Diseño y análisis de una red de comunicaciones con conmutación

Diseño y análisis de una red de comunicaciones
con conmutación óptica de paquetes
A. López
Resumen
El crecimiento de los requerimientos de ancho de banda experimentado por las redes de comunicaciones en los últimos años ha impulsado el
desarrollo de la tecnologı́a WDM que se destaca como la candidata perfecta para el desarrollo de las redes presentes y futuras. Las nuevas redes
ópticas permiten la transmisión de la información de forma transparente y por tanto presentan compatibilidad con cualquier formato y tasa de
transmisión de los paquetes. Por otra parte, eliminan el cuello de botella
asociado al procesado electrónico en los nodos intermedios cuando la tasa
de transmisión aumenta, como se preve que ocurra en las redes futuras.
En este trabajo nos centramos en el área metropolitana caracterizada por una alta sensibilidad al coste. La red propuesta está basada en
OPS y combina sencillez y bajo coste con moderada escalabilidad, alto
rendimiento y reducida latencia.
La red propuesta ha sido analizada considerando aspectos telemáticos
y fı́sicos, obteniendo su escalabilidad y prestaciones a partir de las restricciones propias de cada enfoque. Por otra parte, el estudio experimental
de algunos de los subsistemas requeridos por el diseño de red presentado han demostrado la posibilidad de su implementación con componentes
comercialmente disponibles. En este sentido se ha realizado un estudio de
técnicas de señalización de los paquetes y de la problemática de amplificación en redes ópticas dinámicas.
Índice
1. Introducción
2
2. Diseño de una red OPS
2.1. Arquitectura de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Control de acceso al medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
6
7
3. Estudio de la escalabilidad de la red
3.1. Análisis en términos de tráfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Limitaciones fı́sicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
7
13
4. Estudio experimental de subsistemas
14
4.1. Codificación de la información de control o etiquetado . . . . . . 14
4.2. Amplificación en redes dinámicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5. Conclusiones
21
1
1.
Introducción
El increı́ble aumento de la capacidad de transmisión requerido por los usuarios en los últimos años ha hecho más patente la brecha existente entre el ancho
de banda disponible en la fibra óptica y el ancho de banda que los componentes
electrónicos son capaces de gestionar. La tendencia lógica para evitar este hueco
es acercar al dominio óptico la implementación de las funciones de red básicas
y ası́ conseguir que la información sea transportada por la fibra de forma transparente: sin necesidad de conversiones entre los dominios eléctrico y óptico e
independientemente del formato o la tasa de transmisión.
Sin duda, en la actualidad, la única tecnologı́a de transporte capaz de satisfacer la creciente demanda es WDM. Por otra parte, la evolución del mercado de
las telecomunicaciones ha estado marcada en los últimos años por una indiscutible predominancia de aplicaciones basadas en tráfico IP debida principalmente
al impactante incremento del número de usuarios de Internet. Ası́, la solución
basada en la transmisión de paquetes IP directamente sobre una capa WDM,
IP over WDM (IPoWDM), se ha alzado como la combinación más prometedora
para el desarrollo de las futuras redes de comunicaciones [1, 2, 3].
Hoy en dı́a, la mayor parte de transmisión mediante WDM se realiza a través del estándar SONET/SDH. Sin embargo, la transmisión del ubicuo tráfico
IP mediante redes de conmutación de circuitos con acceso TDM del tipo SONET/SDH presenta serias limitaciones entre las que destacan rigidez y baja
granularidad en la asignación de recursos y alto overhead. Las anteriores limitaciones suponen una reducción de eficiencia y ancho de banda que se puede evitar
de forma natural eliminando una o varias de las capas intermedias en la pila de
protocolos [2, 4]. De forma adicional, esta simplificación de la pila de protocolos
reduce las dificultades y costes derivados de la interoperabilidad entre capas. De
esta forma surge el concepto de capa óptica como una capa dotada de inteligencia y capaz de englobar funciones de capa de enlace además de las propias de
capa fı́sica. La Figura 1 muestra una evolución plausible de la pila de protocolos
respecto a la implementación de soluciones de transporte de paquetes IP.
Redes
SONET/SDH
tradicionales
IP
ATM
Redes actuales:
introducción de
tecnología WDM en
capa física
IP
IP
SONET/SDH
ATM
IP
SONET/SDH
IP
Capa óptica WDM
Capa física óptica
Redes futuras:
interacción
directa IP/WDM
IP
Figura 1. Evolución de las redes de comunicaciones ópticas según una visión multicapa [2].
Tanto las redes tradicionales como la mayorı́a de redes actuales han usado la
fibra óptica (Capa fı́sica óptica en la Figura) como un mero medio de transmisión
que permite el transporte de grandes volúmenes de información a alta velocidad.
Este tipo de redes constituyen la primera generación de redes ópticas que se
2
caracterizan por la provisión estática de recursos y la interacción IP/tecnologı́a
óptica a través de múltiples capas intermedias. Entre las redes ópticas de primera
generación se incluyen alternativas que varı́an desde las redes convencionales con
conexiones punto a punto mediante fibra óptica hasta otras con transporte más
eficiente de tráfico de datos: PoS (Packet over SONET/SDH).
En las redes ópticas de segunda generación la capa de adaptación WDM
está dotada de cierta inteligencia mediante la cual es capaz de asignar recursos
bajo demanda. Este tipo de redes se caracterizan, por tanto, por la provisión
dinámica de recursos y la desaparición de muchas de las capas intermedias. Es
el caso de las redes basadas en encaminamiento por longitud de onda o WRON
(Wavelength-Routed Optical Network ) y las redes de conmutación óptica de ráfagas o redes OBS (Optical Burst Switching). En ambos enfoques todavı́a es
necesaria una capa de adaptación que gestione la provisión de circuitos ópticos
o lightpaths en el primer caso y la reserva de recursos para la posterior transmisión de datagramas en el segundo. En el futuro se preve la aparición de las
denominadas redes ópticas de tercera generación, en las que los paquetes IP
sean transportados directamente sobre la tecnologı́a WDM.
Nuevas generaciones de redes ópticas
La segunda y tercera generación de redes ópticas sugieren un acercamiento
al dominio óptico de una función básica de red como es el encaminamiento o
routing de la información entre origen y destino. Este cambio de orientación ha
sido impulsado por una parte por el incremento de la tasa de transmisión de los
flujos individuales de información, que ha aumentado la complejidad y coste de
los circuitos electrónicos. Por otra parte, la introducción de WDM ha multiplicado el número de componentes en los nodos, que requieren tantos receptores,
moduladores y fuentes ópticas como canales existan en la red. Ambos efectos
resultan en un aumento enorme del coste de la redes unido a la necesidad de
mayor espacio y al incremento del consumo de energı́a. La implementación de la
función de routing en el dominio óptico permite superar las limitaciones de velocidad encontradas al evitar el procesado electrónico de la información de capa
superior o payload contenida en cada paquete. Además supone una reducción
del espacio y del consumo de energı́a mediante la integración monolı́tica de los
componentes conmutadores con otros componentes ópticos [5].
