Redes ópticas de acceso

1. Introducción

1.1. Motivación

¿Por qué utilizar fibra óptica para el hogar? Porque tiene la capacidad de transmitir un gran flujo de datos, ya sea de telefonía, datos o televisión (IPTV).

Las redes de comunicación están formadas por:

  • Red de transporte, es la que interconecta todas las redes de acceso.
  • Red de acceso: conecta una estación (central office) con lo usuarios. Concentra el flujo de información y envía el tráfico agregado a la central office.

1.2. Redes de acceso

Principales tecnologías para redes de acceso: DSL (ADSL, VDSL), redes híbridas fibra-coaxial (HFC), sistemas inalámbricos (WiMAX).

Digital Suscriber Line (DSL)

Usa par trenzado (cables de cobre) para transmisión de datos además de voz. El ADSL (Asymmetric DSL), proporciona una tasa binaria distinta para downstream y para upstream. Además, utiliza modulación OFDM. Como ventajas, el despliegue es sencillo y barato. Sin embargo, la velocidad es limitada y la máxima velocidad depende de la distancia a la central office y así como de la calidad de los cables.

Plan de frecuencias ADSL
Plan de frecuencias ADSL

Redes híbridas de fibra-coaxial

Combinan la fibra óptica con cable coaxial (hybrid fiber-coaxial, HFC). Actualmente es implementado por compañías como ONO. Permite ofrecer el conocido como triple play (TV, teléfono e Internet).

Es una opción que presenta un ancho de banda por usuario relativamente amplio. Sin embargo, como principal desventaja se encuentra que el despliegue de la red es caro (obra civil).

1.3. Redes de acceso en fibra

Las redes de acceso en fibra implementan el bucle de acceso mediante fibra óptica o sustituyendo parte del cable por fibra. Este tipo de redes proporcionan grandes anchos de banda. La red de acceso en fibra requiere desplegar fibra hasta los usuarios.

1.3.2. Arquitecturas de red de acceso

Las arquitecturas de red de acceso pueden ser punto a punto (P2P) o punto a multipunto (P2MP) que pueden ser activas (Active Optical Network, AON) o pasivas (Passive Optical Network, PON).

En las redes punto a punto (P2P) hay una fibra entre la estación central y cada usuario. Esto proporciona al usuario un enorme ancho de banda y versatilidad para futuras mejoras. Sin embargo, es un arquitectura con un mayor coste frente a otras

Las redes activas (Active Optical Network, AOL), utiliza equipos alimentados eléctricamente. Las señales llegan solo a su destino y se utiliza buffering para evitar colisiones.

La redes pasivas (Passive Optical Network, PON), utiliza únicamente dispositivos pasivos. En el downstream, el flujo de datos llega a todos los usuarios (aunque está cifrado para evitar el espionaje). En el upstream se utiliza un protocolo de acceso múltiple. Esta arquitectura reduce costes ya que no hay que alimentar y gestionar equipos, se reduce el mantenimiento y necesita un menor consumo de energía. Existen varios tipos de PON: Broad PON (BPON), Ethernet PON (EPON), Gigabit PON (GPON).

Entre las ventajas de utilizar redes PON tenemos que:

  1. Tienen una atenuación baja: 3-5 dB/km en primera ventana, 0.5 dB/km en segunda ventana, 0.2 dB/km en tercera ventana. Lo que demuestra que tienen unas pérdidas de propagación bajas.
  2. Tienen un gran ancho de banda: en tercera ventana 15 THz. Por lo tanto, da pie a proporcionar enlaces de banda ancha a muchos usuarios con una única fibra. Este gran ancho de banda es la que posibilita la existencia de Internet tal y como lo conocemos.
  3. Es un buen medio de transmisión (es inmune a interferencias electromagnéticas)
  4. Reduce costes operativos: al sustituir elementos activos por pasivos, se evita la alimentación eléctrica, se elimina la gestión de dispositivos activas y reduce los costes de mantenimiento.
  5. Tienen un bajo consumo: si lo comparamos con otras tecnologías, las redes PON son mucho más eficientes energéticamente que otras tecnologías como el cobre o los cables Ethernet.
  6. Suponen una reducción en área para el equipamiento: del mismo modo que con el consumo, las redes PON necesitan estaciones más pequeñas para dar cabida al equipamiento necesario para conectar a los usuarios con la red troncal.

