Esta sección ofrece una clasificación básica de las redes ópticas. La red global es un sistema complicado que garantiza unas comunicaciones ópticas sólidas entre nodos de intercambio de información. Este sistema de alto nivel puede dividirse en subredes típicas que responden a requisitos geográficos y funcionales específicos: la red troncal (o core), las redes de área metropolitana (MAN), las redes de acceso y las redes de área local (LAN).
La imagen anterior ilustra las distintas subredes. A continuación se describe brevemente cada subred según el siguiente índice:
1. Redes Ópticas Troncales o Core
La red troncal es la espina dorsal del sistema mundial de comunicaciones ópticas. Interconecta zonas separadas por cientos o miles de kilómetros y, por consiguiente, sus subsistemas más largos también se denominan enlaces de larga distancia. Consta de enlaces terrestres y submarinos que transportan datos agregados desde MAN situadas en distintas ciudades, países o continentes. Esto es posible gracias a la combinación de varias tecnologías: amplificación óptica distribuida, formatos de modulación avanzados, fibras de compensación de dispersión (DCF), códigos de corrección de errores (FEC) y detección coherente.
Las redes ópticas troncales clásicas utilizan un esquema de multiplexación por división en el tiempo (TDM), conocido como jerarquía digital síncrona (SDH) o redes ópticas síncronas (SONET), para transportar servicios de voz y datos como IP o modo de transferencia asíncrono (ATM). En las redes troncales WDM, cada longitud de onda transporta un servicio SDH/SONET a velocidades típicas de 2,5 o 10 Gbit/s. Las redes troncales modernas están evolucionando hacia un nuevo protocolo, las redes de transporte óptico (OTN) definido en la norma G.709 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU). OTN acepta una amplia variedad de servicios cliente como IP, Ethernet, ATM o SDH/SONET clásicos, y proporciona transporte y gestión a través de redes WDM explotando sus capacidades multi-longitud de onda. Admite velocidades de datos superiores a 100 Gbit/s por longitud de onda.
2. Redes de Área Metropolitana
Las MAN proporcionan la conexión entre las Oficinas Centrales (CO) de un área metropolitana. Las CO son los lugares donde los operadores de telecomunicaciones y los proveedores de servicios de Internet (ISP) conectan su infraestructura de red global a las redes de acceso que dan servicio a sus abonados y clientes. Las CO suelen estar separadas por menos de 100 km, lo que reduce el coste de la tecnología desplegada en comparación con los enlaces de largo recorrido.
Las MAN típicas presentan una topología en anillo que se sirve con SDH/SONET en la capa física, de forma similar a las redes troncales. Debido al reciente crecimiento de los servicios de vídeo y los centros de datos, se calcula que el tráfico metropolitano aumentará dos veces más rápido que el tráfico troncal. Hasta hace poco, bastaba con una configuración de longitud de onda única. El crecimiento del tráfico se absorbía aumentando la velocidad de datos hasta la configuración SDH/SONET de 10 Gbit/s, una vez que resultaba asequible para las MAN. Ahora se está produciendo la transición hacia MANs WDM, utilizando equipos ya disponibles en el mercado que pueden multiplexar servicios más allá de 10 Gbit/s en cada longitud de onda.
3. Redes de Acceso
Las redes de acceso conectan a los clientes finales con una de las CO de la MAN, normalmente implementando enlaces de menos de 20 kms. Aparte de los servicios de voz y datos para residencias y empresas, las redes de acceso también incluyen sistemas de televisión por cable (CATV) y redes de acceso radio (RAN). Las velocidades binarias de las redes de acceso no son muy elevadas, pero plantean importantes retos técnicos debido a la distribución no uniforme de los usuarios.
3.1 Legado de Redes Ópticas de Acceso
En la actualidad, las redes de acceso más comunes empleadas para voz y datos se basan en el legado del Servicio Telefónico Antiguo (POTS). Utilizan un par de hilos de cobre trenzados y se diseñaron originalmente para transmitir voz. Sin embargo, una técnica llamada Línea de Abonado Digital Asimétrica (ADSL), basada en la transmisión de múltiples subcanales, maximiza el potencial de estos hilos alcanzando potencialmente 24 Mbit/s en el enlace descendente y 3,3 Mbit/s en el ascendente.
