El documento presenta una introducción sobre las tecnologías DWDM de 100G y 400G. Explica que estas tecnologías permiten aumentar la capacidad de las redes de transporte ópticas existentes sin necesidad de construir nueva infraestructura de fibra óptica, lo que representa menores costos para los operadores. También describe los estándares involucrados como ITU-T G.709, G.694.1 e IEEE 802.3ba, los cuales definen parámetros como tasas de transmisión, estructura de tramas y espectro óptico

1. Tecnología DWDM de 100G/400G
José Ignacio Quintero, Ing.
Universidad Simón Bolívar
Jquintero1@gmail.com
I.Introducción
El continúo crecimiento del tráfico en Internet, potenciado por la aparición de terminales
inteligentes que catalizan dicho crecimiento; así como los nuevos patrones de uso de la red como lo
es el video; está liderando los perfiles de trafico de la red, colapsando muchas de las redes de
transporte de los operadores de telecomunicaciones. Muchos de esos operadores cuentan con
infraestructuras de transporte basadas en tecnología DWDM con lambdas de 10G, dichas redes ya
tiene un elevado uso de la grilla óptica, en muchos casos superior a 75 % de ocupación del
espectro óptico. Por lo que les será muy complicado poder adaptarse a la tendencia del crecimiento
con la infraestructura actual.
El objeto de este documento es el de presentar un resumen sobre las tecnologías DWDM 100G y
400G. El mismo estará compuesto por 4 capítulos: el primer capítulo, donde se expone la
justificación de esta tecnología. El segundo capítulo presenta la situación actual del proceso de
estandarización de las dos tecnologías. En el tercer capítulo se hará una descripción de las técnicas
de telecomunicaciones empleadas en las tecnologías en estudio. Por último se presentarán los
equipos y sistemas que usan las tecnologías DWDM de 100G, 400G y las aplicaciones y servicios
que son prestadas sobre éstas.
II.Planteamiento del problema
Las redes ópticas de transporte están sufriendo transformaciones forzadas por la demanda de los
usuarios, por nuevos servicios y aplicaciones; el incremento del tráfico de Video y las redes
sociales también han impulsado esas transformaciones.
EL crecimiento en la penetración de Internet, el aumento de los terminales inteligentes y las
tabletas, están cada vez exigiendo más capacidad de las redes de acceso y en consecuencia de las
redes de transporte. De igual manera la tendencia al mayor uso de la red para visualizar video, ya
sea por demanda o servicios de televisión no lineal están sirviendo de catalizador y empuje para
que se requieran mayores capacidades. Hoy el video se está convirtiendo en el protagonista de
Internet, ya que es el más atractivo para los usuarios, además que su efecto a nivel de la captación
del mensaje es mucho más efectivo. Este tráfico de video es y será el tipo de tráfico que forzará a
los operadores a actualizar sus redes y aumentar sus capacidades, de manera tal, que la calidad de
experiencia de los usuarios de la red sea satisfactorio.
Los operadores se ven obligados a incrementar sus capacidades de transporte a velocidades
mayores, para ello usan sistemas ópticos DWDM, con varias longitudes de onda y capacidades de
10 Gbps. por longitud de onda en un par de fibras ópticas; para poder seguir manteniendo el uso
de la planta de fibra óptica instalada. Sin embargo ya las redes actuales están cerca de su máxima
ocupación del espectro óptico, por lo que incrementar capacidades adicionales de 10 Gbps. no va a
satisfacer la demanda. Por ello los operadores se ven en la necesidad de plantearse la pregunta de
desarrollar planta de fibra nueva o evolucionar a una nueva tecnología. La opción de construir red
de fibras ópticas nueva para aumentar los hilos y en consecuencia aumentar así la capacidad
representa inversiones muy altas, debido al impacto muy fuerte de los costos de obras civiles
asociados a la instalación y enterrado de nuevos cables en cientos de kilómetros.
Aquí radica la evolución tecnológica de 100 G/400G G, la cual permite el uso de la planta de fibra
óptica actual, y evita en muchos casos la utilización de compensadores de dispersión cromática y
1

2. de polarización; permitiéndole al operador minimizar el costo por megabit y maximizar su
infraestructura de transporte óptica.
Gracias a la detección coherente, y avanzados métodos de codificación y modulación se pueden
lograr velocidades de transmisión de 100G /400 Gbps. por longitud de onda, y con menos
requerimientos técnicos sobre la fibra óptica actual. Con la ventaja de que la tecnología ya está
disponible desde el punto de vista comercial, pudiéndose implementar en el corto plazo.
