Convergencia de sistemas de comunicación ópticos e inalámbricos
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Convergencia de sistemas de comunicación ópticos e inalámbricos. Los usuarios de servicios tele-informáticos están demandando acceso instantáneo y confiable en cualquier tiempo y lugar. Los sistemas de convergencia óptico-inalámbrica (híbridos ópticoinalámbricos) ofrecen una solución a éstas demandas combinando lo mejor de ambas tecnologías, como la movilidad y flexibilidad de la tecnología inalámbrica, con el mayor ancho de banda, seguridad y bajo consumo de energía de los sistemas basados en fibra óptica.
Sumario
Introducción
Los sistemas de comunicación por fibra óptica están desde los años 70-80 bien establecidos para las conexiones transoceánicas, de larga distancia y en redes regionales y metropolitanas. En los últimos años la demanda de ancho de banda y la
introducción de servicios como telefonía sobre el protocolo omnipresentes cuando se trata de dar acceso directo a servicios tales como telefonía móvil, Internet inalámbrica, acceso fijo inalámbrico (redes WIFI) y más recientemente sistemas inalámbricos fijos y móviles basados en WiMaX. Los requisitos de los servicios de banda ancha y las demandas de los usuarios comprenden gran capacidad, flexibilidad, movilidad, acceso en todo momento, y lugar, a un coste accesible. Ni las redes inalámbricas ni las fijas de fibra óptica pueden satisfacer independientemente este conjunto completo de requisitos. Por ello, la convergencia de sistemas ópticos e inalámbricos ofrece una solución que combina lo mejor de cada una de estas tecnologías. En particular, el gran ancho de banda, seguridad y bajo consumo de energía es ofrecido por las redes de fibras ópticas, siendo la flexibilidad y movilidad ofrecida por las redes inalámbricas, que sirven como el último enlace con el usuario final. En este artículo, presentamos una descripción de las tecnologías ópticas que están jugando un papel importante en el desarrollo de los sistemas convergentes ópticos e inalámbricos en comunicaciones. Así mismo, presentamos ejemplos de los resultados de investigación de nuestro grupo en DTU Fotonik, enfocados hacia la integración de señales tanto para servicios fijos como inalámbrico sobre una misma red de acceso, para así maximizar la utilización de la infraestructura óptica presente actualmente.
Redes ópticas pasivas de acceso
(POM)
Las redes de acceso ópticas extienden el alcance de la fibra óptica hasta las premisas del usurario final. Existen varias configuraciones y arquitecturas donde la fibra llega hasta el hogar (FTTH), al edificio o a la acera de las calles; como se presenta
en la Fig. 1. En todas estas configuraciones podemos clasificar la red en sus componentes principales: la unida óptica del hogar (ONU), el quipo de la oficina central (OC), la fibra de distribución y el punto (pasivo) de distribución de señales. Actualmente, los sistemas mas dominantes en el mercado son los basados en los estándar GPON y EPON, ofreciendo una cobertura de 20
Km. a entre 34 y 64 usuarios con una tasa de datos individual de hasta 100 Mbit/s, dependiendo del numero de usuarios que comparten la red FTTH .
