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Diplomado en Telecomunicaciones y Tecnologías de la Información con mención en Redes y Comunicaciones Ópticas – Redes Inalámbricas Avanzadas

Curso 1: Comunicaciones Ópticas

Docente: Ing. Omar Salomé

Diplomado en Telecomunicaciones y Tecnologías de la Información con mención en Redes y Comunicaciones Ópticas – Redes Inalámbricas Avanzadas

Redes DWDM Enlace punto – punto. La pieza básica para construir enlaces ópticos.

El cálculo de enlace de DWDM es análogo al cálculo de un enlace sin multiplexación, realizado en base a cada longitud de onda. Para realizar un cálculo de enlace debemos tener en cuenta los dos fenómenos que afectan la calidad de un enlace: atenuación y dispersión.

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Redes DWDM Requerimientos básicos para diseñar un enlace punto-punto: • • • •

Longitud del enlace (distancia). Tasa de bits o ancho de banda. BER o SNR requerido. Margen del enlace.

Cálculo del enlace: • Cálculo de potencia. • Cálculo del tiempo de subida (rise-time).

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Redes DWDM Cálculo de potencia • • •

Definimos PT como la pérdida total de potencia admitida por el sistema entre el emisor y el receptor. PT = PS – PR Donde PS es la potencia acoplada a la fibra desde la fuente (source) y PR es la mínima potencia admitida por la sensibilidad del receptor (receiver)

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Redes DWDM Cálculo de potencia • PT = Σ(pérdidas conectores) + Σ(pérdidas por empalmes) + Σ(pérdidas en las fibras) + margen • Pérdida en la fibra = αL , donde α es el coeficiente de atenuación (generalmente en dB/Km) y L es la longitud (generalmente en Km). • Siempre se diseña con un margen de potencia (o margen de sistema) para prevenir futuras degradaciones. • ITU (G.957) recomienda un margen de entre 3 a 4.8 dB. En la práctica los márgenes suelen ser de 3 a 10 dB.

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Redes DWDM Cálculo del tiempo de subida (rise time) Para todo sistema en el cual haya N componentes que afecten (degraden) el tiempo de subida, el tiempo de subida del sistema (tsys)será: 1/ 2

  t sys    ti 2   i 1  N

En el caso de un enlace óptico punto – punto, tendremos:



t sys  t

2 TX

t

2 mod

t

2 CD

t

2 PMD

t



2 1/ 2 RX

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Redes DWDM Cálculo del tiempo de subida (rise time) El tsys no debe exceder cierto porcentaje del período de cada bit. Se dan dos casos generales: • Códigos de línea NRZ: tsys < 0.7 T • Códigos de línea RZ: tsys < 0.35 T Donde T es el tiempo del bit.

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Redes DWDM Cálculo del tiempo de subida (rise time)



t sys  t • • • • •

2 TX

t

2 mod

t

2 CD

t

2 PMD

t



2 1/ 2 RX

Para casos prácticos, consideramos los siguientes criterios: tTX y tRX: proporcionados por fabricante tmod : calculado en función del ancho de banda de la fibra multimodo, proporcionado por fabricante: tmod = 440L / Bmod , para tmod en ns. Las unidades de B están en MHz.km y las de L en Km. tCD : dispersión cromática. tCD = (DC)(Δλ)L tPMD : dispersión de modo de polarización. tPMD = (DPMD)(L)1/2

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Redes DWDM Ejemplo 1: Analice si un enlace STM-16 es viable teniendo en cuenta: • • • • • • • • •

La distancia del enlace es de 30Km en planta externa. Todas las fuentes son diodos láser que acoplan -2 dB a la fibra a 1300 nm. Sus tiempos de subida son de 0.1 ns y ancho espectral de 1nm. Todos los receptores son fotodiodos de avalancha (APD) cuya sensibilidad es -32 dBm y tiempo de subida de 0.14 ns a 2.5 Gbps. Para la planta externa cuenta con fibras monomodo G.655 con Dc = -4 ps/(nm.Km) , DPMD = 0.1 ps.(Km)-(1/2) y α = 0.6 dB/Km. (datos a 1300 nm). 0.5 dB de pérdidas por empalmes. Pérdida por conectores: 2.4 dB en cada sentido de transmisión. Cada patch cord entre los equipos SDH y los ODF tiene una atenuación de 1.5 dB (planta interna). Margen de sistema de 6 dB Considerar despreciable la dispersión en los patch cords.