1.5. Elementos de una red FTTx

Los elementos principales de una red de fibra son:

  • OLT (Optical Line Terminal): es la interfaz entre la red troncal y la red PON situado en la central.
  • ONU (Optical Network Unit): es la unidad remota donde termina la red PON.
  • NTE (Network Terminal Equipment): es la interfaz con el usuario en ONU.
  • ONT (Optical Network Terminal): es la unidad remota situada en las instalaciones del usuario.

2. Protocolos y estandarización

En las redes PON el medio es compartido para reducir costes. Por ello, es necesario el uso de técnicas de acceso al medio. Vamos a ver qué técnicas son las más adecuadas para que el usuario pueda transmitir su información a la red y qué protocolos se pueden utilizar.

Como técnicas de acceso al medio tenemos

  • Time Division Multiple Access (TDMA): cada emisor tiene asignado un slot temporal. Este slot lo indica el OLT. Los paquetes se sincronizan en el divisor de potencia. Como ventajas, solo tiene una portadora en cada instante (no hay productos de intermodulación), puede llegar a soportar un throughput alto incluso para un número alto de accesos, no se necesita controlar potencia en ONUs ya que solo hay un usuario transmitiendo en cada instante de tiempo, no se necesita sintonización porque todas las estaciones usan la misma frecuencia y es fácil de reconfigurar. Sin embargo, como desventajas tiene que se necesita de sincronización entre todos los usuarios y que consume más potencia y ancho de banda con altas tasas binarias en comparación con accesos continuos (como WDMA).
  • Subcarrier Multiple Access (SCMA): cada ONU modula en una frecuencia de RF distinta y todos los áseres transmiten a la misma longitud de onda. Cada ONU tiene un canal independiente. Como ventajas, no necesita sincronización entre canales y todos los láseres pueden tener la misma longitud de onda. Como desventajas es que hay ruido de batido y que el ancho de banda disponible es limitado por el ancho de banda RF de los componentes ópticos.
  • Wavelength Division Multiple Access: cada ONU emplea una longitud de onda diferente, por lo que cada ONU transmite en canales independientes. Tiene como ventajas que no es necesario la sincronización entre canales y que permite implementar redes P2P (punto a punto) virtuales sobre topologías P2MP (punto a multipunto). Como desventaja presenta que el uso de demux complica mandar la misma señal a todas las ONUs en bajada. Cada ONU requiere un láser con una longitud de onda distinta, por lo que es la solución más cara.
  • Optical Code Division Multiple Access: todos los emisores ocupan tiempo y frecuencia simultáneamente y se distingue por la utilización de códigos ortogonales. Tiene como ventajas que no necesita sincronización, aumenta la privacidad y permite explotar mejor los recursos ya que comparte tiempo y frecuencia. Sin embargo, todavía no está madura y es un método que depende mucho de la temperatura y errores de fabricación de los componentes.

Estándares que utilizan TDMA:

  • BPON. Estándar G.983.
  • EPON. Estándar IEEE 802.3ah y IEEE 802.3av
  • GPON. Estandar G.984, G.987 y G.989

Estándares que utilizan SCMA:

  • HFC (Hybrid Fiber Coax)

Estándares que utilizan WDMA y OCDMA: ninguno. Son más complicados y todavía están en fase de investigación.

2.3. Sistemas PON TDMA

2.3.1.1. Asignación de longitudes de onda

Downstream:

  • Datos digitales, 1490 nm.
  • Highspeed downstream services (video): 1550 nm.

Upstream:

  • Datos digitales: 1310 nm.

Bandas extendidas:

  • Downstream: 1575-1580 nm
  • Upstream: 1260-1280 nm

2.3.1.2. Clasificación de balances de potencia

Clase A: 5-20 dB
Clase B: 10-25 dB
Clase B+: 13-28 dB
Clase C: 15-30 dB
Clase C+: 17-32 dB

2.3.1.3. Ranging protocol

Medida de la distancia entre ONU y OLT (ranging):

Debido a que hay ONUs situadas a distintas distancias, es necesario la sincronización para evitar colisiones. Para determinar la distancia (ranging) de cada una de las ONUs el OLT envía un paquete (ranging grant) para medir el retardo. Cada ONU contesta al recibir el paquete y el OLT calcula la distancia de tiempo de ida y vuelta.