Redes de acceso pasivas por longitud
de onda (WDM –PON)
Futuras aplicaciones y servicios como HDTV a lacarta, televisión interactiva, servicios de telemedicina etc. representan un desafío para las redes actuales GPON y EPON. En particular, actualizar la capacidad de una red pasiva de FTTH (PON) implica actualizar todos los equipos ONU en la red, debido a que las señales que estos reciben es la misma para todo los usuarios conectados a la red. Con el uso de protocolos especiales, como de acceso por multiplexación de tiempo, cada usuario puede seleccionar la parte de la información que es destinado para el. Una tecnología alternativa es la multiplexación por longitud de onda (WDM). Estas
redes usan una longitud de onda dedicada para conectar cada ONU con la oficina central. De esta manera se eliminan las limitaciones de capacidad, con la posibilidad de emplear tasas de datos de 1 a 10 Gbit/s por cada longitud de onda. La actualización de la tasa de datos para un usuario en una red WDM se puede realizar sin necesidad de actualizar los demás equipos ONU de los otros usuarios. Sin embargo, los componentes ópticos para implementar una red WDM son más
complejos y costosos. Por lo tanto, la reducción de costes es uno de los retos actuales a vencer para realizar el potencial ofrecido por estas redes. Los componentes claves para estas redes son, multiplexores WDM con estabilidad térmica, preferiblemente pasiva, y fuentes WDM tanto para los transmisores en la oficina central como en las unidades ONU del usuario. Los láseres con longitud de onda sintonizable pueden jugar un papel muy importante en la realización de redes WDM de acceso. Si son usados en las unidades ONU ofrecen gran flexibilidad en la asignación de recursos. Del mismo modo al ser usados en la oficina central
ofrecen además de flexibilidad una asignación de de longitud de onda dinámicos. Además, una sola unidad puede ser usada en toda la red simplificando tanto la instalación y reemplazo de unidades defectuosas, como el inventario de los operadores
de la red.
Transmisión analógica de señales
inalámbricas (radio-sobre-fibra)
Los sistemas de transmisión de señales de radiosobre fibra (ROF) fueron inicialmente diseñados para transportar señales de las redes inalámbricas, ya que aportan ventajas al centralizar las funciones de procesado de las señales en un mismo emplazamiento, así como repartir los servicios de la red a los usuarios mediante antenas remotas (RAU). Estas antenas están conectadas mediante una red óptica de alta velocidad, que transporta las señales de radiofrecuencia (RF) de forma transparente (enlace de transmisión analógico) entre la oficina central y las RAU (ver Fig. 3). Las señales del canal de bajada (downlink) son enviadas al entorno inalámbrico donde está el usuario y las de subida (uplink) son reflejadas y transmitidas a través de la red óptica de acceso. La evolución de los sistemas ROF viene dada por la implementación de sistemas con dispositivos menos complejos para disminuir la potencia empleada en las estaciones bases y la utilización de antenas pasivas remotas . Estos sistemas realizan la transmisión óptica de modo analógico, en el que la señal RF modula directamente la intensidad de la señal óptica y el fotodetector en la RAU está acoplado directamente a la antena emisora. El diseño de estos sistemas debe ser realizado con precisión, debido a los problemas de desvanecimiento de la señal RF debido a la dispersión cromática o interferencias . Una alternativa a estos sistemas es bajar la señal RF a una frecuencia menor y luego transmitirlo por la fibra, para disminuir las limitaciones de transmitir
señales a alta frecuencia. Para ello se utiliza sincronización heterodina y selección en frecuencia, aunque también es posible la demodulación RF sin oscilador local, como se demostró en . Este método explota las ventajas de detección por envolvente para eliminar las componentes inalámbricas de la señal RF y transmitirla en banda base. De esta forma, la recepción de la señal sufre
menor degradación y la complejidad de la RAU se reduce. Los efectos de disminución de la potencia RF y dispersión de la señal durante su propagación en la fibra óptica son críticos en enlaces RoF que utilizan la modulación de intensidad (IM) de la
fuente de luz láser . Los sistemas que usan modulación de fase óptica, explicados a continuación, ofrecen mejores prestaciones con respecto al efecto de desvanecimiento de potencia y son más robustos en transmisión sobre fibra.