Actualmente con las tecnologías de 10Gbps por longitud de onda, teóricamente se pudiera
transportar 88 Lambdas, con un total de capacidad de 880 Gbps. Sin embargo debido a los efectos
no lineales de la F.O.; en muchos casos solo se pueden transmitir entre 30 a 40 lambdas, lo que
reduce la capacidad del enlace de 300Gbps a 400 Gbps. Con la nueva tecnología se pueden
multiplexar hasta 88 lambdas de 100Gbps, para un total de 8,8 terabits/seg, o 44 lambdas de 400
Gbps. para un total de 17 Terabits/seg de capacidad en la misma fibra óptica, esto representa una
capacidad de crecimiento que es superior al sistema actual.
III.Estándares y Órganos de Estandarización involucrados
A continuación se describirán de manera muy resumida los 4 estándares para redes ópticas de
100G y 400g, así como los estándares funcionales básicos que sustentan dichas tecnologías. El
primer estándar (ITU-T) G.872 relacionado a la arquitectura de red Óptica (OTN), sobre el que se
fundamental los otros tres estándares; el segundo estándar es el que define la ocupación del
espectro óptico por los canales o longitudes de onda que se multiplexarán, para ser transmitidas
sobre el hilo de fibra óptica (ITU-T G. G.694.1). El tercer estándar define las estructuras de las
nuevas interfaces y capas para las redes ópticas de transporte OTN (ITU-T G.709). El último
estándar define las especificaciones de Interfaz y velocidad de líneas, así como la conformación de
canales para las tasas de transmisión de 100Gbps y 400Gbps para interfaces Ethernet (IEEE
802.3ba).
A.
Recomendación G.872 Arquitecturas para redes Ópticas (OTN)
Hay un número importante de estándares del ITU-T, que caen bajo la definición de OTN (Optical
Transport Network). El estándar G.872, define la arquitectura de la red óptica de transporte (OTN)
y es donde se define la implementación del nivel de canal óptico (OCh), la sección de
multiplexación óptica (OMS) y la sección de transmisión óptica (OTS).
Según el ITU-T G.872, se definen dos clases de interfaces: interfaces inter-dominio (IrDI) y la
interfaz intra-dominio (IaDI) con el objeto de garantizar la interoperabilidad y compatibilidad entre
operadores y entre redes dentro de un mismo operador
La interfaz inter- dominio (IrDI), fue definida con la función de procesamiento 3R, cuyo objeto es el
de garantizar la interoperabilidad y compatibilidad entre operadores y entre diferentes fabricantes.
La interfaz intra-dominio (IaDI), fue definido con el objeto de garantizar compatibilidad entre redes
dentro del dominio de un operador, lo que también puede interpretarse como compatibilidad entre
equipos de diferentes fabricantes (ver figura 1)
Fuente: ITU-T OTN tutorial
Figura 1: Clases de Interface para redes OTN.
2

3. B.
Recommendación G.694.1 Spectral Grid for DWDM Applications (espectro de la
grilla para aplicaciones DWDM)
El ITU-T en su recomendación G.694.1, definió la estructura de la grilla de espectro óptico para el
uso de aplicaciones basadas en multiplezaje por división de longitud de onda densa (DWDM). En su
primera definición del estándar solo contemplaba el uso de la grilla Fija, sin embargo con el
advenimiento de los sistemas de 400G y superiores, la ITU-T, publicó una actualización de la norma
en Febrero del 2012, la cual concibe la posibilidad de aplicaciones DWDM de uso de grilla flexible.
Lo que supone la posibilidad de usar tamaños de ranuras de la grilla desde los 12,5 GHz hasta 100
GHz de ancho.
Dado el espaciado del canal en GHz y el centro de frecuencia en Thz, se tendrá la distribución de
canales de la siguiente forma, con n enteros positivos u negativos incluyendo el 0:
Separación
Separación
Separación
Separación
12,5
25
50
100
GHz:
GHz:
GHz:
GHz:
193,1 THz + n * 0,0125
193,1 THz + n * 0,025
193,1 THz + n * 0,050
193,1 THz + n * 0,1
En otras palabras para una separación de 50GHz, se puede obtener en la banda C, un total de 88
canales; si la separación es 100 GHz, se puede obtener 44 canales; si la separación es de 25 GHz,
se puede obtener 176 canales y si la separación es de 12,5 GHz se puede obtener 352 canales. En
la figura 2 se muestra una distribución de grilla fija y en la figura 3 una distribución de grilla
flexible.