2.3.1.4. Control de tráfico

Se puede asignar ancho de banda a cada usuario de manera estática (SBA), en el que cada usuario tiene un ancho de banda asignado y fijo o también se puede asignar de manera dinámica (DBA). Este mecanismo, permite redistribuir el ancho de banda del upstream en milisegundos/microsegundos en función de las necesidades del tráfico. Este proceso está gestionado por el OLT que es quien asigna permisos (grants) a los ONT para transmitir en slots determinados.

2.3.1.6. FEC

Forward Error Correction. Es una técnica que permite detectar y corregir errores mediante la introducción de datos redundantes. Puede añadir una diferencia de 3-6 dB al balance de potencias ya que no es necesaria una OSNR tan alta para lograr detectar correctamente cada uno de los bits. Se utilizan códigos cíclos (n,m) típicamente Reed-Solomon, RS (255, 239).

2.3.2. BPON

Broadband PON. Fue desarrollado por una agrupación de operadores y fabricantes (FSAN). Es el primer sistema en ser desplegado comercialmente. Utiliza el protocolo ATM (Asynchronous Transfer Mode) y el estándar corresponde a la ITU G.983.

2.3.3. EPON

Ethernet PON ó Gigabit Ethernet PON (GE-PON).

Fue desarrollado por Ethernet-in-the-first-mille Alliance y EPON Forum. Es fácil de integrar con redes LAN, WAN basadas en Ethernet. Está estandarizado por el IEEE 802.3ah y obviamente utiliza el protocolo Ethernet.

Ethernet es una familia de protocolos para redes de ordenadores LAN. Esta estandarizado por el IEEE 802.3 y es un protocolo de enlace de datos. Utiliza CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection), técnica de acceso al medio. Actualmente es la tecnología dominante en LANs y como protocolo de enlace de datos. Existen velocidades de 10 Mbps, 100 Mbps (Fast Ethernet), 1 Gpbs (Gigabit Ethernet) y 10 Gbps (10 Gigabit Ethernet).

La tasa binaria es de 1.244 Gpbs (8/10), por lo que realmente es una tasa efectiva de 1 Gbps, utiliza el protocolo Ethernet, utiliza las longitudes de onda de 1490 en downstream y 1310 en upstream. Permite una relación de división de hasta 32 (aunque nominalmente son 16). La máxima distancia que se puede tener entre la OLT y la ONU es de 10 km. Permite la gestión dinámico del ancho de banda, cifrado y FEC, aunque estas características son opcionales y dependen del fabricante.

El canal se codifica 8b/10b, utiliza FEC (opcional) con Reed-Solomon (255, 239). La trama Ethernet es variable entre 72 y 1974 bytes, utiliza un SFD (start of frame) que indica el comienzo de una trama (10101011) y un FCS (frame check sequence) que se utiliza como redundancia para la correción de errores (código CRC).

En cuanto a control de tráfico, se utiliza en Multipoint Control Protocol (MPCP) para regular el tráfico downstream y upstream.

2.3.4. GPON

Utiliza el protocolo GPON Encapsulation Method (GEM) que permite transimitir paquetes Ethernet, celdas nativas ATM y/o TDM nativo. El estándar es la ITU G.984.

Tiene una tasa binaria de 1.244 ó 2.488 Gbps en downstream y 0.155, 0.622, 1.244 ó 2.488 Gbps en upstream.

Las longitudes de onda en las que transmite son 1490 nm en downstream y 1310 nm en upstream. La máxima longitud OLT-ONU es de 10-20 km. Incorpora gestión dinámica del ancho de banda por defecto, está cifrado con AES-128 en downstream y el FEC también está incluido por defecto.

Las tramas GPON tienen una duración de 125 μs y permite acomodar servicios ATM, Ethernet y TDM gracias al protocolo GPON Encapsulation method (GEM).

El control de tráfico se realiza mediante traffic containers (T-Cont). Los permisos se asignan en función del tráfico de cada ONT.

2.3.5. 10G-EPON

10G Ethernet Gigabit PON, utiliza el protocolo Ethernet y está el estándar es el IEEE 802.3av

La tasa binaria en downstream es de 12.5 Gbps y 1.244 Gbps en upstream. Incorpora cifrado, gestión dinámica del ancho de banda y FEC disponible por defecto en el estándar.

2.3.6. XG-PON

10 Gbps GPON o XG-PON, desarrollado por FSAN. Utiliza el protocolo GEM y su estándar es el ITU G.987

Ofrece tasas binarias mejores que el 10GE-PON con 10 Gbps en downstream y 2.5 Gbps en upstream o en la versión 2 de la arquitectura 10 Gbps simétricos.