De forma análoga a la clasificación de las redes tradicionales de conmutación
en el dominio eléctrico según su nivel de granularidad, existen tres paradigmas
de conmutación en el dominio óptico:
OCS (Optical Circuit Switching) también conocido como wavelength routing, basado en la conmutación a nivel de longitud de onda.
OBS (Optical Burst Switching), basado en la conmutación a nivel de ráfaga
o burst. Donde una ráfaga consiste en la agregación de varios paquetes con
las mismas necesidades de transmisión.
OPS (Optical Packet Switching), basado en la conmutación a nivel de
paquete.
La Tabla 1 compara las caracterı́sticas básicas de los tres paradigmas o
esquemas de conmutación óptica.
3
Esquema
OCS
OBS
OPS
Granularidad
Utilización
Latencia
Implementación
Baja (coarse)
Moderada
Alta (fine)
Baja
Moderada
Alta
Baja
Moderada
Baja
Sencilla
Moderada
Compleja
Tabla 1. Comparación de los tres esquemas de conmutación óptica para redes de próxima
generación: OCS, OBS y OPS.
El entorno metropolitano
Gran cantidad de trabajos de investigación se han dedicado en los últimos
años al diseño y desarrollo de técnicas y subsistemas que hagan viable la introducción de los nuevos paradigmas de conmutación en redes ópticas [5, 6].
Sin embargo, aún existe escepticismo entre muchos de los operadores que, de
forma generalizada, consideran aspectos distintos a los del entorno académico.
Estudios tecno-económicos recientes [7, 8] han demostrado que si bien hoy en
dı́a la tecnologı́a asociada todavı́a está en fase de desarrollo o maduración, es
previsible que a medio y largo plazo se producirá una migración hacia redes
basadas en conmutación de datagramas en el dominio óptico, es decir: OBS y
OPS.
Por otra parte, los distintos segmentos de la red presentan restricciones y
requerimientos distintos. En concreto, el entorno metropolitano se identifica
como un segmento de potencial penetración de las nuevas tecnologı́as ópticas
dadas sus caracterı́sticas de alta diversidad de clientes, predominio del tráfico
de datos y sensibilidad al coste [1].
Objetivos y estructura
Los objetivos planteados se pueden resumir en dos: por una parte, el diseño
de una arquitectura de red basada en OPS y la evaluación de su viabilidad y sus
limitaciones mediante simulaciones; por otra, la investigación experimental de
algunos aspectos clave para la implementación de la red. Para la validación del
diseño de red se han evaluado sus prestaciones tanto en términos de tráfico como
de limitaciones fı́sicas. En cuanto al análisis experimental nos proponemos el
estudio de algunos de los aspectos más relevantes. En concreto, los relacionados
con la técnica de escritura y lectura de la información de control de cada paquete
o labeling y con la amplificación en redes con patrones dinámicos de tráfico.
La estructura de este resumen se ajusta a los objetivos de la tesis. Ası́,
tras esta introducción se plantean secciones para cada uno de los grandes hitos
llevados a cabo en la realización de la tesis.
2.
Diseño de una red OPS
A pesar del desajuste tecnológico, de las tres filosofı́as de capa óptica descritas en la sección anterior aquella que presenta mayor granularidad y que se
considera la solución óptima para redes ópticas de próxima generación es la conmutación óptica de paquetes. Por ello en la literatura se han realizado múltiples
propuestas de arquitectura para este tipo de redes [9, 10, 11]. La topologı́a más
4
común en el entorno metropolitano es la de anillo que representa una evolución
directa de las redes SONET/SDH actuales.
La revisión de trabajos existentes se centra en las arquitecturas RPR, WONDER y HORNET por su aplicación a redes de área metropolitana. RPR representa el estándar de red óptica de conmutación de paquetes en este tipo de
entornos, mientras que WONDER y HORNET son arquitecturas especialmente
afines al diseño presentado en este trabajo dadas sus caracterı́sticas de simplicidad y bajo coste.
Estándar RPR (Resilient Packet Ring) [12, 13].
Es una adaptación a topologı́a en anillo del protocolo Ethernet. Consiste
en un anillo bidireccional con una longitud de onda para cada sentido de
la comunicación (uno de los sentidos es para protección frente a fallos).
Realiza conversión O/E/O en cada nodo. Dispone de buffers electrónicos
para cada flujo de información (en tránsito, para insertar y para extraer).
RingO (Ring Optical network ) - continuado con WONDER (WDM Optical Network DEmonstrator over Rings) [14, 15, 16].
Anillo WDM unidireccional con operación en modo slotted. El número de
longitudes de onda es igual (RingO) al número de nodos que componen
la red. El control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control ) se
realiza mediante la monitorización de todas las longitudes de ondas al
comienzo de cada slot. Los nodos presentan arquitectura F T W − F R (W
Fixed Transmitters - Fixed Receiver ). Cada nodo tiene una longitud de
onda propietaria en la que recibe paquetes. El resto de longitudes de onda
no son procesadas por el nodo.
HORNET (Hybrid Optoelectronic Ring NETwork ) [17, 18, 19, 20].
Anillo WDM bidireccional con operación slotted y gestión de paquetes
de tamaño variable. El número de longitudes de onda es menor que el
número de nodos en la red, y por tanto la longitud de onda no define
unı́vocamente a cada nodo. El protocolo MAC consiste en el uso de un
canal (o longitud de onda) de control, que contiene la información de
ocupación de los canales de datos y es extraı́do, modificado y reinsertado
en cada nodo (conversión O/E/O). Los nodos presentan una arquitectura
T T − F R (Tunable Transmitter - Fixed Receiver ). Por tanto, cada nodo
recibe paquetes en una única longitud de onda, que extrae (conversión
O/E) y reinserta (conversión E/O), sólo en caso de que el paquete no vaya
dirigido a él. El resto de longitudes de onda atraviesan el nodo de forma
transparente. La conmutación se realiza en el dominio eléctrico.
Las claves del diseño de una red OPS óptima pasan por la aplicación de
los conceptos de encaminamiento transparente en los nodos (sin conversiones
O/E/O) y reutilización espacial de las longitudes de onda. Ambos conceptos
determinan las reglas del control de acceso al medio de la arquitectura. En la
arquitectura propuesta en este trabajo todo el tráfico que no esté destinado
a un nodo en particular lo atraviesa de forma transparente de forma que las
conversiones entre los dominios óptico y eléctrico se reducen al máximo. La
clave reside en el uso de un switch óptico como elemento conmutador de los
paquetes. Los recientes avances de tecnologı́a óptica hacen que tanto el switch
5
óptico como el resto de componentes de los nodos en la red propuesta sean
dispositivos comercialmente disponibles y de coste relativamente reducido, lo
que aumenta el atractivo de la red y la hace realista y viable hoy en dı́a. La
mejora de la red propuesta con respecto a HORNET reside en la eliminación de
la conversión O/E/O y por tanto la transparencia de los nodos de red. Por otra
parte, WONDER elimina la necesidad de disponer de elementos conmutadores
en los nodos, pero no hace uso del concepto de reutilización espacial.