Fuente: ITU-T G.694.1
Figura 2: Distribución de grilla fija de canales de 50Hz
Fuente: ITU-T G.694.1
Figura 3: Distribución de grilla flexible canales de 50 y 75 GHz
C.
Recomendación G.709 -Hierarchy Optical Transport Network (Jerarquía de red
de transporte óptico)
La recomendación ITU-T G.709, define los requerimientos de interfaces de la red óptica de
transporte (OTN) y define los estándares para el transporte transparente de servicios sobre
longitudes de onda en sistemas DWDM; la cual es considerada como jerarquía óptica de transporte
(OTH). Del mismo modo se definen la estructura de trama, las tasas de transmisión y los formatos
de conexión de tráfico de clientes.
La estructura de trama definida por el estándar G.709 está definida por 3 áreas:
3

4. .- OPUk es el área definida para la carga útil (Payload).
.- ODUk contiene el OPUk con Bytes de overhead adicionales.
.- OTUk es la sección de entramado.
El sistema DWDM basado en redes ópticas está conformado por canales que contienen las señales
digitales de cliente, este se denomina OTN OTUk. El OTN OTUk es la señal digital de la longitud de
onda, adicionalmente incluye el overhead del OTUk para el canal óptico del canal de unidad de
datos (ODU, optical data unit) en el nivel K determinado (ODUk) y el bloque para detección y
chequeo de errores (FEC).
La trama OTUk consiste de 4 filas de 4080 Bytes, independientemente del nivel de K. Cada ODUk
contiene una unidad de carga útil de canal óptico (Optical Channel Payload unit) (OPUk), el cual
lleva uno o más ODUks (ver figura 4).
Och Overhead
Och Payload
FEC Area
COLUMN
1
R
O
W
14 15 16 17
OTU Overhead
2
3
4
ODU Overhead
OPU Overhead
1
Frame Align Overhead
3824 3825
OPU
(Payload)
4080
FEC
Fuente: ITU-T G.694.1
Figura 4: Estructura de trama OTN
El numero K define la tasa de transmisión; 1 significa 2.5 Gbps, 2 Significa 10.7 Gbps, 3 Significa 43
Gbps, 4 significa 111,81 Gbps, y 5 puede ser 449.219 Gbps. La tabla 1 muestra las tasa de
transmisión para cada una de las jerarquías OTN.
Fuente: OFC/NFOEC Technical Digest © 2012
Tabla 1: Estructura de trama OTN
4

5. Para todos los casos de las capacidades de OTU1 hasta OUT 4, son tasas de transmisión que serán
conducidas sobre una sola longitud de onda.
D.
IEEE 802.3ba Task force 2010
El estándar IEEE 802.3ba, define los parámetros de control de medio de acceso (MAC), la capa
física y parámetros de gestión para la operación de sistemas de 40 Gbps y 100Gbps. A diferencia
del estándar ITU-T G.709, en el cual se transporta los 40 Gbps, 100 Gbps en un solo canal del
espectro óptico (Sistema Serial), para el estándar IEEE 802.3ba el flujo de 40 Gbps y 100Gbps se
transporta de forma paralela, y dependiendo de la distancia, esta se puede transmitir en varios
medios físicos separados o multiplexado en uno solo (ejemplo fibra óptica).
En Junio del 2010, el task force del IEEE 802.3ba liberó el estándar para 40 Gbps y 100 Gbps, lo
que se denomina como 40 GE y 100GE, para diferenciarlo del 40G y 100G del ITU-T G.709. Aunque
los dos organismos trabajaron al inicio de forma separada, posteriormente se realizaron trabajos
en conjunto, de tal manera que las capacidades de 40 GE y 100 GE, pudieran ser consideradas
como interfaces y tasas de transmisión admitidas en la arquitectura OTN, como validas como
interfaces de cliente. Es así que del trabajo conjunto dio su resultado en el 2010, donde primero se
libero el estándar IEEE 802.3ab en Junio del 2010, y posteriormente el grupo de trabajo SG15
liberó el estándar G.709 para velocidades de 40 G y 100G. La figura 5 muestra como se trabajó en
el tiempo, el estándar en paralelo del IEEE 802.3ba y el ITU SG15 G.709.