Utiliza cifrado AES-128 en downstream y FEC es obligatorio.

2.3.7. Coexistencia

Las redes 10G-PON/10G-EPON pueden coexistir sobre la misma fibra con GPON/EPON. De esta manera se puede hacer una migración progresiva y actualizar solo los ONT que se quiera.

2.4. Sistemas emergentes

2.4.1. PON WDM

DWDM PON utiliza N longitudes de onda para N usuarios en un esquema PON. Tiene como ventajas que tiene un ancho de banda tal que permite cualquier servicio presente o futuro, ofrecen seguridad ya que los enlaces son dedicados, no es necesario usar protocolos para evitar colisiones y se eliminan pérdidas por división. Sin embargo, económicamente estos los sistemas WDM todavía no son rentables para la red de acceso.

2.4.2. PON TWDM

Time and Wavelength Division Multiplexing. Añade algunas longitudes de onda a una red TDMA para aumentar la tasa binaria por usuario. Esta arquitectura ofrece escalabilidad (pay-as-you-grow) ya que se puede ir implementando a medida que los usuarios contratan el servicio. Esta arquitectura necesita ONT colorless, el transceptor debe sintonizar la longitud de onda correcta en US y DS, deben incorporar un control térmico que implica mayor coste y se necesita de filtrado en longitud de onda con AWGs (Arrayed Waveguide Gratings).

2.4.2.1. 40G-PON

Utiliza el protocolo GEM y está definido por el estándar ITU G.989

Utiliza 4-8 pares de canales TWDM (cada canal es una longitud de onda de DS y otra de US).

3. Componentes

3.1. Fuentes ópticas

  1. Láseres Fabry-Perot (FP), son láseres multimodo que trabajan en segunda y tercera ventana. Se utilizan en ONT de tasas bajas (BPON, GPON, EPON).
  2. Láseres DFB (Distributed Feedback Laser). Son láseres monomodo, de bajo ancho de línea y buena estabilidad de frecuencia. Su elevado coste limita su uso en redes de acceso. Al igual que los láseres FP, trabajan en segunda y tercera venta. Se utilizan el OLT y ONT (GPON, EPON, XG-PON).
  3. Láseres EML (Externally Modulated Laser). Se modulan externamente para aumentar el ancho de banda y reducir degradaciones de modulación directa (chirp).
  4. VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers). Existen tanto monomodo como multimodo. Tienen un coste bajo pero emiten baja potencia óptica. Se pueden encontrar para primera, segunda y tercera ventana y se utilizan en 10 GbE, LAN…

3.2. Receptores

Los fotodiodos se utilizan como receptores ya que son dispositivos capaces de convertir luz en una señal eléctrica. Existen varios tipos:

  1. PIN: Es el tipo más común y consiste en una unión PN polarizada en inversa.
  2. APD (Avalanche Photodiode): se generan fotones por avalancha antes de entrar al receptor. Tienen una mayor sensibilidad, mayor figura de ruido pero es más caro.

Además, es necesario el uso de Burst-Mode Receivers en el receptor del upstream (OLT). Debido a la diferencia de potencia que podemos recibir de diferentes ONT debido a las pérdidas por propagación (puede haber una diferencia distancia considerable entre ONTs conectadas a la misma OLT), se necesita un receptor especial. Este receptor determina el umbral y la fase de la señal a partir de bits de overhead al principio de cada ráfaga. La penalización de potencia es de 3 dB.

3.2.3. Transceptores

Se conoce como transceptor a la composición de fuente + receptor + multiplexor en un solo bloque.

3.3. Fibra óptica

La fibra óptica tiene un gran ancho de banda, tiene bajas pérdidas, bajo coste, un peso y volumen pequeño, no envejece y es inmune a descargar eléctricas. Existen varios tipos de fibra: las fibras monomodo y las fibras multimodo. La fibra monomodo (SMF) tiene un núcleo pequeño que obliga al resto de equipos a usar conectores con menores tolerancias (lo que aumenta el coste). La fibra multimodo (MMF) tiene facil conectorización, menor ancho de banda (~500-2000 MHz·km), los transmisores son más baratos a 850 nm que a 1310 ó 1550 nm.

Los conectores estándar para FTTH son los SC/APC aunque existen otros como SC/UPC o LC.