2.1.
Arquitectura de red
Como en muchas de las redes OPS existentes en la literatura [11, 21, 22, 23,
24, 25, 19, 12, 16] la topologı́a de la red propuesta en este trabajo es un anillo.
En concreto, nuestro diseño básico de red supone un anillo WDM unidireccional
en el que existen dos tipos de nodos: puntos de acceso y puntos de presencia. Los
puntos de acceso (APs, Access Points) conectan a los usuarios de redes locales
al anillo. Por otra parte, los puntos de presencia (POPs, Points Of Presence),
son necesarios para la conexión con la red de nivel superior en la jerarquı́a (red
troncal o metro/regional). De esta forma, los usuarios pertenecientes a redes
locales distintas pueden comunicarse entre sı́ a través del anillo y también con
la red troncal exterior. Ası́, el tipo de tráfico que el anillo gestiona se clasifica
en tráfico interno (destinado dentro del anillo, entre APs o de POPs a APs) y
tráfico externo (destinado fuera del anillo, de APs a POPs). La Figura 2 muestra
un esquema de la arquitectura propuesta.
LAN
Extrae
paquetes en 1
con dirección
destino @1
ext
Inserta paquetes
en cualquier
longitud de onda
1, @1
2, @1
3, @1
4, @1
1, @2
Access Points
(APs)
2, @2
3, @2
Point of
Presence
(POP)
…
4, @2
ext
Inserta paquetes
en cualquier
longitud de onda
interna
Extrae
paquetes
en ext
WAN
Figura 2. Arquitectura de red propuesta donde se incluyen las caracterı́sticas de transmisión
y recepción de los dos tipos de nodos, APs y POPs.
La red está basada en el uso compartido de recursos (en este caso, longitudes
de onda o canales) entre los nodos. Con este fin, los APs se agrupan de forma
que cada grupo tiene una longitud de onda caracterı́stica que define el canal
6
que transporta los paquetes destinados a los APs pertenecientes al grupo. Cada
AP dentro del anillo debe ser capaz de comunicarse con cualquier otro AP y
con el exterior a través de los nodos POP, por tanto debe estar equipado con
un receptor fijo (a una longitud de onda) y un tranmisor sintonizable. De esta
forma, un AP que quiera insertar un paquete destinado a un AP perteneciente al
grupo 1 deben tranmistirlo en la longitud de onda λ1 . Todos los APs del grupo 1
reciben y procesan el paquete, que sólo será extraı́do del anillo por el AP destino.
La señalización de los paquetes (ver detalles en el apartado 4.1) se realiza a
dos niveles: por una parte, cada paquete está identificado por la longitud de
onda en la que es transportado; por otra parte, contiene información de control
que incluye la dirección del AP destino. La recepción se realiza mediante un
demultiplexor que selecciona la longitud de onda asociada al AP y un circuito
de detección convencional con fotodiodo, mientras que la transmisión se realiza
mediante un array de láseres [26, 27].
Se ha pensado en un esquema F T W − F R (W transmisores fijos y receptor
fijo) como en la red RingO [14] frente a T T − F R (transmisor sintonizable y
receptor fijo) como en la red HORNET [19] teniendo en cuenta las ventajas de
simplicidad, bajo coste y transmisión simultanea que un esquema aporta sobre
el otro.
2.2.
Control de acceso al medio
El control de acceso al medio está basado en el uso de una lı́nea de retardo y
por tanto está diseñado para la operación con paquetes de tamaño fijo. La falta
de buffers ópticos limita la gestión de paquetes de tamaño variable en nuestra
arquitectura. Por tanto, nuestro diseño asume que los paquetes son encapsulados
de forma previa por equipamiento externo a la red que nos ocupa.
Se ha realizado un estudio teórico de los tiempos asociados a la correcta
operación de la red. Además del tiempo de la lı́nea de retardo, es importante
notar la necesidad de considerar un tiempo de guarda entre paquetes para evitar
colisiones en el switch óptico, ası́ como un retardo de la señal de control del
switch. La Tabla 2 resume las expresiones de los tiempos asociados al MAC de
la red propuesta.
Parámetro
Tiempo de guarda
entre paquetes
Expresión
τguarda = tswitch + 0.1 · tswitch
Retardo control
switch
τdelay = τpaquete − τlabel
Lı́nea de
retardo (FDL)
τF DL = τpaquete + 1.1 · tswitch + τlabel
Periodo de
deshabilitación
τdisable = 2 · (τpaquete + 1.1 · tswitch )
Tabla 2. Expresiones de los tiempos asociados al control de acceso al medio (MAC) de la red
propuesta.
7
3.
Estudio de la escalabilidad de la red
En esta sección se presentan los resultados de simulación referentes a los
lı́mites de escalabilidad y el rendimiento de la arquitectura de red propuesta. El
estudio se ha realizado teniendo en cuenta tanto aspectos relacionados con el
tráfico como limitaciones fı́sicas de los componentes que constituyen los nodos
y de la propia fibra que enlaza unos con otros.
3.1.
Análisis en términos de tráfico
Se han buscado los lı́mites de escalabilidad de la red en función de la carga
de tráfico que ésta es capaz de soportar antes de entrar en estado de congestión.
Dado el tamaño limitado de las memorias o buffers presentes en la etapa de
inserción de los nodos, el fenómeno de congestión es equivalente al de pérdida
de paquetes. Se ha comprobado empı́ricamente que un criterio de congestión
adecuado es aquel que considera la varianza del tiempo de espera en cola de los
paquetes superior a un umbral de 0.5 ms2 .
La Figura 3 muestra la evolución temporal de la ocupación de los buffers en
los tres puntos de inserción considerados. Las gráficas se corresponden al caso de
22 APs/λint , tswitch de 1 µs y barrido del porcentaje de ocupación de las LAN
en todo su rango (condiciones de las Figuras anteriores). El resto de parámetros
de simulación toman su valor estándar.
Paquetes internos (APs)
Tiempo (ms)
50
40
30
20
10
0
100
50
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
Paquetes internos (POPs)
50
40
30
20
10
0
1000
500
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
Paquetes externos
50
40
30
20
10
0
100
50
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
L(%)
Figura 3. Ocupación de los buffers (número de paquetes encolados) en los tres puntos de
inserción de tráfico. De arriba a abajo: tráfico interno en APs, tráfico interno en POPs y
tráfico externo en APs.
