sábado, 26 de diciembre de 2009

Redes ópticas

 Denominaremos red óptica a aquella red de telecomunicaciones que hace que alguna de sus funcionalidades, además del puro transporte de la información, se haga por medios ópticos. Hasta el momento, las fibras ópticas se han empleado sólo porque tienen atenuaciones muy bajas, pero cualquier otra operación de red (control de red, inserción o extracción de canales, multiplexación TDM, ingeniería de tráfico, etc.) se realiza de forma electrónica.

El dramático incremento de capacidad que ha sufrido la red tanto de acceso como de transporte ha sido solucionado por las operadoras utilizando técnicas de multiplexación óptica por longitud de onda o WDM. Este ha sido el primer paso en el desarrollo de una red óptica: en cada longitud de onda (o ‘color’) que se propaga por la misma fibra óptica hay un canal de comunicaciones (que puede pertenecer a cualquier tecnología de transmisión) de forma que podemos aumentar el número de canales transmitidos por una fibra a través de la inserción de numerosas longitudes de onda: hasta 10 millones de llamadas telefónicas podrían ser enviadas por una única pareja de fibras ópticas.

Pero gracias a la implantación de líneas WDM, podemos utilizar un nuevo grado de libertad en la transmisión: la longitud de onda. Aprovechando unos dispositivos pasivos denominados OADM (Multiplexadores de inserción-extracción ópticos), podemos extraer e insertar de forma totalmente óptica una longitud de onda sin afectar para nada al resto. En el fondo, estamos realizando una función de encaminamiento de canales basada en un parámetro puramente óptico: la longitud de onda de la luz.


En la imagen: Esquema de una red basada en multiplexación de longitud de onda con OADMs intermedios.

A partir de aquí podemos empezar a dar una nueva dimensión a nuestra red para que sea una auténtica red óptica. El siguiente paso sería conseguir un conmutador (switch) óptico, esto es, un dispositivo que sea capaz de direccionar los diferentes canales ópticos a diferentes lugares de forma dinámica sin tener que pasar los flujos de datos al dominio eléctrico. Este es un tema apasionante, que tiene dos vertientes: el de la mejora de la capacidad y funcionalidad de las redes de transporte síncronas y el avance de las redes ópticas basadas en conmutación de paquetes.

En el caso de las redes de transporte síncronas, debemos imaginarnos ahora que con la instalación de los sistemas WDM (de hecho se denominan en entornos de transporte DWDM, donde la primera D hace referencia a Dense, esto es, con muy poco espaciamiento entre longitudes de onda) la red está manejando un montón de longitudes de onda diferentes que se están propagando por una serie de fibras ópticas. Estas longitudes de onda, finalmente, no representan otra cosa que enlaces punto a punto, es decir, entran en una fibra óptica por un puerto y se sabe con toda seguridad por dónde van a salir. Pero esto hace que la red sea muy estática, y hoy en día a las operadoras les interesa que la red sea dinámica para mejorar dos aspectos fundamentales: la eficiencia y flexibilidad de la red y el aprovisionamiento. Por un lado, una operadora tiene instaladas múltiples fibras ópticas y sistemas DWDM cuya instalación y mantenimiento es carísimo, por lo que si puede compartir recursos en la red de forma flexible, conseguirá amortizar sus inversiones más rápido. Por otro lado, el aprovisionamiento representa la capacidad que tiene una operadora de ofrecer (vender) ancho de banda cuando se lo demandan de forma rápida y sencilla (bandwidth on demand). Estos aspectos se resuelven hoy en día utilizando dos tecnologías diferentes: desde el punto de vista del equipamiento físico, se usan los ROADM (Reconfigurable OADM) y desde el punto de vista del control de la red, en lo que se ha venido en llamar el plano de control óptico, la tecnología GMPLS.



En la imagen: Esquema de un conmutador óptico de fibras ópticas basado en espejos MEMs dinámicos.

Los ROADMs son elementos de red en los que cualquier longitud de onda puede extraerse, insertarse o encaminarse de forma flexible, esto es, no hay que escoger previamente las longitudes de onda que se desea extraer de un canal DWDM, sino que se podrá extraer o insertar cualesquiera de las que están preparadas en el enlace. Para conseguir esto, el elemento clave es el conmutador de caminos ópticos, realizado en tecnología MEMS (Micro Electrical Mechanical System).