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Redes DWDM Cálculo de potencias (atenuaciones) La pérdida total admitida será PT = PS – PR = -2 - (-32) = 30 dB. Pérdida por conectores: 2.4 dB Pérdida en empalmes: 0.5 dB Pérdida en patch cords: 2 x 1.5 dB = 3 dB Atenuación de la fibra: (0.6 dB/Km) x (30 Km ) = 18 dB Dado que: PT = Σ(pérdidas conectores) + Σ(pérdidas por empalmes) + αL + margen 30 dB = 2.4 dB + 0.5 dB + (3dB + 18 dB) + margen Margen = 6.1 dB Luego: El enlace es viable desde el punto de vista de la atenuación.

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Redes DWDM Cálculo del rise time. tTX = 0.1 ns tmod = no aplica tCD = (DC)(Δλ)L = (-4)(1)(30) = -120 ps = -0.12 ns tPMD = (DPMD)(L)1/2 = (0.1)(30) 1/2 = 0.55 ps = 0.00055 ns tRX= 0.14 ns En la fórmula:



t sys  t

2 TX

t

2 mod

Luego: tsys = 0.21 ns

t

2 CD

t

2 PMD

t



2 1/ 2 RX

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Redes DWDM Cálculo del rise time.



t sys  t

2 TX

t

2 mod

t

2 CD

t

2 PMD

t



2 1/ 2 RX

Luego: tsys = 0.21 ns Al ser un enlace de 2.5 Gbps, el tiempo del bit es = 0.4 ns SDH posee un código NRZ, la condición por satisfacer es tsys < 0.7 (Tbit) tsys =0.21 ns < 0.28ns El enlace es viable desde el punto de vista del tiempo de subida.

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Redes DWDM Ejemplo 2: La distancia aumenta a 100 Km: En el cálculo de potencias: La pérdida total admitida será PT = PS – PR = -2 - (-32) = 30 dB. Pérdida por conectores: 2.4 dB Pérdida en empalmes: 0.5 dB Pérdida en patch cords: 2 x 1.5 dB = 3 dB Atenuación de la fibra: (0.6 dB/Km) x (30 Km ) = 18 dB

PT = Σ(pérdidas conectores) + Σ(pérdidas por empalmes) + αL + margen Luego: 30 dB = 2.4 dB + 0.5 dB + (3dB + 60 dB) + margen Margen = - 35.9 dB ¡! . El margen no puede ser negativo. Luego: El enlace es inviable desde el punto de vista de la atenuación.

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Redes DWDM En el cálculo de dispersiones: tTX = 0.1 ns tmod = no aplica tCD = (DC)(Δλ)L = (-4)(1)(100) = -400 ps = -0.4 ns tPMD = (DPMD)(L)1/2 = (0.1)(100) 1/2 = 1 ps = 0.001 ns tRX= 0.14 ns



t sys  t

2 TX

t

2 mod

Luego: tsys = 0.44 ns

t

2 CD

t

2 PMD

t



2 1/ 2 RX

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Redes DWDM En el cálculo de dispersiones:



t sys  t

2 TX

t

2 mod

t

2 CD

t

2 PMD

t



2 1/ 2 RX

Luego: tsys = 0.44 ns Al ser un enlace de 2.5 Gbps, el tiempo del bit es = 0.4 ns SDH posee un código NRZ, la condición por satisfacer es tsys < 0.7 (Tbit) Pero tsys =0.44 ns > 0.28ns El enlace no es viable desde el punto de vista del tiempo de subida. La forma de superar esta limitación es con el uso de amplificadores y regeneradores.

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Redes DWDM Amplificadores: El principal parámetro de un amplificador es su ganancia GA. Extendiendo la fórmula de la Pérdida Total de potencia admitida por el sistema: PT = Σ(pérdidas conectores) + Σ(pérdidas por empalmes) + αL + margen – GA donde GA es la ganancia del amplificador en dB. Regeneradores: Dispositivos que convierten la señal óptica en eléctrica para su procesamiento por medios electrónicos. Importante: Los regeneradores cuentan con sus propios emisores y receptores, que deben ser tenidos en cuenta al realizar el diseño. En general, cuando diseñamos enlaces ópticos: Los amplificadores nos ayudan a mejorar las potencias (atenuaciones) Los regeneradores nos ayudan a mejorar los tiempos de subida (dispersión)

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Redes DWDM Amplificadores y regeneradores