Para disivisores, podemos encontrar dos tecnologías básicas, los Fused Biconical Taper (FBT) y los Planar Lightwave Components (PLC). Típicamente tienen unas pérdidas de inserción de 0.3 dB, unas pérdidas de retorno de 55 dB, un crosstalk < -20 dB y una relación de división de hasta 128 (potencias de 2).

Para filtros WDM, la tecnología básica que se utiliza son los Thin-Film Filters o los Diffraction Gratings con unas pérdidas de inserción típicas < 4 dB y un aislamiento > 45 dB.

3.4. OLT

Son plataformas escalables en las que se se pueden controlar hasta 16 PONs por OLT. Pueden tener hasta 112 puerto y puede haber varios OLT por rack. Se alimentan a 48 V DC.

3.5. ONT

Los parámetros típicos de modelos de escritorio son: 2 puertos POTS, de 1 a 24 puertos 10/100/1000BaseT, PoE (Power over Ethernet).

4. Diseño de la red, despliegue y monitorizaciń

4.1. Diseño de la red

4.1.1. Balance de potencias

\[P_t – L_c – M_s \geq P_r\]

donde \(P_r\) es la potencia recibida mínima (sensibilidad), \(P_t\) es la potencia transmitida, \(L_c\) son las pérdidas del enlace y \(M_s\) es el margen de seguridad.

El margen de seguridad es un factor que tienen en cuenta imprevistos y degradaciones (mayores pérdidas por envejecimiento, mayores pérdidas en conectores, …) La recomendación de la ITU G.957 es de \(3~dB < M_s < 4.8~dB\). Actualmente el valor típico de \(M_s \leq 3~dB\).

\(L_c\) son las pérdidas ópticas totales. Estas incluyen las pérdidas de propagación en la fibra \(\alpha\) (dB/km), las pérdidas de distribución, las pérdidas de exceso en los divisores, los conectores y empalmes (0.05~0.5 dB cada uno), penalizaciones de potencia, penalización en la sensibilidad del receptor (OLT) por operación Burst Mode.

\(P_r\) es la potencia recibida.

Las pérdidas por división son \(10 \log_{10}{N}\).

4.1.2. Penalizaciones de potencia

La relación que existe en la relación de potencia entre el 0 lógico y el 1 lógico añade una penalización de potencia.
\[P_{er} = -10 \log_{10}{\left( \frac{r_e -1 }{r_e +1} \right)}\]

donde \(r_e = \frac{P_0}{P_1}\)

Existe también una penalización en potencia debida al ruido relativo de intensidad (RIN) del láser.
\[P_{RIN} = -10 \log{\left[ 1 – \left(RIN \cdot \Delta f_{eq} \right)q^2 \right]}\]

donde RIN es el ruido de intensidad de la fuente \(\Delta f_{eq}\) es el ancho de banda equivalente del receptor y q es el BER (q = 6, BER = \(10^{-9}\) )

Penalización por dispersión cromática:

Dispersión cromática: cada componente espectral viaja a una velocidad distinta por la fibra.
\[P_{CD} = 10 \log_{10}{\left( \frac{\sigma}{\sigma_0} \right)}\]

V: es la relación ancho espectral de fuente óptica sin modular (\( \sigma_w\) ) y el ancho temporal del pulso inicial (\( \sigma_0 \))
\[V = 2 \sigma_w \sigma_0
\sigma_w = \frac{2\pi c}{\lambda^2} \Delta \lambda\]

donde \(\Delta \lambda\) es el ancho espectral de la fuente en longitud de onda y \(\sigma_0 = \frac{1}{4B}\).

Fuentes espectralmente anchas (V >> 1):
\[P_{CD} = -5 \log_{10}{\left[ 1 – \left( 4 B L D \Delta \lambda \right)^2 \right]}\]

donde B es la tasa binaria, L es la longitud de fibra, \(D_{CD}\) es la dispersión cromática y \(\Delta \lambda\) es el ancho espectral de la fuente.

Fuentes espectralmente estrechas (V << 1):
\[P_{CD} = 5 \log_{10}{\left[ \left( 1 + 8 C \beta_2 B^2 L \right)^2 + \left( 8 \beta_2 B^2 L \right)^2 \right] }\]

donde C es el chirp, \(\beta_2\) es el parámetro de la dispersión, B es la tasa binaria, L es la longitud de fibra.

 

Rubén Sánchez Mínguez
IC design engineer en Analog Devices

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