En las imágenes: Fotografía por microscopio eléctrónico de espejos MEMs realizados en tecnología de silicio (arriba, detalle de un espejo. Abajo, matriz de espejos). Cada uno de ellos se puede mover independientemente de los otros para conmutar caminos ópticos.

Un ejemplo podría ser el mostrado en la figura. La luz sale físicamente de la fibra óptica y entra en una matriz de pequeños espejos móviles realizados en tecnología MEMS de silicio. Dependiendo de cómo esté la configuración de los espejos podemos conmutar caminos ópticos, lo que aporta una gran flexibilidad a la red, y si previamente usamos un demultiplexador, podemos pasar de longitudes de onda a caminos físicos, por lo que tendremos la funcionalidad de un ROADM.


En la imagen: Esquema de un ROADM formado por la unión de demultiplexores ópticos y un conmutador óptico. Este dispositivo puede extraer o insertar cualquier longitud de onda que soporte la red.

Hoy en día existen conmutadores de caminos ópticos basados en MEMS de 144x144 canales, lo que permite conmutar longitudes de onda en prácticamente todo el espectro de luz utilizado en comunicaciones ópticas DWDM de última generación. Los conmutadores ópticos permiten, adicionalmente y como se ha comentado antes, realizar conmutación de caminos ópticos de forma remota, lo que en ocasiones puede resultar interesante para la operadora de telecomunicaciones, bien sea para conectar físicamente enlaces que le permitan organizar su tráfico (¡incluso la topología de su red!) de forma eficiente, bien para derivar los canales hacia otro camino físico si tenemos cualquier tipo de problema en el camino principal, por ejemplo la congestión de alguno de sus routers. Todo esto se realiza utilizando sistemas todo-ópticos, y por tanto se consigue minimizar el número de emisores y receptores y pasos óptico-eléctrico-óptico de la señal, lo que redunda en una minimización de costes de instalación y mantenimiento.

En cualquier caso, el control de una red en la que existan varios ROADMs unidos por pares de fibras y soportando un número elevado de longitudes de onda es un asunto muy complicado, ya que la conmutación de fibras o longitudes de onda en un ROADM puede afectar a la red a través de los diferentes ROADMs u otros elementos de red que haya conectados a partir de él. Para lograr esto se está diseñando lo que llamaremos el plano de control óptico, que está basado en una tecnología llamada GMPLS (Generalized Multi-Protocol Label Switching). GMPLS proporciona un plano de control para todos aquellos dispositivos que conmutan en paquetes, tiempo, longitudes de onda o fibras, es decir, controla de forma automática la forma en que éstos realizan sus funciones. No entraremos en detalle en este tema, pero GMPLS es capaz de simplificar la operación y gestión de la red automatizando el aprovisionamiento de tráfico y gestionando sus recursos.



En la imagen: Esquema de las diferentes tecnologías que 'soportan' las comunicaciones de voz y datos en una red de transporte.

La otra vertiente del tema de las redes ópticas, tenía que ver con la aparición de las redes de conmutación óptica de paquetes. Las redes hoy en día están basadas en buena medida en tecnologías IP. Dichas redes deben transportar voz, datos y video (la convergencia de estas tres en tecnología IP es lo que se ha venido en llamar triple play) y deben hacerlo de forma eficiente. Los paquetes IP tienen que descansar siempre sobre otra tecnología, bien sea Ethernet, los sistemas ADSL o cable-módem. Posteriormente, las operadoras necesitan realizar ingeniería de tráfico, para lo que emplean tecnologías como ATM. Finalmente, para transportar los datos, la tecnología ATM se ‘monta’ sobre SDH (Jerarquía Digital Síncrona) y ésta a su vez sobre DWDM (ver figura). Vemos que la estructura de la red es muy compleja, precisando equipos diferentes para cada nivel de red, además de que tanto ATM como SDH son tecnologías carísimas si las comparamos, por ejemplo, con Ethernet.

