¿Por qué OTDM y TDM-PON son tan atractivos?

Durante las últimas décadas, con la creciente demanda de ancho de banda y alta velocidad, las tecnologías de comunicación óptica han experimentado un rápido crecimiento y alcanzado un rendimiento significativo. Sin embargo, debido a la atenuación, dispersión y no linealidad de la fibra, la capacidad de transmisión alcanzable con los sistemas de comunicación de fibra óptica convencionales aún es limitada. La Multiplexación por División de Longitud de Onda (WDM) y la Multiplexación por División de Tiempo Óptica (OTDM) son las tecnologías que pueden aumentar la capacidad de transmisión de la fibra óptica en la actualidad. Sin embargo, la WDM presenta algunas deficiencias, como la aparición de no linealidades en la fibra o el espectro de ganancia desigual de los amplificadores. La OTDM puede superar estas deficiencias gracias a sus características mucho más atractivas. Se considera una tecnología de red a largo plazo y se encuentra en constante desarrollo. Hoy, el blog de Fiber-Mart presentará los conceptos básicos de OTDM y sus diferencias con la WDM. Además, se presenta la TDM-PON y sus diferencias con la WDM-PON, así como la WDM/TDM-PON.

OTDM, abreviatura de multiplexación por división de tiempo óptica, es una tecnología de multiplexación de canales que multiplexa señales en diferentes intervalos de bits en el dominio del tiempo. En otras palabras, resulta práctico combinar un conjunto de flujos de baja tasa de bits, cada uno con una tasa de bits fija y predefinida, en un único flujo de bits de alta velocidad que puede transmitirse por un solo canal. A diferencia de WDM, OTDM solo utiliza una longitud de onda; intuitivamente, solo un "color" de luz en una fibra. OTDM proporciona al usuario la capacidad total del canal, pero divide su uso en intervalos de tiempo. Quizás aún le confunda OTDM con esta descripción aburrida. Aquí tiene un ejemplo sencillo para ayudarle a comprender OTDM intuitivamente. Supongamos que un canal puede transmitir 192 kbit/s de Los Ángeles a Nueva York. Y hay tres fuentes, todas ubicadas en Los Ángeles. Por lo tanto, cada una tiene 64 kbit/s de datos que desea transmitir a usuarios individuales en Nueva York. Como se muestra en la Figura 1, el canal de alta velocidad de bits puede dividirse en una serie de intervalos de tiempo, que pueden ser utilizados alternativamente por las tres fuentes. De este modo, las tres fuentes pueden transmitir todos sus datos a través de un único canal compartido. Claramente, en el otro extremo del canal (en este caso, Nueva York), el proceso debe invertirse. El sistema debe dividir el flujo de datos multiplexado de 192 kbit/s en los tres flujos de datos originales de 64 kbit/s, que luego se proporcionan a tres usuarios diferentes. Este proceso inverso se denomina demultiplexación. OTDM aprovecha al máximo estas ventajas en el dominio óptico y es otra técnica importante para la construcción de redes fotónicas, además del desarrollo del procesamiento de señales de alta velocidad.

Principio de funcionamiento del OTDM

Tal como se define, el principio básico de funcionamiento del OTDM consiste en multiplexar varios canales ópticos de baja tasa de bits en el dominio del tiempo. El sistema OTDM en su conjunto se compone de tres grandes bloques: el bloque transmisor, el sistema de línea y el bloque receptor. El bloque transmisor consta de fuentes láser, moduladores, sistemas de alineación de canales y un multiplexor. El sistema de línea contiene amplificadores ópticos y fibras de transmisión. El bloque receptor está compuesto por un circuito de extracción de sincronización/temporización y demultiplexación de canales.

La asignación de canales mediante multiplexación por división de tiempo depende de la velocidad fundamental de datos eléctricos y del ancho de pulso óptico. Con un reloj eléctrico fijo, es necesario acortar el ancho de pulso óptico para multiplexar más canales dentro del período de reloj. Además, este acortamiento del ancho de pulso puede ayudar a reducir la diafonía entre canales gracias al mayor espacio disponible en la ranura de bits. Sin embargo, los pulsos ópticos cortos sufren una importante penalización por dispersión a medida que aumenta la distancia de viaje. Pero no se preocupe: el uso de pulsos limitados por transformada y la técnica de compensación de la pendiente de dispersión pueden reducir el efecto de dispersión en OTDM.

Además, un control preciso de la alineación del canal es crucial a medida que aumenta la velocidad de transmisión, ya que se multiplexan más canales en un período de reloj fijo. Cualquier desalineación puede afectar el rendimiento del sistema OTDM debido a la diafonía y la dispersión. La técnica de conmutación electroóptica o la técnica de conmutación totalmente óptica permite la demultiplexación en el receptor. La técnica electroóptica es ideal para velocidades de transmisión inferiores a 40 Gb/s. Es más difícil de lograr para velocidades superiores a 40 Gb/s debido a la restricción de la potencia del variador. La conmutación totalmente óptica se basa en el efecto no lineal de tercer orden de la fibra óptica. Es muy adecuada para transmisiones de velocidad ultrarrápida porque la respuesta no lineal está en el rango fs. También permite la adición o eliminación de uno o varios canales, lo cual es una característica excelente para el funcionamiento de la red. Sin embargo, la conmutación totalmente óptica es muy voluminosa y costosa de fabricar. Una demultiplexación exitosa solo se puede lograr con una extracción de tiempo precisa. La fluctuación de tiempo del circuito de extracción puede afectar directamente el rendimiento de la tasa de error de bits (BER) del sistema OTDM.