2007
Q1
Q2
Q3
Q4
IEEE 802.3ba
40GE/100GE
Aprobado
2008
Q1
Q2
Q3
Q4
IEEE 802.3ba
D1.0
TF Borrador
100G Project
Arranque
Q3
Q4
2010Q2
Q1
Q3
Q4
IEEE 802.3ba
IEEE 802.3ba IEEE 802.3ba
D2.0
D3.0
40GE/100GE
802.3WG Ballot LMSC Ballot
Standard
G.709 Amd3
Consenso
OTU4
Definición
ODU4
Propuesta
2009Q2
Q1
IA Borrador
G.709 New
Version
Consenso
IA to Straw
Ballot
ITU-T SG15
OTU-4
standard
Project
Completado
IA to
Principal
Ballot
Fuente: Alcatel-Lucent 100Gbs status
Figura 5: tiempo de estandarización para 40 Gbps y 100 Gbps
Dependiendo de la distancia y del tipo de conexión el estándar IEEE 802.3ba considera para cortas
distancias menores a 100 Metros la conexión entre los puerto de 40GE y 100GE la utilización de 4 o
10 pares de hilos independientes para transmitir el total de 40 Gbps y 100Gbps (Sistema Paralelo
Físico), para distancias de 10 Km y 40 Km, se emplea la técnica de multiplicación WDM de 4 o 10
Lambdas respectivamente, cada una transportando 10G, para un total de tasa de transmisión de 40
Gbps o 100 Gbps. La tabla 2 muestra la denominación de las interfaces de 40GE y 100GE,
dependiendo de la distancia y el número de líneas o canales. Ejemplo 100GBASE LR4, 100 Gbps, 10
Km distancia máxima, 4 lambdas de 25 Gbps.
5

6. Medio
Canales/líneas
Esquema de
codificación
Cobre
F.O
40 G = 40 Gb/s
K = Backplane
S = Short Reach (100 m)
100 G = 100 Gb/s
C= Cable
Assembly/Cupp
er
L = Long Reach (10 km)
Tasa de Tx
Cobre
óptico
R = 64B/66B
Block Coding
N = 4 or 10
n = número de
canales o longitudes
de onda
E = Extended Long Reach
(40 km)
40 G Coax
C
R
4
40G SMF 10km
L
R
4
100G SMF 10km
L
R
4
100G SMF 40Km
E
R
4
100G SMF 10 Km
L
R
10
*
Tabla 2: Denominación de las interfaces de 40GE y 100GE
(*) 10 Líneas de 10G no es un valor estandarizado por IEEE 802.3 ba, pero es usado como
estándar de facto por multi-source agreement (MSA)
Los tipos de interfaz o puerto físico, son el CFP para 100GE y el QSFP+ para 40GE, los cuales
actúan como los tranceivers , y son quienes definen el tipo de conexión (número de lambdas y
distancia a alcanzar). La figura 6 muestra los tipos de tranceivers para 100GE y 40GE
CFP
CFP2
CFP4
QSFP+
Fuente: CFP-MSA.ORG
Figura 6: tipos de tranceivers para 100GE y 40 GE
Estos módulos o Plugings, se hicieron una realidad comercial después de la fecha de
estandarización en poco tiempo y a un costo medianamente reducido gracias a la decisión del
grupo de tarea IEEE 802.3ba, de que para 40 GE y 100GE, se usarán las mismas técnicas de
modulación y detección empleadas en redes ópticas de 10GE como la modulación OOK-NRZ (OnOff Keying) y detección directa. Con esto se garantiza que se podría usar la misma infraestructura
de fibra óptica que se viene usando para 10 GE, para los nuevos sistemas de 40GE y 100GE. Esto
se logró por la trasmisión en paralelo de n canales 10G para lograr las tasas de Tx de 40Gbps y
100Gbps, con esta decisión se evitaron los problemas inherentes a los efectos no lineales de la
fibra óptica a tasas de tx de 40Gbps y 100 Gbps. En caso contrario tendrían que emplearse técnicas
de modulación y detección avanzada que elevarían los costos de producción de los sistemas de 40
GE y 100GE y de esa manera dificultaría su implementación masiva en el mercado de los
operadores de telecomunicaciones.
E.