En cambio, los sistemas de CATV requerían cables coaxiales incluso en las implementaciones iniciales, ya que multiplexaban varios canales de vídeo analógico de 8 MHz en el mismo cable. El principal inconveniente de este método es que requiere amplificadores o regeneradores cada cientos de metros. Por eso se adoptaron los sistemas híbridos de fibra y cable coaxial (HFC). Transmiten la señal de banda ancha de la CO por fibra y un nodo cercano a los usuarios finales realiza la conversión opto eléctrica. Finalmente, la señal se distribuye a los clientes con cable coaxial en una configuración punto a multipunto.
Estas redes HFC han evolucionado para ofrecer también servicios de voz y datos. La norma que rige esta tecnología es la Especificación de Interfaz de Servicio de Datos por Cable (DOCSIS). Los desarrollos más recientes emplean OFDM para alcanzar 10 Gbit/s en el enlace descendente y 1 Gbit/s en el ascendente. Estas velocidades son compartidas y, normalmente, las más altas para el usuario final se limitan a < 1 Gbit/s en el enlace descendente.
3.2 Redes Ópticas Pasivas
3.2.1 Relevancia
El despliegue de redes de acceso puramente basadas en fibra óptica, normalmente definidas como soluciones Fibre To The Home (FTTH) en residencias, no está muy extendido. Sustituir los enlaces eléctricos instalados basados en cobre por enlaces ópticos punto a punto resultaría muy caro para los operadores de redes. En su lugar, la mayoría de los esfuerzos se centran en una solución rentable de punto a multipunto en forma de árbol definida como red óptica pasiva (PON).
3.2.2 Implementación
En la figura siguiente se muestra un diagrama ilustrativo de una PON, en una implementación TDM. El terminal de línea óptica (OLT) es la unidad o el equipo situado en una CO o en un nodo remoto que controla y gestiona la conexión con los usuarios finales, denominados unidades de red óptica (ONU). Sólo el OLT y las ONU requieren equipos activos, lo que reduce el coste.
Para el enlace descendente, los datos de todos los usuarios son generados e introducidos en una única fibra por la OLT. En algún punto cercano a los clientes, un divisor pasivo produce múltiples réplicas de la señal multiplexada y cada una se transmite a una ONU diferente. Cuando la ONU recibe la señal, descodifica la información que le ha sido asignada. Para el enlace ascendente, cada ONU transmite información y el dispositivo pasivo combina y multiplexa todas las señales entrantes en una sola que luego se recibe en la OLT.
3.2.3 Velocidad de Datos
Las PON gigabit de primera generación, a menudo llamadas G-PON, multiplexan los datos en el tiempo (TDM), alcanzando normalmente velocidades compartidas de 2,5 y 1,25 Gbit/s en sentido descendente y ascendente respectivamente, que se traducen en conexiones de 80/40 Mbit/s para los usuarios finales. La siguiente generación, denominada red óptica pasiva de 10 Gigabits (XG-PON), alcanza velocidades compartidas de 10/2,5 Gbit/s.
Recientemente, y tras la proliferación de PON de proveedores específicos basadas en acceso WDM, se ha definido un nuevo estándar que emplea TDM, WDM y componentes ópticos sofisticados. Se denomina Redes Ópticas Pasivas de Nueva Generación 2 (NG-PON2) y pueden proporcionar conexiones de hasta 10 Gbit/s a los abonados finales. Las topologías generales para la (de)/multiplexación de datos en aplicaciones típicas se explican detalladamente en la sección 4.2 de este enlace.
3.3 Radio sobre Fibra (RoF)
Las fibras ópticas también se emplean en las redes de acceso para enlazar las CO con antenas en aplicaciones de radio. En general, el término Radio sobre Fibra (RoF) se aplica a los casos en los que el enlace óptico facilita la centralización de varios servicios inalámbricos en un solo lugar (la CO). Teóricamente, el gran ancho de banda de la fibra óptica permite la transmisión simultánea de todas las bandas de radio imaginables, incluso aplicaciones de terahercios, en la misma fibra.