Como se puede apreciar en la Figura, en lo que refiere al tráfico interno, el
número de paquetes encolados es notablemente superior (un orden de magnitud)
en los POPs que en los APs, lo cual sugiere, como se habı́a previsto, distintos requerimientos de capacidad de almacenamiento. En cuanto al tráfico externo, los
requerimientos de almacenamiento son del orden de aquellos de tráfico interno
en APs. La Figura 4 muestra las curvas de varianza de tiempo de encolamiento
en los tres puntos de inserción de paquetes asociadas al caso representado en
la Figura 3. En cada gráfica se visualiza el lı́mite de carga de tráfico requerido
para que no se produzcan pérdidas en el buffer correspondiente.
En el escenario analizado, los lı́mites a la carga de tráfico que la red es capaz
de gestionar impuestos por los distintos tipos de buffer son 74, 34 y 38 %. Para el
8
2
Varianza tiempo espera en cola (ms )
Paquetes internos (APs)
0.6
0.4
0.2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
80
90
100
80
90
100
Paquetes internos (POPs)
0.6
0.4
0.2
0
10
20
30
40
50
60
70
Paquetes externos
0.6
0.4
0.2
0
10
20
30
40
50
60
70
L(%)
Figura 4. Varianza del tiempo de espera en cola en los tres puntos de inserción de tráfico.
De arriba a abajo: tráfico interno en APs, tráfico interno en POPs y tráfico externo en APs.
umbral considerado la capacidad máxima necesaria en cada punto de inserción
de tráfico es del orden de 50 paquetes para los buffers de tráfico interno y
externo en los APs y 500 paquetes para el buffer de tráfico interno en los POPs,
lo cual se corresponde con capacidades de 75 y 750 kB, respectivamente. Dado
que el almacenamiento se realiza en el dominio eléctrico (de forma previa a la
inserción de los paquetes en el anillo), las capacidades requeridas no suponen
desafı́o tecnológico alguno.
Modelo de tráfico
En el análisis en términos de tráfico es especialmente relevante el modelo de
tráfico implementado. En este sentido, se han considerado dos modelos: por una
parte un modelo clásico Poisson (modelo C), y por otra un modelo autosemejante
más realista basado en la agregación de fuentes ON-OFF (modelo A). Dado que
el switch óptico es el principal componente de nuestro diseño, resulta de especial
interés el estudio de escalabilidad en función de su tiempo de conmutación.
Con el fin de dar una idea global del comportamiento de la red según la naturaleza del tráfico que deba gestionar, la Figura 5 muestra la evolución temporal
de la ocupación de los buffers en los puntos de inserción de paquetes en el anillo
para distintas cargas de tráfico. Se representan cuatro gráficos correspondientes
a cuatro casos de tswitch : 10, 100, 250 y 1000 ns. El modelo de tráfico aplicado
en las simulaciones es el modelo clásico Poisson (modelo C) y el tamaño de la
red es el máximo considerado en este estudio (22 APs/λint ).
Como se puede observar en la Figura, el tiempo de conmutación del switch es
un parámetro crı́tico para las prestaciones de la red que afecta de forma directa
a sus lı́mites de escalabilidad. Los gráficos correspondientes al modelo de tráfico
autosemejante (modelo A) se muestran en la Figura 6.
La influencia del valor de tswitch sobre las prestaciones de la red presenta
una tendencia similar en los resultados correspondientes a los dos modelos de
tráfico analizados. Sin embargo, hay que notar dos diferencias:
Los lı́mites de carga de tráfico para los cuales la red entra en saturación
y sus buffers comienzan a experimentar pérdida de paquetes son mayores
en el caso del modelo clásico de Poisson.
9
Paquetes internos (APs)
Paquetes internos (APs)
100
50
40
30
20
10
0
50
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
Paquetes internos (POPs)
50
40
30
20
10
0
Tiempo (ms)
Tiempo (ms)
50
40
30
20
10
0
1000
500
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
100
50
10
20
50
40
30
20
10
0
50
40
30
20
10
0
50
20
30
40
50
60
70
10
20
80
90 100
0
30
40
60
70
80
90 100
0
Paquetes internos (POPs)
50
40
30
20
10
0
1000
500
10
20
30
40
50
10
20
60
70
80
90 100
0
30
40
50
80
90 100
0
30
40
50
60
70
80
90 100
0
50
10
20
60
70
30
40
50
60
70
80
90 100
0
Paquetes internos (POPs)
50
40
30
20
10
0
50
40
30
20
10
0
50
20
70
1000
500
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
Paquetes externos
100
10
60
100
Paquetes externos
50
40
30
20
10
0
50
Paquetes internos (APs)
50
40
30
20
10
0
Tiempo (ms)
Tiempo (ms)
50
0
(b) tswitch = 100 ns
50
40
90 100
L(%)
100
30
80
50
Paquetes internos (APs)
20
70
100
(a) tswitch = 10 ns
10
60
500
L(%)
50
40
30
20
10
0
50
Paquetes externos
100
10
40
1000
Paquetes externos
50
40
30
20
10
0
30
Paquetes internos (POPs)
80
90 100
0
L(%)
100
50
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
L(%)
(c) tswitch = 250 ns
(d) tswitch = 1000 ns
Figura 5. Evolución temporal de la ocupación de los buffers en los tres puntos de inserción
de tráfico en función de la carga de tráfico ofrecida por las LAN. Modelo de Poisson para
distintos tiempos de conmutación del switch óptico.
En caso del modelo autosemejante, el punto de saturación de la red se
alcanza de forma brusca e intermitente (efecto de las ráfagas de paquetes).
Estas dos observaciones nos permiten derivar el efecto del tráfico autosemejante sobre las prestaciones de la red: empeoramiento general y llenado de
forma intermitente o a ráfagas de los buffers. La consecuencia clara de la primera observación es que el modelo de tráfico clásico proporciona estimaciones
más optimistas que el autosemejante. En cuanto a la segunda observación, su
principal implicación será la necesidad de disponer de capacidades de almacenamiento mayores que eviten la pérdida de paquetes ante la llegada de ráfagas.
En adelante, se ha usado únicamente el modelo de tráfico autosemejante, por
ajustarse de forma más fiel a escenarios con tráfico a ráfagas.