Recepción coherente para sistemas
RoF con modulación de fase óptica
Los enlaces de RoF están empleando recientemente modulación de fase en la portadora óptica , con la ventaja de que la modulación de señales inalámbricas de alta frecuencia sobre la portadora óptica es inherentemente lineal para las moduladores de fase usadas convencionalmente. Así, la modulación de fase no tiene limitaciones fundamentales en el rango dinámico, además de
mejorar la figura de ruido y la tolerancia de potencia de las señales de entrada. La frecuencia de operación de los moduladores de fase tiene la ventaja de ser muy alta, pudiendo llegar hasta los 100 GHz. Para mantener las ventajas de estos sistemas se hace imprescindible la implementación de receptores lineales coherentes de alta frecuencia. Los últimos avances en diseño de circuitos
electrónicos integrados y procesamiento digital de señales (DSP) han permitido que se retome la idea de los receptores ópticos coherentes. En nuestro grupo en DTU Fotonik hemos desarrollado un nuevo receptor coherente, basado en procesamiento
digital de señales para enlaces ópticos, empleando modulación en fase de la portadora óptica para transportar la señal de radio . El esquema se muestra en la Fig. 4. Las señales detectadas por los fotodetectores son digitalizadas a una frecuencia de
40 Giga-muestras por segundo, usado un osciloscopio de tiempo real de gran ancho de banda. El receptor propuesto usa un lazo de seguimiento de fase digital (DPLL) para compensar la diferencia de fase y frecuencia entre el láser transmisor y el receptor. Luego se realiza una demodulación lineal de la fase codificada de la señal RF, a través de la relación Im[ln(×)], para finalmente realizar la recuperación de portadora (RF) basado en el método de máxima verosimilitud (MLCPE), que no presenta realimentación. Una ventaja de los receptores digitales coherentes es que pueden actuar como filtro de banda muy estrecha para ser utilizados en sistemas de multiplexación por división en la longitud de onda (WDM). Una combinación de WDM y modulación en fase, pueden por lo tanto proporcionar una gran capacidad de sistemas lineales RF. Hemos demostrado satisfactoriamente la demodulación de 3x50 Mb/s BPSK WDM de señal RF modulada en fase (5 GHz de portadora) sobre 25 kilómetros de fibra monomodo (SMF), usando detección digital coherente. Así mismo demostramos la demodulación de la señal y recuperación de los datos para canales WDM espaciados a 25 GHz y 12.5 GHz. Este fue el primer experimento de transmisión WDM de enlaces RoF modulados en fase, con recepción coherente y procesado digital para detección y demultiplexación óptica, simultáneamente.
En nuestro grupo en DTU Fotonik seguimos desarrollando mejoras para este tipo de sistemas, para que puedan transportar mayor velocidad de datos y modulaciones más complejas, así como demoduladores más eficientes, de cara a una posible implementación en circuitos integrados.puentes óptico-inalámbricos que pueden ser utilizados como canales de comunicación en casos de protección de la red por fallo, como enlaces alternativos en caso de desastre natural o como extensión de la red cableada normal. Ejemplos de algunos escenarios posibles están representados en la Fig. 6, en la que se muestra la recuperación de una interrupción del enlace, Fig. 6a, debido a un fallo de la infraestructura óptica. La Fig. 6b muestra otra aplicación denominada “broadband last mile”, en el cual se ha de dar acceso a un grupo de usuarios separado de la red metropolitana, al que es impráctico llegar con la fibra óptica. En este caso se puede dar acceso inalámbrico desde la terminación óptica remota (OLT) y la estación central, volviendo luego la conexión entre los usuarios y la OLT por medios ópticos. Para este caso es necesario que la OLT sea capaz de procesar señales tanto inalámbricas como ópticas, además de gran potencia de procesamiento y bajo coste. En nuestro grupo de investigación en Fotonik DTU, hemos propuesto un detector por envolvente óptico , que permite demodular la
señal de radiofrecuencia (RF) inalámbrica, demostrando su funcionamiento para una señal ASK RF a 40 GHz modulada a 1.25 Gb/s .
Enlace externo
Fuentes
- L. G. Kazovsky, Wei-Tao Shaw, D. Gutierrez, N. Cheng, and Shing-Wa Wong, “Next-generation optical
access networks”, J. Lightwave Technol. 25, 3428-3442 (2007).
- A. Cooper, “`Fibre/radio' for the provision of cordless/mobile telephony services in the access network”,
Electron. Lett., 26, 2054-2056 (1990).
- T. Kuri, K. Kitayama, Y. Takahashi, “60-ghz-band full-duplex radio-on-fiber system using two-rf-port
electroabsorption transceiver”, IEEE Photonic Tech. L. 12, 419–421 (2000).