Características atractivas de OTDM

Para satisfacer la creciente demanda de transmisión de información, las redes totalmente ópticas serán la tendencia del futuro. Algunas características atractivas de OTDM la convierten en una tecnología de red totalmente óptica del futuro:

OTDM frente a WDM

Mira la imagen (Figura 2.) a continuación. Puedes encontrar que OTDM es similar a WDM si simplemente escaneas esta imagen rápidamente. Porque hay muchos canales tanto en OTDM como en WDM. De hecho, no son lo mismo. Para OTDM, en una sola fibra, solo hay una longitud de onda, y también llamada un ancho de banda. Los canales se llaman ranuras de tiempo, ya que se dividen de acuerdo con el dominio del tiempo. Las señales se multiplexan en diferentes ranuras de bits. Mientras que, en WDM, los canales se llaman longitudes de onda y hay múltiples longitudes de onda en una fibra individual. Pasa a la Figura 3., obviamente encontrarás estas diferencias entre la transmisión OTDM y la transmisión WDM. En OTDM, la longitud de onda de la señal (color rojo) se transmite durante todo el proceso, mientras que en WDM, hay varias longitudes de onda (varios colores) y cada longitud de onda se divide en canales separados.

Figura 2. Eje OTDM y WDM

Figura 3. Principio de funcionamiento de OTDM vs WDM

T DM-PON frente a WDM-PON

Tanto la tecnología OTDM como la tecnología WDM se utilizan en redes ópticas pasivas (PON), denominadas respectivamente TDM-PON y WDM-PON. La TDM-PON (Figura 4) divide la potencia óptica a través del divisor 1xN, para el cual N es relativamente pequeño, al igual que el número de suscriptores y la velocidad de datos entregable a cada usuario final. Por el contrario, la WDM-PON, con relativamente pocos canales, entrega tráfico a tantas Unidades de Red Óptica (ONU) como canales, pero a una alta velocidad de datos para cada una. Dado que el medio es compartido por todos los usuarios finales, el ancho de banda disponible y los recursos de red se aprovechan mejor en TDM-PON que en WDM-PON, por lo que la TDM-PON es más eficiente. Por otro lado, la TDM-PON se basa en un número fijo de intervalos de tiempo bien sincronizados. Por lo tanto, la TDM-PON no es fácilmente escalable. Por el contrario, la WDM-PON solo está limitada por el número de longitudes de onda disponibles en la red.

Debido a su naturaleza de transmisión, TDM-PON permite a actores maliciosos "escuchar" las franjas horarias de otras ONU. Por lo tanto, TDM-PON es menos seguro. WDM-PON no transmite datos, por lo que es mejor que TDM-PON. Sin embargo, un intruso también puede extraer datos de una ONU individual mediante acceso no autorizado o interceptando su entrada o salida. En definitiva, la seguridad es un problema que debe examinarse seriamente mediante el cifrado de datos y la protección del enlace de fibra.

En conclusión, TDM-PON y WDM-PON presentan ventajas y desventajas complementarias. Las ventajas de la primera son desventajas de la segunda y viceversa. Por lo tanto, combinar las tecnologías TDM y WDM en PON (WDM/TDM-PON) resulta muy útil, ya que permite que múltiples usuarios compartan la capacidad de una longitud de onda WDM. Con algunas excepciones, la capacidad de una longitud de onda supera las necesidades de tráfico de un usuario individual. WDM/TDM-PON presenta varias características:

Figura 4. TDM-PON

Conclusión

La tecnología WDM se ha utilizado ampliamente en las redes actuales, ya que es la tecnología de transmisión óptica madura y práctica para la transmisión de gran capacidad. Gracias a sus ventajas de transparencia, reconfigurabilidad y capacidad de supervivencia de la red, la WDM se desarrollará hacia redes ópticas flexibles basadas en la conmutación y el enrutamiento de longitudes de onda ópticas. Gracias a sus características de restauración y reconstrucción de capacidad más rápidas, la WDM será la principal orientación de las futuras redes de transporte óptico. Sin embargo, existen algunas limitaciones inevitables de la WDM. Por lo tanto, se necesita la tecnología TDM en la transmisión óptica, denominada OTDM, debido a sus características mucho más atractivas. OTDM es un método muy eficaz de multiplexación óptica. Permite aprovechar al máximo el espectro disponible y eliminar algunas restricciones de los efectos no lineales en los sistemas WDM. Sin embargo, si bien hemos avanzado considerablemente en la investigación de OTDM en los últimos años, aún no está lo suficientemente desarrollada, ya que algunas tecnologías clave aún están por resolver. De hecho, creemos que, con la profundización de la investigación, las tecnologías WDM y OTDM se combinarán para complementarse y se utilizarán ampliamente en las futuras redes de transmisión de ultraalta velocidad.