Escalabilidad
El tamaño máximo de la red se ha evaluado considerando, de forma análoga al análisis de carga de tráfico presentado anteriormente, distintos valores
del tiempo de conmutación del switch óptico. En este caso, la carga de tráfico
ofrecida por cada AP es del 100 %. La Tabla 3 resume los lı́mites de tamaño de
red encontrados para cada caso de tiempo de conmutación del switch. De nuevo,
10
Paquetes internos (APs)
Paquetes internos (APs)
100
50
40
30
20
10
0
50
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
Paquetes internos (POPs)
50
40
30
20
10
0
Tiempo (ms)
Tiempo (ms)
50
40
30
20
10
0
1000
500
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
100
50
10
20
50
40
30
20
10
0
50
40
30
20
10
0
50
20
30
40
50
60
70
10
20
80
90 100
0
30
40
60
70
80
90 100
0
Paquetes internos (POPs)
50
40
30
20
10
0
1000
500
10
20
30
40
50
10
20
60
70
80
90 100
0
30
40
50
80
90 100
0
30
40
50
60
70
80
90 100
0
50
10
20
60
70
30
40
50
60
70
80
90 100
0
Paquetes internos (POPs)
50
40
30
20
10
0
50
40
30
20
10
0
50
20
70
1000
500
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
Paquetes externos
100
10
60
100
Paquetes externos
50
40
30
20
10
0
50
Paquetes internos (APs)
50
40
30
20
10
0
Tiempo (ms)
Tiempo (ms)
50
0
(b) tswitch = 100 ns
50
40
90 100
L(%)
100
30
80
50
Paquetes internos (APs)
20
70
100
(a) tswitch = 10 ns
10
60
500
L(%)
50
40
30
20
10
0
50
Paquetes externos
100
10
40
1000
Paquetes externos
50
40
30
20
10
0
30
Paquetes internos (POPs)
80
90 100
0
L(%)
100
50
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
0
L(%)
(c) tswitch = 250 ns
(d) tswitch = 1000 ns
Figura 6. Evolución temporal de la ocupación de los buffers en los tres puntos de inserción
de tráfico en función de la carga de tráfico ofrecida por las LAN. Modelo autosemejante para
distintos tiempos de conmutación del switch óptico.
las limitaciones impuestas por el tráfico interno y el externo son recogidas por
separado. El máximo número total de nodos (AP y POP) que la red es capaz
de servir es el mı́nimo de estos dos valores.
tswitch (ns)
10
25
100
250
1000
Máximo tamaño de la red (nodos)
Tráfico interno
Tráfico externo
42
42
42
34
18
42
42
42
34
26
Tabla 3. Lı́mites de escalabilidad de la red en términos del máximo número de nodos (AP y
POP) que la componen.
Rendimiento y latencia
Existen varios indicadores de las prestaciones de una red de comunicaciones
11
en términos de los cuales se pueden comparar distintas arquitecturas. El entorno
en el que se desarrolle la red es crucial para elegir los parámetros en función
de los cuales se ha de caracterizar ésta. Ası́, por ejemplo, para redes dedicadas
a tráfico interactivo el retardo reducido es imprescindible, mientras que en una
red dedicada a transferencia de ficheros no es tan crı́tico. Dos de los parámetros
de evaluación de redes más habituales son el rendimiento o throughput y el
retardo medio, existiendo comunmente un compromiso entre la maximización
del primero y la minimización del segundo.
El análisis de rendimiento o throughput es fácilmente extraı́ble de los estudios de escalabilidad previamente presentados. Definimos el throughput como el
caudal en bits/s que la red es capaz de transportar en un instante dado. Por
tanto, a partir de la carga de tráfico máxima que cada nodo tiene permitido insertar para el tamaño de red considerado es posible calcular el throughput total
de la red mediante la suma de tres términos
thr = thrint−AP s + thrint−P OP s + thrext
(1)
Donde se han considerado por separado los paquetes internos insertados por
nodos AP, por nodos POP y los paquetes de tráfico externo. A partir de la
ecuación (1) y los resultados de carga de tráfico máxima para cada tamaño de
red, se ha calculado el throughput, que se representa en la Figura 7 para el tráfico
interno y externo por separado. En los cálculos de rendimiento se ha considerado
el lı́mite de carga de tráfico más restrictivo (impuesto por el tráfico interno en
los nodos POP).
70
60
80
tswitch = 10 ns
tswitch = 25 ns
tswitch = 100 ns
tswitch = 250 ns
tswitch = 1000 ns
Throughput externo (Gb/s)
Throughput interno (Gb/s)
80
50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10
90
Numero de nodos
tswitch = 10 ns
tswitch = 25 ns
tswitch = 100 ns
tswitch = 250 ns
tswitch = 1000 ns
20
30
40
50
60
70
80
90
Numero de nodos
Figura 7. Throughput o rendimiento de la red para el tráfico interno y el tráfico externo
por separado. Como máxima carga de tráfico se considera la más restrictiva (impuesta por el
tráfico interno en los nodos POP).
Se observa que a pesar de la mejora de rendimiento observada al mejorar la
velocidad del switch óptico, es notable la reducción de rendimiento con respecto
al lı́mite máximo teórico. Un análisis similar realizado con tráfico poissoniano
demuestra que este efecto es en parte debido a la naturaleza a ráfagas del tráfico
que la red debe gestionar. Otro de los factores que influyen en la reducción de
rendimiento de la red es el fenómeno de desigualdad entre nodos o unfairness.
En cuanto al estudio de latencia, los valores obtenidos para la red propuesta
son de 0.6 ms para los paquetes de tráfico interno y de 0.3 ms para los de tráfico
externo en el caso de una red de 90 nodos (perı́metro de 180 km). El estudio
comparativo de la red propuesta con la arquitectura HORNET ha indicado que
el comportamiento de la red en términos de rendimiento es similar, si bien la
12
red estudiada en esta tesis es superior en términos de latencia. Por otra parte,
es evidente que la principal ventaja del esquema propuesto es la ausencia de
conversión entre los dominios óptico y eléctrico cuyo beneficio se refleja principalmente en transparencia a formato de los paquetes y reducción de coste y del
consumo de energı́a.
3.2.
Limitaciones fı́sicas
log(BER)
-4
-10
-15
-6
-20
-8
-10
-12
-25
-16
-20
10
20
30
40
50
60
70
80
-30
-2
-4
-10
-15
-6
-8
-20
-10
-12
-25
-16
-20
Numero de hops
-5
atenuacion
SMF en FDL
DCF en FDL
comp. dispersion
potencia recibida
10
20
30
40
50
60
70
80
Potencia optica recibida (dBm)
-5
atenuacion
SMF en FDL
DCF en FDL
comp. dispersion
potencia recibida
log(BER)
-2
Potencia optica recibida (dBm)
En primer lugar se ha analizado el efecto de la fibra (presente en la FDL y en
el enlace entre nodos) y se han obtenido los lı́mites impuestos por los efectos no
lineales y la dispersión [28]. Los resultados muestran que para que los primeros
no aparezcan, la potencia óptica no debe superar 12 dBm. Por otra parte, la
dispersión limita la escalabilidad de la red a tamaños que en el diseño original de
los nodos (SMF en la FDL) no superan los 14 nodos. Sin embargo, este lı́mite
puede verse aumentado hasta un valor de 20 nodos en el caso de usar DCF
en la FDL y hasta 34 nodos en el caso de incorporar un modulo especı́fico de
compensación de dispersión. Los resultados de BER frente a número de hops o
nodos para los campos de label y payload se muestran en la Figura 8.
