Instrucciones para la preparación de Ponencias para Informática 2009

ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE REDES QUE UTILIZAN WDM A
TRAVÉS DEL SOFTWARE DE SIMULACIÓN OPTISYSTEM
ANALYSIS OF PERFORMANCE OF NETWORKS WITH WDM USING
SIMULATION SOFTWARE OPTISYSTEM
1
2
Dayana Hernández Rodríguez , Heidy Veitía Pérez , Marysleivy Martín Roque
3
1 Empresa Eléctrica Provincial de Sancti Spíritus, Cuba, [email protected] , Angel Montejo No.2 entre Mambí y
Tejar, Reparto Pina, municipio Sancti Spíritus, provincia Sancti Spíritus Código Postal: 60100
2 Centro de comunicaciones Villa Clara, Cuba, [email protected]
3 Universidad de Sancti Spíritus José Martí Pérez, [email protected]
RESUMEN: La presente ponencia como parte de un proyecto de investigación de redes de fibra óptica
desarrollado por la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central de Las Villas tiene el objetivo de
evaluar los parámetros que pueden influir en el diseño o desarrollo de una red óptica con WDM a través del uso
de la simulación. En la ponencia se hace una caracterización general de la tecnología de Multiplexación por
División en Longitudes de Onda (WDM), se presentan los componentes principales de una red óptica que utiliza
WDM y los parámetros fundamentales que definen su capacidad y eficiencia. Se expone la importancia de la
simulación como paso previo a la implementación real y se proponen las posibilidades del software OptiSystem
en la simulación de enlaces de este tipo. A manera de ejemplo se presentan varios escenarios de simulación
montados en el software y las características de cada uno de ellos. Luego se realiza un análisis de alguno de los
criterios a tener en cuenta en el diseño real de una red WDM a través de los resultados dados por la simulación.
Como conclusiones de la investigación se destacan las posibilidades de estos sistemas en el aumento de las
capacidades de transmisión y se destacan las potencialidades del software OptiSystem como una eficiente herramienta de simulación de enlaces ópticos.
Palabras Clave: WDM, fibra óptica, OptiSystem, simulación de enlaces ópticos
ABSTRACT: This paper as part of a research project of fiber optic networks developed by the Faculty of Electrical Engineering of the Central University of Las Villas aims to evaluate the parameters that can influence the
design and development of an optical network with WDM through the use of simulation. The paper does a general characterization of wavelength division multiplexing (WDM), showing the principal components of an optic
network that utilize WDM and the fundamental parameters that define his capability and efficiency. The importance of the simulation like previous step for real implementation and the possibilities of the software OptiSystem in the simulation of link this type. The paper present several scenes of simulation mounted in the software
and the characteristics of every one of them by way of example. Next the simulation accomplishes an analysis of
any one of the criteria itself to take into account in a net's real design WDM through the given results. As research findings highlighted the possibilities of these systems in increasing transmission capacity and highlights
the potential of OptiSystem software as an efficient tool for simulation of optical links.
KeyWords: WDM, optical fiber, OptiSystem, simulation of optical links.
“VII Simposio Internacional de Telecomunicaciones”
Hernández, D.; Veitía, H. | “Análisis del desempeño de redes que utilizan WDM a través del software de simulación Optisystem”
1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de las telecomunicaciones, la electrónica y la informática brindan la posibilidad de transmitir una gran cantidad de información con fiabilidad
y seguridad a través de largas distancias, no obstante, a nivel mundial es creciente la demanda de
mayores anchos de banda que permitan cursar de
forma más rápida las diversas aplicaciones, ya sea
de voz, imágenes, video y fundamentalmente para
satisfacer el crecimiento vertiginoso del uso de Internet. El surgimiento de las comunicaciones ópticas propicio un notable crecimiento en la capacidad
de transmisión tanto en las redes locales, metropolitanas y las de rango extendido [1]-[3]. Más recientemente han evolucionado técnicas de transmisión
por fibras ópticas que han permitido incrementar
sustancialmente las capacidades tanto de enlaces
ya existentes como de enlaces nuevos de comunicaciones ópticas. La tecnología de Multiplexación
por División en Longitudes de Onda (WDM: Wavelength Division Multiplexing) permite la transmisión
simultánea de señales utilizando diferentes longitudes de onda (canales ópticos) por una misma fibra
óptica, logrando así aumentar en gran medida la
capacidad del medio de transmisión.
WDM se ha consolidado por las ventajas que ofrece
al potenciar el ancho de banda. Son cada vez más
las redes de cables ópticos que la utilizan para ofrecer multiservicios [4]-[7].