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Redes DWDM Ejemplo 3: Retomamos el enlace de 100 Km del ejemplo 2 para diseñarlo con amplificadores y regeneradores con las siguientes consideraciones: • Los amplificadores a utilizar no introducen mayor dispersión en la señal óptica. Contamos con amplificadores de 8 dB, 12 dB y 20 dB. • Las pérdidas en los sitios de regeneración (intermedios) son las mismas que en los puntos extremos (conectores y patch cords). • Los regeneradores usan los mismos emisores y detectores especificados anteriormente: • Todas las fuentes son LEDs que acoplan -2 dB a la fibra a 1300 nm. Sus tiempos de subida son de 0.1 ns y ancho espectral de 1nm. • Todos los receptores son fotodiodos de avalancha (APD) cuya sensibilidad es -32 dBm y tiempo de subida de 0.14 ns a 2.5 Gbps

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Redes DWDM Empezamos por el cálculo de dispersión. Hallemos la máxima distancia para la cual se cumple que tsys < 0.7 T = 0.28ns tTX = 0.1 ns tmod = no aplica tCD = (DC)(Δλ)L = (-4)(1)(L) = -4L (ps) = -0.004 L (ns) tPMD = (DPMD)(L)1/2 = (0.1)(L) 1/2 = 1 (L) 1/2 ps = 0.001 (L) 1/2 (ns) tRX= 0.14 ns 2 1/ 2 En la fórmula: t  t 2  t 2  t 2  t 2 t sys



TX

mod

CD

PMD

RX



(0.28)2 = (0.1) 2 + (0.004L) 2 + (0.001 (L) 1/2 ) 2 + (0.14) 2 Luego: Lmáx = 55.2 Km Al ser un enlace de 100 Km, utilizaremos dos secciones de 50 Km. Es decir, un regenerador a 50 Km de ambos extremos.

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Redes DWDM Ahora el cálculo de atenuación. La pérdida total admitida en cada sección de regeneración es: PT = PS – PR = -2 - (-32) = 30 dB. Primero realicemos el cálculo sin amplificadores. Pérdida por conectores: 2.4 dB Pérdida en empalmes: 0.5 dB Pérdida en patch cords: 2 x 1.5 dB = 3 dB Atenuación de la fibra: (0.6 dB/Km) x (50 Km ) = 30 dB Dado que PT = Σ(pérdidas conectores) + Σ(pérdidas por empalmes) + αL + margen 30 dB = 2.4 dB + 0.5 dB + (3dB + 30 dB) + margen Margen = - 5.9 dB ¡! . El margen no puede ser negativo. Luego: El enlace aún es inviable desde el punto de vista de la atenuación.

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Redes DWDM Introducimos amplificadores para llegar al margen solicitado. El cálculo se realiza por cada sección de regeneración. PT = Σ(pérdidas conectores) + Σ(pérdidas por empalmes) + αL + margen – GA Pérdida por conectores: 2.4 dB Pérdida en empalmes: 0.5 dB Pérdida en patch cords: 2 x 1.5 dB = 3 dB Atenuación de la fibra: (0.6 dB/Km) x (50 Km ) = 30 dB Reemplazando: 30 dB = 2.4 dB + 0.5 dB + (3dB + 30 dB) + 6dB - G GA = 11.9 dB Luego: El enlace es viable con un amplificador de 12 dB en cada sección de regeneración.

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Redes DWDM Solución final con un regenerador y 2 amplificadores (uno en cada sección de regeneración)

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Redes DWDM Aplicación para enlaces WDM Los cálculos previos tienen una aplicación directa en el diseño de enlaces WDM. Considerando un filtrado adecuado y una correcta asignación de frecuencias (como se vio en los capítulos anteriores) se puede extender los cálculos previos a cada lambda de un sistema WDM.

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Redes DWDM Ejemplo 4: Realizar una interconexión WDM a 100 Gbps considerando: • • •

• • • • •

Cuenta con equipos WDM unidireccionales, con transponders de 2.5G, 10G y 40G en modulación OOK-NRZ. El recorrido de fibra óptica es de 20 Km. Todos los transponders utilizan diodos láser que acoplan -2 dBm en tercera ventana. Sus tiempos de subida son de 0.03 ns y tienen ancho espectral de 0.5 nm para todas las tasas de bit. Todos los transponders poseen fotodiodos con sensibilidad de -20 dBm y tiempo de subida de 0.04 ns para todas las tasas de bits. Para la planta externa cuenta con fibras monomodo con Dc = -3 ps/(nm.Km) , DPMD = 0.4 ps.(Km)-(1/2) y α = 0.4 dB/Km (datos a tercera ventana). Se considera una pérdida total por empalmes de 2 dB en todos los casos. Pérdida total por conectores de 3 dB en todas las lambdas. Pérdida total por patch cords de 3 dB en todas las lambdas.