-30
Numero de hops
Figura 8. Escalabilidad de la red: influencia de la dispersión en la calidad de la transmisión.
Prestaciones de label (izquierda) y payload (derecha) en términos de BER.
Para ayudar a la interpretación de las curvas se ha incluido la evolución de
la potencia con el número de nodos, que es independiente del caso considerado
debido al efecto del amplificador. También se ha representado el lı́mite máximo
de BER según los criterios de calidad considerados para la información de control
o label y el payload.
En cuanto a la atenuación, es un factor decisivo en este tipo de redes debido
al elevado número de componentes. Es necesaria la inclusión de amplificadores
en lı́nea para compensar las pérdidas incurridas en los nodos. La alternativa
más adecuada en el caso de redes metropolitanas es el uso de amplificadores
de semiconductor linealizados o LOAs. Con el fin de estudiar el efecto de las
caracterı́sticas y la posición de los amplificadores, se han analizado las prestaciones de la red para cuatro configuraciones distintas (A1,A2,B1y B2) [29].
Los resultados muestran que existe un compromiso tanto en la elección de la
ganancia del amplificador como en la elección de su posición. En el primer caso,
altas ganancias suponen el uso de menos amplificadores por nodo, pero pueden
disparar la aparición de efectos no lineales; en el segundo, posiciones próximas a
la entrada del nodo suponen una menor degradación de la relación señal a ruido,
13
pero pueden hacer operar al amplificador fuera de su rango lineal y por tanto
hacer que las pérdidas del nodo no se compensen completamente con la ganancia
del amplificador debido al efecto de saturación en éste. El análisis presentado ha
indicado la necesidad de modificar ligeramente el diseño del nodo sustituyendo
el acoplador 90/10 de la etapa del Packet Manager por otro con relación de
acoplo 50/50. Los resultados obtenidos han mostrado que la mejor configuración es aquella que incluye dos amplificadores de ganancia media (del orden de
11 dB) situados a la entrada y la salida del nodo respectivamente. La Tabla 4
resume los valores de tamaño de red máximo para tres de las configuraciones
con mejores prestaciones.
Configuración
Gnominal
G+
0.50 dB
G+
1.00 dB
A1 90/10
label
payload
26
21
45
55
63
69
B1 90/10
label
payload
7
12
59
79
78
> 84
B1 50/50
label
payload
6
—
59
81
70
83
B2 90/10
label
payload
—
11
73
> 84
> 84
> 84
B2 50/50
label
payload
—
—
57
64
59
72
Tabla 4. Comparación del tamaño de la red máximo para las configuraciones A1, B1 y B2
y relaciones de acoplo 90/10 y 50/50 cuando se usan amplificadores con distintos factores de
ganancia.
El estudio de limitaciones fı́sicas permite concluir que para la mejor configuración el tamaño máximo de red es de 70 nodos, que es notablemente superior
al tamaño máximo obtenido del análisis de tráfico del apartado anterior. En
este sentido es importante notar que el análisis de escalabilidad de capa fı́sica
aquı́ presentado es bastante optimista ya que no ha considerado el efecto de
dependencia de los componentes con la longitud de onda.
4.
Estudio experimental de subsistemas
Como complemento de la validación y análisis mediante simulación de la red
propuesta, se han estudio experimentalmente algunos de los subsistemas clave
para su implementación real.
4.1.
Codificación de la información de control o etiquetado
Existen varios métodos de labeling [6], que se pueden clasificar en cuatro
grandes grupos dependiendo de la forma en la que la información de control y
el payload se combinan:
Señalización fuera de banda, como es el caso de las técnicas WDM
(Wavelength Division Multiplexing) [19] y SCM (SubCarrier Multiplexing)
14
[30]. El primer caso está basado en el uso dedicado de una longitud de onda
del esquema WDM para el transporte de la información de control de todos
los canales de datos. En el segundo caso, se introduce una subportadora
de RF fuera de la banda ocupada por el payload pero próxima a ésta.
Señalización mediante bits en serie o TDM (Time Division Multiplexing) [31]. Se basa en la introducción del label como una secuencia de bits
previos al payload.
Señalización mediante códigos u OCDM (Optical Code Division Multiplexing) [32, 33]. La introducción de la información de label se realiza
mediante la codificación del payload con un código que contiene la información de control.
Señalización mediante modulaciones ortogonales, en la que el label
se introduce en una dimensión ortogonal a la del payload [34, 35, 36]. Las
dimensiones de la señal óptica que pueden portar información de label o
payload son amplitud, frecuencia, fase y polarización.
Una forma de reducir la penalización de ancho de banda propia del etiquetado mediante modulaciones ortogonales es la reducción de la distancia frecuencial
entre tonos FSK. Denominamos a este tipo de modulación narrow -FSK y presenta la ventaja añadida de poder ser implementada de forma sencilla mediante
modulación directa de láseres de semiconductor gracias al fenómeno de chirp en
fuentes ópticas. El aumento de la eficiencia espectral es muy importante en redes
WDM ya que asegura la ausencia de crosstalk entre canales. Adicionalmente, la
reducida desviación frecuencial de la modulación implica ventajas en cuanto a
reducido RIM y vulnerabilidad frente a dispersión.
La implementación del método de labeling propuesto se ha realizado usando
dispositivos comerciales de bajo coste. La Figura 9 representa el montaje experimental empleado. El payload esta formado por tramas Ethernet a 1.25 Gb/s
(GbE), mientras que la información de label está constituida por una secuencia
de datos con codificación CMI y tasa de transmisión de 155 Mb/s.
analizador
GbE
tráfico
GbE
traffic
analyzer
Optical
to electrical
Conversión
O/E
conversion
DFB
1545 nm
payload
Payload
1.25
Gb/s
1.25Gb/s
modulador
MZ
MZ modulator
BERT
label, 155
Mb/s CMI
Label,
155Mb/s
acoplador
3dB
MZ DI
coupler
3-dB
Scope
osciloscopio
Figura 9. Montaje de laboratorio para los experimentos de validación y análisis del método
de labeling propuesto (modulaciones ortogonales IM/narrow -FSK).