Una vía económica y factible de probar el comportamiento de diferentes experimentos, técnicas y
tecnologías es el empleo de simuladores.
La simulación de escenarios que emplean tecnología WDM permite tener una perspectiva del diseño antes de la implementación real. Durante la simulación se puede evaluar la influencia de parámetros como la potencia de los láseres, la longitud de
la fibra óptica y la capacidad por canal, permitiendo
evitar errores en el diseño y en la compra de equipamiento que no satisfaga las necesidades de la
red óptica deseada. La presente ponencia tiene el
objetivo de evaluar los parámetros que pueden influir en el diseño o desarrollo de una red óptica con
WDM a través del uso de la simulación.
2. CONTENIDO
WDM multiplexa o combina varias señales ópticas
sobre una sola fibra óptica mediante portadoras
ópticas de diferentes longitudes de onda (1300 nm
a 1600 nm), usando luz procedente de un láser o un
diodo emisor de luz LED. En este tipo de sistema,
cada señal de entrada es independiente de las
otras. De esta manera, cada canal óptico tiene su
propio ancho de banda dedicado, llegando todas las
señales al receptor al mismo tiempo. Como otras
técnicas de multiplexado la WDM necesita un espaciamiento entre los canales para evitar interferencias entre estos [8]-[9].
Los componentes de una red WDM son:
 Emisores de Luz (Láseres): convierten la
señal eléctrica en pulsos de luz.
 Multiplexores/ Demultiplexores ópticos: multiplexan las longitudes de onda ópticas provenientes de las diferentes fuentes de luz y
las convierten en un rayo de luz que luego
es inyectado en la fibra óptica mientras que
los demultiplexores separan este rayo de
luz en diferentes longitudes de ondas
 En el enlace, fibra óptica monomodo: guía
la luz con la atenuación mínima en la distancia del enlace.
 Amplificadores ópticos: realizan el proceso
de restaurar la señal óptica a su poder óptico original y sin distorsión.
 Fotodetectores (PIN y APD): recuperan las
señales transmitidas a diferentes longitudes
de onda, después de que la señal ha sido
atenuada al pasar a través de un hilo de fibra, en el lado receptor.
 Multiplexores
ópticos
de
adición/sustracción: se ubican en puntos intermedios del enlace. Permiten topologías
de redes punto a multipunto, anillos y mallas. Estos dispositivos son capaces de extraer la información contenida en cualquiera
de las longitudes de onda multiplexadas en
un solo rayo de luz en la fibra en cualquier
punto intermedio de la misma. Además de
la extracción, también permiten introducir
canales en cualquier punto de la fibra.
 Crosconectores ópticos: conmutan longitudes de onda a gran velocidad de una fibra a
otra en base a las necesidades de tráfico.
Restauran el tráfico y el enlace en caso de
cortes en la fibra o fallos en el nodo [10][12].
Como métodos de investigación teóricos se emplean el análisis y la síntesis para realizar un resumen de los principales componentes y parámetros
de un enlace de fibra óptica con WDM.
Como método de investigación empírico se utiliza la
observación a través del diseño de varios escenarios de redes ópticas con WDM, el montaje de estos en el software y la variación de los principales
parámetros de las redes ópticas con WDM logrando
obtener una percepción real de los diseños.
Para realizar las pruebas en las redes ópticas con
WDM se emplea el software OptiSystem (Optical
Communication System Design Software) una de
las herramientas de simulación que presenta el
paquete de software de Optiwave.
“VII Simposio Internacional de Telecomunicaciones”
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2.1 Potencialidades de OptiSystem
OptiSystem es un software con propósitos educacionales basado en el análisis de resultados y presentación de ejemplos y ejercicios. Con el mismo se
puede diseñar, probar y optimizar cualquier tipo de
enlace óptico a nivel físico y analizar las redes ópticas de banda ancha de los sistemas de larga distancia LAN y MAN. Posee un nuevo ambiente de
simulación poderoso y una definición jerárquica de
componentes y sistemas; con una visión global de
la actuación de un sistema real reduciendo los riesgos de inversión en una tecnología de este tipo [13][15].
OptiSystem permite el diseño de escenarios teniendo en cuenta cada uno de los elementos que componen un sistema WDM como se muestra en las
figuras 1, 2, 3:
Figura 3 Demultiplexor y Receptor Óptico.
