



El enlace permite unir dos equipos terminales, para ello hace uso de varios dispositivosentre los cuales tenemos amplificadores, filtros, OADM, filtros ect. Por simplicidad slo semuestran los amplificadores.Lroute es la longitud total del enlace y Lspan es la separacin entre do amplificadores.



Aqu se presenta la potencia requerida por Span (para un Span con ganancia unitaria) enfuncin del nmero de Span para diferentes longitudes del Span. El producto de lacantidad de span por la longitud del span determina la longitud total de la ruta.Las prdidas de cada Span son: LossFibra*Lruta/Nspan.Por ejemplo si Lrute=4000 Km, entonces podemos usar 100 span de 40 Km cada uno, y slonecesitamos 0.75 dBm por Span. Tambin podramos cubrir la misma ruta con 50 span de80 Km de longitud, pero entonces necesitamos 5.44 dBm, es decir 6.2 dB ms.As vemos el compromiso: menos span pero ms potenciaAs vemos el compromiso: menos span, pero ms potencia.



La curva muestra la potencia requerida por span en funcin de la cantidad de Span parauna OSRN de 23 dB o de 17 dB, y la longitud del span igual a 80 Km.Se resalta el caso particular cuando cuando la longitud del enlace es 4000 Km, lo queresulta en 50 Span de 80 Km cada uno, y OSNR=23 dB; en cuyo caso la potencia requeridaes 5.44 dBm. Podramos calcular el mismo caso pero con OSNR=17 dB y la potenciarequerida sera 0.56 dBm.



En la columna de la derecha (Total Traffic) se muestra el trfico entre cada nodo y los 18restantes.La ruta primaria se aquella de menor longitud entre los dos nodos del enlace.



Cada enlace punto a punto tiene un sistema de proteccin por donde se transmite lamisma seal que viaja por la ruta primaria. Cuando se produce una falla el extremoreceptor slo tiene que conmutar a la ruta de proteccin.



Todos los datos de capacidad se refieren a longitudes de onda de 10 Gbps. Por ejemplo, laruta SeattleSan francisco tiene un Working Capacity de 13, eso significa 13 de 10 Gbpscada una, es decir una capacidad total en dicha ruta de 130 Gbps; Working Capacitysignifica la capacidad que se esta usando como ruta principal. Las 13 entre SeattleSanfrancisco corresponde a las dos nicas rutas ms cortas que salen de Seattle y pasa por SanFrancisco, estas son SeattleSan Francisco con 6 , y SeattleLos ngeles con 7 , como sepuede ver en la matriz de trfico. La ruta SeattleEl Paso se hace a travs de Salt Lake Cityque es ms cortaque es ms corta.En la columna Working Capacity 1+1, se muestra la capacidad que debe instalarse en cadaruta para soportar el trfico de proteccin 1+1, el total resulta de aplicar la metodologa deproteccin ya mencionada.La proteccin a la cual se hace mencin en esta tabla, es a nivel de la red de transporte degran distancia. Es decir que en los OXC el 1+1 es slo para el trfico de transporte, no tienenada que ver por ejemplo, con el trfico local ADD/DROP.



Aqu se muestra el trfico total primerio (Working) que pasa a travs del enlace SeattleChicago, Se cuenta todo el trfico que pasa por dicho enlace, sin importar cual es el origenni el destino. La matriz de trfico nos indica la cantidad de que requiere cada ruta entrenodos extremos. El cuadro indica el trfico enre los diferentes nodos.



En un nodo la cantidad de transponder es igual a la cantidad de trfico en trnsito ms dosveces el trfico ADD/DROP.Ambos tipos de trfico se obtienen de la matriz de trfico y de la red. Cuando la red es muygrande y tiene muchos nodos estos parmetros de obtienen por medio de softwareespeciales para tal fin.La cantidad total de transponder se obtiene sumando las cantidades parciales de cada cadanodo.Este anlisis se hace para cada nodo y lo que interesa es la cantidad de lambdas en trnsitoEste anlisis se hace para cada nodo, y lo que interesa es la cantidad de lambdas en trnsitoy las ADD/DROP.



Para cada del canal DWDM se debe instalar un regenerador. Los Regeneradores seinstalan en un enlace entre dos nodos y su ubicacin viene determinada por susespecificaciones, bsicamente se indica la distancia entre regeneradores.A cada distancia Lspan,Reg se debe colocar una cantidad de regeneradores igual a la cantidadde lambdas que viajan por el enlace. Entonces la cantidad de regeneradores en un enlacees igual a la cantidad de puntos de regeneracin multiplicada por la cantidad de lambdas,que incluye las lambdas de trfico y las de proteccin.



Los simuladores incrementan el desempeo de los sistemas, reducen costos, permiten eldiseo acelerado de prototipos y permiten analizar diferentes escenarios.A partes de las herramientas comerciales muchos proveedores de equipos de redes pticastienen sus propias herramientas, que usan slo para la instalacin de sus sistemas.


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