El componente más crı́tico del montaje experimental ha sido el filtro demodulador FSK, que se ha diseñado especı́ficamente para esta aplicación y esta
basado en un interferómetro Mach-Zehnder con ramas de distinta longitud (MZDI). La separación frecuencial de los tonos FSK en los experimentos ha sido de
15
0.7 GHz, lo cual ha requerido un filtro con rango espectral libre reducido. Hemos
demostrado experimentalmente la demodulación narrow -FSK mediante este filtro. La Figura 10 muestra el espectro óptico de la señal tras el proceso de doble
modulación IM/narrow -FSK. La contribución del chirp adiabático es la responsable del desdoblamiento de la portadora óptica y por tanto de la modulación
en frecuencia binaria (uno de los tonos corresponde a los bits ‘1’ y el otro a los
bits ‘0’). A efectos de comparación, en gris se representa el espectro óptico de
la señal cuando únicamente es modulada en intensidad.
0
Optical Power (dBm)
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
1544.85
1544.87
1544.89
1544.91
Wavelength (nm)
1544.93
1544.95
Figura 10. Espectros ópticos correspondientes a la señal GbE y a la señal GbE con el labeling
introducido mediante la técnica narrow -FSK.
La Figura 11 muestra los espectros ópticos de las señales en sendas salidas
del MZDI. Como se puede apreciar, el filtro es capaz de eliminar cualquiera de
los dos tonos FSK de forma efectiva.
-10
Optical Power (dBm)
-20
-30
-40
-50
1.4 GHz
-60
-70
-80
1544.85
1544.87
1544.89
1544.91
Wavelength (nm)
1544.93
1544.95
Figura 11. Espectros ópticos tras la demodulación narrow -FSK en el proceso de lectura del
label. Se muestran dos espectros correspondientes a cada una de las salidas de MZDI. El inset
muestra la transmitancia del filtro MZDI utilizado en el proceso de demodulación.
La combinación de modulaciones empleada no es totalmente ortogonal y se
han evaluado los fénomenos de interferencia entre las modulaciones IM y narrow FSK. Este análisis ha permitido concluir que existe un compromiso entre la
calidad de label y payload regulable con la relación de extinción de este último.
Las relaciones señal a ruido que cuantifican el crosstalk sobre payload y label
16
son respectivamente
Zωp
SP (ω)dω
0
SNRP =
ml 2
Zωp
0
1
SL (ω) + SP (ω) ∗ SL (ω) dω
mp 2
Zωl
SL (ω)dω
0
SNRL =
mp 2
Zωl
0
(2)
1
S
(ω)
+
S
(ω)
∗
S
(ω)
dω
P
P
L
n2
(3)
donde ωp y ωl son los anchos de banda efectivos de los detectores de payload
y label, los factores mp , ml y n corresponden a los indices de modulación IM,
modulación RIM y factor de filtro y SP (ω), SL (ω) son las densidades espectrales
de potencia de payload y label.
Las Figuras 12 y 13 muestran la relación señal a ruido de payload y label
en función de la relación de extinción del primero. En la primera de ellas, se
consideran distintos ı́ndices de modulación RIM, valor que depende de las caracterı́sticas de la fuente y la separación frecuencial entre portadoras. En la segunda
Figura, por su parte, se consideran distintos ratios entre tasas de transmisión de
payload y label. En ambos casos, se ha supuesto que la información de payload
y label se codifica según señales PAM NRZ. En cuanto a los anchos de banda
efectivos de los detectores, se ha asumido que se ajustan a la anchura del lóbulo
principal de la densidad espectral de potencia correspondiente.
35
40
30
ER = 2.9 dB
SNR = 11.6 dB
P
25
P
SNR (dB)
30
20
20
15
10
0
20
•
10
5
15
0.00
10
ER (dB)
0.05
5
0.10
0
0.15
0
Indice RIM
Figura 12. Efecto del crosstalk del label sobre la relación señal a ruido del payload en
recepción: dependencia con la relación de extinción de la modulación IM y el ı́ndice de RIM
asociado a la modulación FSK.
Como se deduce de la observación de la Figura 12 para valores de modulación
residual elevados (con ı́ndices del orden del 15 %), la SNR del payload se reduce
drásticamente y se requieren valores de ER altos para una correcta recepción.
En contraste, y como muestra la Figura 13, los valores altos de ER del payload
17
35
40
30
ER = 2.9 dB
SNRL= 11.6 dB
25
SNRL (dB)
30
20
20
15
•
10
0
0
10
5
5
64
10
ER (dB)
15
8 16
20
32
0
Ratio tasas
transmision
Figura 13. Efecto del crosstalk del payload sobre la relación señal a ruido del label en
recepción: dependencia con la relación de extinción de la modulación IM y la relación de tasas
de transmisión de payload y label.
reducen la SNR del label. En este sentido, se observa que los requerimientos de
ER reducida se relajan considerablemente al aumentar el ratio entre las tasas de
transmisión de payload y label. Se ha comprobado que esta relación de tasas de
transmisión tiene un efecto despreciable sobre SNRP ya que el ancho de banda
efectivo del detector de payload (ωp ) es en todos los casos mayor que aquel
del detector de label (ωl ). Los puntos destacados en las dos Figuras indican los
valores de SNRP y SNRL óptimos asociados a la configuración del proceso de
modulación y por tanto, se han obtenido calculando la intersección de las curvas
resultantes de los cortes de las superficies representadas para ı́ndice RIM 8 %
en 12 y ratio de tasas 4 en 13. El valor óptimo de ER de payload para esta
configuración es ERopt = 2.9 dB.
Se ha comprobado experimentalmente el efecto de la interferencia entre los
campos de control y de datos usando el montaje de la Figura 9 [37]. El análisis
ha consistido en la medida de la tasa de error de label y payload para distintos
valores de ER de la modulación IM (payload ). El barrido de los valores de ER
se ha realizado atenuando la señal proviniente del analizador de tráfico GbE.
La tasa de error medida en el caso del label es la obtenida directamente de
la lectura del BERT (Bit Error Rate Tester ). En cuanto al payload la tasa
de error considerada corresponde a la de errores FCS (Frame Check Sequence)
calculada como el ratio de errores FCS respecto al número total de tramas
recibidas siempre y cuando no haya ninguna pérdida de trama. Los resultados
obtenidos se recogen gráficamente en la Figura 14.
Ha resultado imposible realizar medidas de BER en la recepción de label
por debajo de 10−9 debido a la deriva térmica del filtro demodulador. Hubiera
sido deseable llegar al lı́mite de 10−12 dados los criterios de calidad considerados en nuestra red (ver apartado 3.2). La reciente comercialización de filtros
MZDI atérmicos [38] que presentan derivas con la temperatura tan bajas como
0.02 GHz/ ◦ C, hacen posible alcanzar tasas de este orden. En trabajos posteriores, hemos aplicado con éxito un filtro de este tipo a un sistema experimental
de transmisión en redes PON con modulación narrow -FSK [39, 40].