Con OptiSystem es posible obtener el espectro
óptico de la señal luego de la etapa de multiplexación (Figura 4). La Razón de Error de Bit (bit error
rate, BER) constituye una figura de mérito de las
redes WDM con el uso del componente BER
Analyzer del software se obtiene el BER de cada
uno de los canales transmitidos a través de varios
kilómetros de fibra (Figura 5). La variación de parámetros importantes como la longitud de la fibra
óptica puede ser realizada permitiendo evaluar las
implicaciones de estos cambios en los escenarios
(Figura 6).
Figura 1 Transmisor Óptico de un canal WDM.
Figura 4 Ejemplo de espectro óptico de señales multiplexadas en un sistema WDM
Figura 2 Multiplexor Óptico
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luego las señales son multiplexadas, cada una en
su portadora óptica e inyectadas a la fibra óptica
monomodo como un solo haz de luz por un
multiplexor WDM con pérdidas de inserción en este
caso de 0dB. El analizador WDM permite obtener la
potencia óptica, el ruido y la relación señal a ruido
de cada canal del sistema y el espectro óptico de
las señales multiplexadas.
Figura 5 Analizador de la Razón de Error de Bit
(BER)
Figura 6 Entrada de los diferentes valores de
longitud de la fibra óptica
2.2 Escenarios de simulación empleados
Los escenarios de simulación implementados en el
software fueron de 4, 8, 32 y 40 canales respectivamente, estos representan redes WDM con topologías punto a punto utilizadas en el mercado metropolitano para unir sucursales de grandes compañías, siendo una de las topologías de mayor uso
debido a las altas velocidades por canal (2.5 Gbps y
10 Gbps), a la alta integridad y confiabilidad de la
señal y a la rápida restauración de trayectoria.
La fibra óptica monomodo es la indicada para este
tipo de transmisión ya que permite obtener mayores
distancias en los enlaces debido a su baja
atenuación. El componente de fibra óptica dado por
OptiSystem da la posibilidad de variar la atenuación,
la dispersión, la polarización del modo de dispersión
(PMD) y la influencia de las no linealidades; dando
una visión real de las consecuencias que tienen
estos factores en enlaces WDM.
Luego de que las señales se propagan por la fibra,
llegan al extremo receptor donde son demultiplexadas antes de que cada una de ellas se detecte por
un fotodetector, en este caso del tipo Positivo Intrínseco Negativo (PIN).
Se configura luego de la salida del fotodetector, un
filtro paso bajo de Bessel utilizado para filtrar la
señal detectada evitando errores en la decodificación. Además un Analizador de Espectro es colocado en la salida del filtro de cada canal dando las
figuras de mérito del receptor el BER y el factor Q.
El analizador BER toma tres referencias para realizar su análisis: la salida del generador de secuencia
de bit, la salida del generador de código NRZ del
transmisor óptico y la salida del filtro que le sigue al
detector del canal.
2.2.1
Escenario 1
El primer escenario de simulación cumple con las
condiciones descritas. Cada uno de los cuatro canales tiene un transmisor y un receptor sintonizado a
la frecuencia o longitud de onda determinada (Figura 7, Figura 8).
La redes ópticas con WDM simuladas, cuentan con
canales espaciados a 100 GHz siguiendo la
recomendación G.694.1 de la UIT, con frecuencia
inicial fijada en 193.1THz y la razón de bit por canal
2.5 Gb/s ó 10 Gb/s según el escenario. La fibra
óptica con una longitud de 100 km, una atenuación
de 0.2 dB/km y una dispersión 16.75 ps/nm/km.
Cada una de estas señales ópticas tiene un
transmisor, con una potencia óptica de 0 dBm,
Figura 7 Transmisión, multiplexado y línea de transmisión con 4 canales
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Figura 8 Demultiplexado y recepción con 4 canales
2.2.2
Escenario 2
Cuenta con 8 canales comenzando en la frecuencia
de referencia 193.1 THz. La capacidad total del
enlace de 20 Gbps (Figura 9 y Figura 10).
Figura 10 Demultiplexado y recepción con 8 canales
2.2.3
Escenario 3
Este escenario cuenta con 32 canales, con una
capacidad total de 80 Gbps. En la primera parte del
diseño se utilizan un arreglo de transmisores WDM
que permiten variar el número de puertos, el espaciado entre canales, la potencia, la codificación y la
razón de bit por canal. También se emplea un multiplexor WDM de igual espaciamiento entre canales
(Figura 11). En la segunda parte del diseño se utiliza un demultiplexor WDM de espaciamiento, pérdidas de inserción y ancho de banda igual a los escenarios anteriores, además son utilizados receptores
ópticos para los canales 1, 4 y 17. El módulo Receptor Óptico (Optical Receiver) permite elegir el
tipo de fotodetector (PIN o APD: fotodiodo de avalancha); en este escenario es seleccionado el PIN,
además el módulo tiene tres salidas que permiten la
conexión con el Analizador de Razón de Error de
Bits (Figura 12).