3.3.1 RoF Analógico
Idealmente, se transmitiría una señal de radio analógica por fibra desde la CO y la estación base sería un sistema sencillo formado por un receptor y una antena. Las aplicaciones comerciales basadas en estos conceptos de RoF analógico se han desplegado para las comunicaciones celulares. Actualmente, la mayor parte de los esfuerzos de investigación se centran en una configuración de este tipo que utilice la banda libre de 60 GHz para las futuras generaciones de móviles, 6G o Internet de las Cosas (IoT).
3.3.2 RoF Digital
Además, también se está implantando una técnica alternativa denominada RoF digital. Un ejemplo funcional es la Interfaz Común de Radio Pública (CPRI). Es compatible con la mayoría de los estándares actuales de redes móviles y emplea la terminología siguiente: Control de Equipo de Radio (REC) en la CO y Equipo de Radio (RE) en la antena.
Para el enlace descendente, el REC genera las muestras de la señal moduladora y transmite por fibra un flujo de bits que contiene los valores de esas muestras. El RE utiliza las muestras para realizar la conversión digital a analógica y, a continuación, modula la forma de onda reconstruida en la portadora de radiofrecuencia (RF) que finalmente se emite. Para el enlace ascendente, el RE demodula la señal de RF recibida. A continuación, muestrea la forma de onda obtenida y transmite por fibra un flujo de bits con los valores de las muestras. En el otro extremo, el REC recibe y procesa las muestras.
4. Centros de Datos
4.1 Red de Área Local (LAN)
Las redes que gestionan el tráfico de datos en las instalaciones de clientes y empresas se denominan redes de área local (LAN) y cumplen la norma «Ethernet» del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) 802.3. Las redes LAN están compuestas por varios usuarios (normalmente ordenadores) interconectados mediante concentradores, conmutadores, enlaces punto a punto y/o un medio compartido. La norma ha evolucionado constantemente durante más de 30 años y admite varios enlaces ópticos con distintas combinaciones de velocidades binarias, fibras y distancias. En general, la tecnología de estos sistemas ópticos tiene que ser barata y adecuada para los mercados a gran escala.
4.2 Sistemas de Computación de Alto Rendimiento
Los centros de datos y los sistemas de computación de alto rendimiento pueden considerarse redes LAN particulares optimizadas para un intercambio continuo de datos proporcionados simultáneamente por múltiples dispositivos (normalmente servidores). La generalización de las aplicaciones de Internet a las que acceden miles o millones de usuarios se ha traducido en la proliferación de centros de datos de alta capacidad y alto rendimiento.
4.2.1 Arquitectura
La estructura habitual de un centro de datos consiste en armarios de servidores conectados a conmutadores de datos situados en la parte superior del armario mediante enlaces de menos de unos metros. Los conmutadores situados en distintas capas dirigen el tráfico hacia redes metropolitanas o troncales.
Para las conexiones entre conmutadores suelen emplearse varias interfaces ópticas y normas definidas por distintas instituciones: Ethernet, Infiniband y FibreChannel.
4.2.2 Transceptores de Acuerdo Multifuente
En la industria de las comunicaciones ópticas, los acuerdos multi fuente definen las ranuras mecánicas más la mecánica de sus transceptores electroópticos enchufables asociados para permitir la interoperabilidad entre fabricantes. Para esta aplicación concreta, los transceptores suelen diseñarse para ser compatibles con las tres normas anteriores.
Debido al crecimiento constante del tráfico en los centros de datos, existe una definición continua de transceptores más pequeños para aumentar la densidad espacial de las interfaces de datos en los conmutadores. Debido a su densidad, el transceptor que se está imponiendo es el Quad Small Form-factor Pluggable (QSFP). Actualmente, este transceptor integra cuatro láseres para implementar cuatro canales ópticos paralelos a 25 Gbit/s, alcanzando una velocidad global de 100 Gbit/s y soportando 100 Gigabit Ethernet (100GbE), IEEE 802.3bm.
Bibliografía
[1] Fiber-Optic Communication Systems, Govind P. Agrawal
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