Las predicciones teóricas de ERopt del apartado anterior han indicado que
para la configuración experimental considerada este valor es 2.9 dB, ligeramente superior al obtenido experimentalmente. La diferencia entre valor teórico y
18
-1
1E-1
label: BER
payload: tasa error FCS
Error Ratio
log (tasa error)
-2
1E-2
-4
1E-4
-6
1E-6
-8
1E-8
-10
1E-10
-12
1E-12
0.5
1
1.5
2
2.5
ER (dB)
3
3.5
4
4.5
Figura 14. Medida de la tasa de error para los campos de label y payload en función del
Extinction Ratio, ER de la modulación IM.
experimental supone un desplazamiento de ERopt hacia valores en los que la
calidad del label es superior a la del payload. Es razonable que la causa de este
desplazamiento sea el proceso de filtrado FSK previo a la detección del label,
que se ha considerado ideal en el estudio analı́tico de crosstalk. A pesar de la
baja relación de extinción, la calidad de la transmisión del payload esta garantizada gracias a la reducida intensidad residual (RIM) asociada a la modulación
narrow -FSK.
Finalmente un análisis de las prestaciones del método ha mostrado un power
penalty en la transmisión del label inferior a 1 dB al introducir 25 km de fibra
SMF, como se muestra en la Figura ??, lo que demuestra la robustez del método
propuesto [37].
La transparencia al formato del payload, reducida penalización de eficiencia
espectral y simplicidad de implementación de la técnica propuesta la hacen especialmente apropiada para al red analizada en este trabajo. Por otra parte,
y en relación con el análisis de limitaciones fı́sicas presentado en el apartado
3.2, la interferencia cruzada entre los dos campos de información se refleja en
una penalización de potencia que previsiblemente hará necesario el uso de amplificadores con mayores factores de ganancia y/o menores figuras de ruido o
restringirá la escalabilidad de la red.
4.2.
Amplificación en redes dinámicas
Para abordar la problemática de la amplificación óptica en redes con tráfico
dinámico, se ha analizado de forma experimental el comportamiento de los dos
tipos de amplificadores ópticos más comunes en escenarios de potencia óptica
variable en modo de ráfagas. Los dos amplificadores considerados en el estudio,
EDFA (Erbium Doped Fibre Amplifier ) y SOA (Semiconductor Optical Amplifier ), están basados en procesos de amplificación fundamentalmente distintos, lo
que hace que los dispositivos presenten diferencias significativas tanto en aspectos fı́sicos (tamaño, coste, consumo de potencia) como en las prestaciones que
ofrecen. La presencia de eventos de inserción o extracción de canales, ráfagas o
19
paquetes, caracterı́stica de las redes con tráfico dinámico o bursty, causa variaciones de potencia a la entrada del amplificador. Estas variaciones de potencia
derivan en penalizaciones en la calidad de la transmisión del resto de canales,
ya que suponen variaciones en el factor de ganancia que experimentan al atravesar el amplificador y por tanto variaciones en la potencia en recepción. En
particular, las variaciones de potencia dentro de una misma ráfaga o paquete
son especialmente problemáticas en receptores con umbral de decisión fijo [41].
Para cada tipo de amplificador se ha presentado un estudio exhaustivo de
prestaciones en el que se han analizado las posibles causas de degradación, ası́
como la configuración del dispositivo para una operación óptima.
Amplificadores EDFA
Para los amplificadores EDFA se ha implementado una configuración con
control de ganancia o gain clamping (GC-EDFA). Se ha observado que las degradaciones de calidad propias de la operación del GC-EDFA en redes dinámicas
se deben a una contribución estática (variaciones de potencia de estado estacionario, SSPF) y a otra dinámica (oscilaciones de relajación, RO). Sin embargo,
el análisis de prestaciones en términos de calidad de transmisión o factor Q
[42, 43] ha revelado una cierta independencia con RO y una relación directa
con SSPF, como muestra la Figura 15 donde se representan medidas para los
distintos escenarios de red considerados en el estudio (1, 4 y 16 bursts).
Figura 15. Medida del factor Q en función de FCL para 1, 4 y 16 bursts insertados/extraı́dos
junto a las curvas de magnitud de SSPF para los mismos escenarios de red.
En cuanto a la dependencia con la variación de potencia óptica a la entrada, los resultados muestran que al aumentar el número de bursts insertados/extraı́dos el valor de FCL requerido para unas prestaciones óptimas disminuye. Este hecho es debido a que la ganancia necesaria para el canal de realimentación aumenta al aumentar la magnitud de las fluctuaciones de potencia a
la entrada del amplificador.
Amplificadores de semiconductor
En el caso de amplificadores ópticos de semiconductor, se ha analizado el
comportamiento de un dispositivo comercial con control de ganancia, denomi20
nado LOA (Linearized Optical Amplifier ). El conjunto de resultados obtenidos
para este tipo de amplificador demuestra que los LOAs son dispositivos ideales
para operar como amplificadores de lı́nea en redes con conmutación óptica de
ráfagas o paquetes. Las penalizaciones encontradas en escenarios de tráfico dinámico son sensiblemente menores a aquellas observadas en el caso de GC-EDFAs.
A modo de ejemplo, la Figura 16 muestra las curvas de BER frente a potencia
óptica en recepción en los tres escenarios considerados (1, 4 y 1e ráfagas) cuando
la potencia del canal CW y de cada ráfaga del canal burst es de −7 dBm y la
longitud de las ráfagas es de 5 µs.
Figura 16. Medida de las prestaciones del LOA en distintos escenarios de tráfico dinámico.
La potencia óptica de cada ráfaga es −7 dBm y su duración 5 µs.
.
Es importante notar, que a pesar de las bajas penalizaciones observadas en
la operación de amplificadores LOA en redes dinámicas, éstos presentan un moderado factor de ganancia y una relativamente alta figura de ruido, por lo cual es
conveniente conocer estas penalizaciones y reducirlas en la medida de lo posible
mediante un conocimiento de las condiciones de operación del amplificador y
una correcta configuración del mismo [44].
5.
Conclusiones
Este trabajo ha presentado una arquitectura de red basada en conmutación
óptica de paquetes cuya viabilidad y prestaciones han sido analizadas tanto
desde un punto de vista de tráfico como desde un punto de vista fı́sico. Los
resultados demuestran su adecuación al entorno metropolitano, su relativamente
alto throughput y su baja latencia. En cuanto al estudio experimental de aspectos
relacionados con dicha red, se ha propuesto y validado experimentalmente una
técnica de labeling que por sus caracterı́sticas de sencillez y eficiencia espectral
resulta especialmente apropiada para la arquitectura propuesta. Por último, el
análisis de amplificadores ópticos ha revelado la superioridad de los LOA sobre
los GC-EDFA en lo que a tratamiento de tráfico dinámico se refiere. Los primeros
resultan, por lo tanto, la mejor alternativa para la red propuesta, presentando
por otra parte menores coste y consumo de energı́a y espacio.
21
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