Figura 9 Transmisión, multiplexado y línea de
transmisión con 8 canales
Figura 11 Transmisión, multiplexado y línea de
transmisión con 32 canales
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Figura 12 Demultiplexado y recepción con 32 canales
2.2.4
Figura 13 Transmisión, multiplexado y línea de
transmisión con 40 canales
Escenario 4
Se tiene un diseño de 40 canales, espaciados a 100
GHz y cada uno a una razón de bit de 10 Gbps
dando una capacidad total de 400 Gbps. Para lograr
la alta capacidad en este diseño se añaden técnicas
que compensan las afectaciones que sufre la señal
debido a la atenuación y a la dispersión que introduce la fibra óptica. Entre las técnicas de compensación se encuentran el uso de amplificadores para
que la señal se mantenga con el nivel de potencia
deseado y el uso de la fibra compensadora de dispersión que evita la interferencia intersímbolo provocada por el esparcimiento o dispersión del pulso
(Figura 13).
La fibra óptica tiene una dispersión 17 ps/nm/km.
Los amplificadores utilizados son de erbio dopado
de una ganancia de 20 dB y 6 dB respectivamente,
el primero para compensar la atenuación de la fibra
100 km × 0.2 dB/km = 20 dB y el segundo para
compensar la atenuación introducida por la fibra
compensadora de dispersión de 0.3 dB/km, 20 km ×
0.3 dB/km = 6 dB.
La compensación de dispersión que se utiliza es
una post-compensación donde es compensada la
dispersión luego que la señal es propagada por la
fibra. La configuración de la utilización de amplificadores antes y después de la fibra de compensación
es para contrarrestar la alta atenuación de este tipo
de fibra. La fibra compensadora de dispersión tiene
una longitud de 20 km con una dispersión de -85
ps/nm/km con 20 km × -85 ps/nm/km = 1700 ps/nm
para compensar la dispersión de la fibra de 100 km
× 17 ps/nm/km = 1700 ps/nm (Figura 12). Los analizadores BER son conectados en el canal número 1;
8 y 31(Figura 14).
Figura 14 Demultiplexado y recepción con 40 canales
3
Resultados de las simulaciones
3.1.1
Figuras de mérito para una red WDM
Las figuras de calidad o de mérito en redes WDM
dan una medida del funcionamiento de estas y permiten validar los resultados obtenidos a través de
las simulaciones. Las figuras de calidad utilizadas
para evaluar los diferentes escenarios son la Razón
de Error de bit (Bit Error Ratio; BER) y el factor Q,
valores que da el software OptiSystem a través del
componente BER Analyzer.
Típicamente los sistemas ópticos tienen un BER
-9
-12
9
entre 10 a 10 , en el peor caso cada 10 bit se
permite un bit erróneo.
El factor Q nos da la mínima relación señal a ruido
(SNR) requerida para obtener un BER específico
para una señal eléctrica dada. Mientras más alto es
el valor de Q, mejor es la razón de error de bit. Los
valores típicos de Q son de 6 a 8 dB.
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Para valorar la influencia de diferentes parámetros
en los diseños se realiza una variación de estos y a
través de las figuras de méritos se llega a la conclusión de cuál es el diseño más óptimo.
3.2.1
Influencia de la potencia del láser en
los parámetros del enlace
Con la ayuda de OptiSystem se realiza un barrido
de la potencia óptica de los láseres de onda continua de 0 dBm a 5 dBm para los escenarios 1, 2 y 3.
Luego de analizar los diagramas de ojos mostrados
en las figuras 15 y 16 se llega a la conclusión de
que a medida que se eleva la potencia del láser
aumenta el factor Q y la razón de errores de bits
(BER) es mejor, por lo que el comportamiento de la
red mejora. También se concluye que con una
mayor potencia se alcanzan mayores distancias de
fibra porque los valores obtenidos son para una
distancia de 100 Km por lo que podemos aumentar
-12
esta distancia hasta lograr un BER = 10
y una Q
= 6; valores que definen un enlace con buen
desempeño.
3.2.2
Variación de la capacidad del canal
En los escenarios propuestos se realiza un cambio
de la razón de bit por canal de 2.5 Gbps a 10 Gbps
con el objetivo de aumentar la capacidad del enlace.