Para ayudar en la simplificación de la gestión de la red y también para disminuir costes ha aparecido una nueva forma de organizar el tráfico, que tiene interés sobre todo en canales Ethernet, llamada MPLS (Multi-Protocol Label Switching). MPLS es una tecnología que introduce etiquetas (labels) en los paquetes de datos IP que están en la red, de forma que es posible encaminarlos de acuerdo a esas etiquetas sin tener que obtener de forma física la dirección IP. Este encaminamiento se hace a través de routers que integran esta tecnología, de forma que éstos abren caminos conmutados por etiquetas (LSP’s) que permiten organizar el tráfico de forma eficiente y, sobre todo, con servicios de valor añadido. Esto origina que la conmutación se pueda hacer de forma más rápida, que se puedan poner etiquetas en los paquetes independientemente del protocolo del tráfico (Ethernet, ATM, Frame Relay) y que podamos asignar diferentes etiquetas de acuerdo al servicio que transportan, lo que nos permite realizar ingeniería de tráfico.

Por tanto, utilizando las tecnologías MPLS podemos olvidarnos de que la red descanse sobre sistemas ATM, sobre todo si pensamos en la diferencia de precio que tenemos con sistemas basados en Ethernet que nos aportan mucho ancho de banda y una penetración de mercado brutal. El siguiente paso para simplificar la red sería conseguir eliminar la tecnología de transporte síncrona, esto es, eliminar también SDH y poder enviar y recibir paquetes ópticos conmutados en conmutadores ópticos (PXC, Photonic Cross Connects) y gestionados mediante GMPLS (recordemos que GMPLS permite controlar, además de la conmutación TDM, longitudes de onda y caminos, la conmutación de paquetes). Esto hoy en día no es posible hacerlo pues los conmutadores ópticos no son muy rápidos: los conmutadores basados en MEMS tienen tiempos de conmutación en el rango de los ms, mientras que los mejores de estado sólido conmutan en unos 0.2 µs. Por eso se están desarrollando técnicas de conmutación de ráfagas ópticas (OBS) en las cuales los paquetes son unidos en ráfagas de un tamaño elevado, y posteriormente enviadas para poder ser conmutadas.

El aumento de tamaño de paquete a ráfaga hace que las tolerancias frente al tiempo de conmutación de los conmutadores no sean tan restrictivas. Pero la investigación en conmutación todo-óptica de paquetes está muy activa, y es en este campo en el que está investigando nuestro grupo, sobre todo en lo que respecta al etiquetado (labelling) y cambio de etiqueta (swapping) de paquetes de información con tecnología puramente óptica. Se están planteando nuevas técnicas de etiquetado óptico, sobre todo mezclando diferentes tipos de modulación, de forma que, por ejemplo, el paquete vaya modulado en intensidad mientras que la etiqueta vaya modulada en frecuencia, o fase (en la figura se observan una medida de los ‘bits’ modulados a la vez en intensidad y frecuencia, representado por el pequeño residuo en la parte superior). También utilizando señales fuera del ancho de banda del paquete para poder filtrarlas eléctrica u ópticamente y obtener información acerca de la dirección del mismo sin tener que pasar el paquete al dominio eléctrico.



En la imagen: Diagrama de ojo de una señal digital, que sirve para valorar la calidad de dicha señal ya que muestra las transiciones entre bits '1' y '0'. En el mostrado hay superpuestas dos modulaciones diferentes, en intensidad y en frecuencia.

Miembros del Grupo de Tecnologías Fotónicas

El grupo de Tecnologías Fotónicas (GTF) del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A), reconocido como grupo consolidado de investigación aplicada, cuenta con 12 investigadores estables y un número elevado de personal contratado y becario. Las personas que dentro del GTF trabajan en redes ópticas están ubicadas tanto en el Centro Politécnico Superior (CPS) como en el Parque Tecnológico Walqa, y son: Juan Ignacio Garcés Gregorio, Ángeles Losada Binué, Alicia López Lucia, Juan José Martínez Muro y Asier Villafranca Velasco.


Fuente: http://www.aragoninvestiga.org/investigacion/temas_todo.asp?id_tema=159&intPagActual=7&categoria=Todas&id_categoria=0

1 comentario:

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