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Redes DWDM Ejemplo 4: Realizar una interconexión WDM a 100 Gbps considerando: (continúa de la diapositiva anterior) • Pérdida total en multiplexores de 3.5 dB en todas las lambdas. • Pérdida total en demultiplexores de 3.5 dB en todas las lambdas. • Margen de sistema de 8 dB • Considerar despreciable la dispersión en los patch cords. • No se considera sitios de regeneración, pero es posible añadir amplificadores que amplifiquen 15 dB en cada canal, tanto en la transmisión como en la recepción de la señal multiplexada. • Con los datos indicados, diseñe una solución WDM utilizando la menor cantidad posible de canales en previsión de futuras ampliaciones. El diseño debe indicar el número de canales WDM, su tasa de bit y los amplificadores a utilizar (de ser necesarios).

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Redes DWDM Red objetivo: Siendo DWDM unidireccional, consideramos uno de los sentidos, donde cada lambda puede ser de 40 Gbps, 10 Gbps, 2.5 Gbps.

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Redes DWDM Cálculo de dispersión tTX = 0.03 ns tmod = no aplica tCD = (DC)(Δλ)L = (-3)(0.5)(20) = -30 ps = -0.03 ns tPMD = (DPMD)(L)1/2 = (0.4)(20) 1/2 = 1.8 ps = 0.0018 ns tRX= 0.04 ns En la fórmula: 2 2 2 2 2 1/ 2



t sys  tTX  tmod  tCD  t PMD  t RX



Luego: tsys = 0.058 ns Sabemos que tsys = 0.058 ns . Ahora escojamos la tasa de bit que utilizaremos.

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Redes DWDM Cálculo de dispersión Si consideramos una tasa de 40 Gbps, el tiempo de bit es 0.025 ns Cada transpondedor posee un código NRZ, la condición por satisfacer es tsys < 0.7 (Tbit) = 0.0175 Luego, nuestro enlace es inviable para un canal de 40 Gbps. Si consideramos una tasa de 10 Gbps, el tiempo del bit es = 0.1 ns Cada transpondedor posee un código NRZ, la condición por satisfacer es tsys < 0.7 (Tbit) = 0.07 Luego, nuestro enlace sí es viable para canales de 10 Gbps. Finalmente, nuestro sistema funcionará con 10 canales DWDM de 10 Gbps.

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Redes DWDM Cálculo de atenuaciones. La pérdida total admitida será PT = PS – PR = -2 - (-20) = 18 dB. PT = Σ(pérdidas conectores) + Σ(pérdidas en Mux/Demux) +Σ(pérdidas por empalmes) + Σ (pérdidas en fibras) + margen Pérdida por conectores: 3 dB Pérdida en patch cords: 3 dB Pérdida en multiplexor: 3.5 dB Pérdida en demultiplexor: 3.5 dB Pérdida en empalmes: 2 dB Atenuación de la fibra: (0.4 dB/Km) x (20 Km ) = 8 dB 18 dB = 3 dB + (3.5dB + 3.5dB) + 2 dB + (3dB + 8 dB) + margen De donde se obtiene que: Margen = -5 dB. Hace falta amplificadores.

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Redes DWDM Cálculo de atenuaciones. Introducimos en la fórmula la ganancia necesaria del amplificador 18 dB = 3 dB + (3.5dB + 3.5dB) + 2 dB + (3dB + 8 dB) + 8dB - GA Despejando: GA = 13 dB Como disponemos de amplificadores de 15 dB, con un amplificador es suficiente. Se puede calcular el nuevo margen de sistema, que estará en 10 dB

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Redes DWDM Respuesta final: El sistema funcionará con 10 canales de 10 Gbps y con un amplificador de 15 dB.

Canal 1 Canal 2

Canal 10

Tx l1

Tx l2

M U X

D E M U X

AO

Tx ln

l1

ln

Señales multiplexadas

l

Rx 1

Canal 1

Rx 2

Canal 2

Rx n

Canal 10

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¡MUCHAS GRACIAS por su atención!

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