Al aumentar la razón de bit, los diseños se
encuentran limitados en distancia debido a la
dispersión introducida por la fibra, este efecto puede
ser comprobado a través de la fórmula 1.
Donde:
c: velocidad de la luz.
D: dispersión cromática.
B: razón de bit.
λ: longitud de onda de referencia.
Con la razón de bit de 10 Gbps por canal se realiza
una variación de la distancia del enlace de fibra (20
km, 50 km, 70 km y 100 km). Al aumentar la razón
de bit los diseños se encuentran limitados en
distancia debido a la dispersión introducida por la
fibra como se muestra en la Tabla I:
Tabla I Variación de los parámetros de diseño a 10
Gbps
Longitud de la
fibra óptica ( km)
Figura 15 Factor Q para diferentes potencias
Factor Q
Razón de
Errores de Bit BER
20
29,4159
1,48632 ×10-190
50
12,7556
1,42031×10-37
70
6,51842
3,48375×10-11
100
0
1
En el diagrama de ojo (Figura 17) se observa que al
aumentar la razón de bit, la dispersión – tanto la
cromática como en modo polarizado- afectan en
mayor medida a la señal, limitando la distancia que
esta puede recorrer; se puede observar como el
pulso se va esparciendo a medida que la distancia
es mayor hasta llegar a la distancia de 100 km,
siendo imposible reconocer o decodificar la
información original.
Figura 16 Factor BER para diferentes potencias
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Figura 17 Diagramas de ojo de un canal para las
diferentes distancias a 10 Gbps
3.2.3
Técnicas de compensación
En las redes reales para lograr altas razones de bit
en largas distancias se utilizan mecanismos que
contrarresten efectos como la atenuación y la
dispersión introducida por la fibra óptica. Entre los
mecanismos que permiten aumentar la longitud del
enlace se encuentran los amplificadores y las fibras
compensadoras de dispersión. Como se ilustra
(Figura 18) OptiSystems permite representar estos
mecanismos. Con la aplicación de amplificadores y
las fibras compensadoras de dispersión se logran
grandes distancias, en este caso de hasta 450 km,
con una buena BER y factor Q para un diseño
óptimo de la red (Figura 19).
Figura 19 Diagrama de ojo de un canal luego de
utilizar técnicas de compensación
3. CONCLUSIONES
La simulación es una vía rápida y eficiente para el
diseño de redes WDM ya que permite analizar el
funcionamiento de cada uno de los componentes
del enlace y la repercusión de la variación de parámetros importantes como la distancia y la potencia
de la señal sin necesidad de la implementación real.
El software OptiSystem es una poderosa herramienta de aprendizaje que permite montar redes WDM
de forma fácil y obtener gráficos que le permiten al
ingeniero entender el funcionamiento y evaluar el
comportamiento de este tipo de tecnología de
transmisión óptica. Además OptiSystem permite la
simulación de componentes con parámetros reales,
la realización de un barrido de parámetros de importancia y nos ofrece los valores de las figuras de
mérito de las redes ópticas (factor Q y el BER) que
permiten evaluar los escenarios montados.
4. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
.
Figura 18 Lazo de control para una distancia total
de 450 km
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5. SÍNTESIS CURRICULARES DE LOS AUTORES
Dayana Hernández Rodríguez nació en Sancti Spíritus a los 22
días del mes de septiembre de 1988. Graduada en el 2011 de
Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica en la
Universidad Central de Las Villas Marta Abreu (UCLV), Santa
Clara, Cuba. Profesora Instructora del Departamento de
Ingeniería Informática de la Universidad de Sancti Spíritus José
Martí Pérez (UNISS). Trabaja actualmente en la culminación de
sus tesis de Maestría en Telemática en su 5ta Edición en la
Facultad de Ingeniería Eléctrica, UCLV. Desarrolla líneas de
investigación relacionadas con las redes ópticas, las redes
inalámbricas y la radio cognitiva. Ha participado en eventos
como Fórum de Ciencia y Técnica de la Facultad de Ingeniería
Eléctrica, UCLV en el 2011 y Festival Provincial del Software
Facultad de Ciencias Técnicas, UNISS 2012, 2013, 2014.
Evento Provincial Universidad 2016. Dirección Postal: Ángel
Montejo No.2 entre Mambí y Tejar, Reparto Pina, municipio
Sancti Spíritus, provincia Sancti Spíritus Código Postal: 60100.
Correo: [email protected]
“VII Simposio Internacional de Telecomunicaciones”