Actividad de estandarización para 400G (IEEE 802.3ba y ITU-T SG15 G.709)
En mayo del 2010 se reunieron en Ginebra el grupo de trabajo del ITU-T WP15 y el grupo de tarea
del IEEE 802.3ba en consorcio, para definir el futuro de Ethernet y de su transporte sobre las
redes ópticas. Uno de los puntos de discusión era la definición del próximo salto de la tasa de
transmisión de Ethernet después de 100 Gbps (OTU4). El siguiente salto sería el OTU5
Sin embargo ha habido mucha discusión sobre cuál debe ser la tasa de transmisión para OTU5,
muchos fabricantes se han inclinado por 400 Gbps y otros por 1 Tbps. Sin embargo ya hay mucha
6

7. aceptación de que el próximo nivel de Ethernet sea 400 Gbps. En la tabla 3, se puede observar las
diferentes tasas de transmisión encima de 100Gbps, que se han venido discutiendo para Ethernet.
En la misma se puede observar que para 400 Gbps, se puede llegar a la tasa de transmisión de 400
Gbps tomando 16 canales de 25 Gbps, 10 canales de 40 Gbps u 8 canales de 50 Gbps. La opción
que más aceptación está ganando es la de 16x25, ya que los canales de 25 Gbps ya se vienen
usando en la interfaz de 100 Gbps en su configuración 100GBase LR4, donde cada canal es de 25
Gbps.
Opciones de
Ethernet Mac Opciones señalización Eléctrica señalización
Tasa de TX
(Host board a módulo)
óptica
20x10.3125Gb/s
8x25.78125Gb/s
200 Gbps 8x25.78125Gb/s
5x41.25Gb/s
4x51.5625Gb/s
25x10.3125Gb/s
10x25.78125Gb/s
250 Gbps
10x25.78125Gb/s
5x51.5625Gb/s
30x10.3125Gb/s
12x25 78125Gb/s
300 Gbps
12x25.78125Gb/s
6x51.5625Gb/s
16x25.78125Gb/s
16x25.78125Gb/s
10x40.125Gb/s
400 Gbps
8x51.5625Gb/s
40x25.78125Gb/s
40x25.78125Gb/s
25 40 125Gb/
1 Tbps
20x51.5625Gb/s
10x103.125Gb/s
Lineas PCS
40
50
60
80
200
Fuente: Scaling the P802.3ba and G.709 Architectures; IEEE/ITU-T SG15, 2010
Tabla 3: Denominación de las interfaces de 40GE y 100GE
Aun falta mucho por discutir sobre el estándar IEEE 802.3ba de 400 GE, se espera que la decisión
final del estándar esté lista para el segundo semestre del 2015. Sin embargo debido a la presión del
mercado y la gran demanda de capacidad para las redes, pueden que terminen acelerando la
aprobación del estándar para mediados o finales del 2014. Esto está también motivado a que el
desarrollo paralelo del estándar de la ITU-T SG15 G.709, está muy avanzado y ya hay fabricantes
con soluciones comerciales disponibles de 400Gbps en una lambda.
De forma paralela al IEEE, el ITU-T SG15 G.709, ya ha adelantado las primeras opciones de
implementación de los sistemas ópticos de 400 Gbps (ver tabla 4). La primera es la solución dual
carrier, con modulación PM-16QAM, donde cada portadora puede llevar 224 Gbps, la segunda
opción es la dual carrier con modulación PM-TC-32QAM, ambas mantiene una ocupación de 100
GHz (50 Hhz por canal). La tercera opción usa cuatro sub-portadoras de 112 Gbps, con modulación
PM-TC-16QAM.
De todas las opciones, la cuarta opción (cuatro sub-portadoras de 112 Gbps, con modulación PMTC-16QAM) es la que presenta menos exigencias de OSNR del sistema (ver línea verde Figura 7).
Sin embargo es la que representa mayor complejidad ya que hay que modular 4 Sub-portadoras,
siendo esta alternativa de mayor consumo de energía. Las tres últimas opciones de la tabla 4,
representan las alternativas prácticas ya empleadas por un fabricante de equipos DWDM.
La línea negra de la figura 7, representa la relación BER vs OSNR , para un canal de 100 Gbps
7

8. Altenativa de Modulación
Ancha de banda del
Canal por λ (GHz)
Tasa de Simbolos Eficiencia
(Gbaud)
Espectral Bps/Hz
Una portadora λ a 112 Gbps
PM‐QPSK
50
28
Dos portadoras λ a 224 Gbps
PM‐16QAM
50
28
Dos portadoras λ a 224 Gbps
PM‐TC‐32QAM
50
28
4 portadoras λ a 112 Gbps
PM‐TC‐16QAM
25
18,7
Dos portadoras λ a 200 Gbps
DP‐8QAM
50
43,3
2 portadoras λ a 200 Gbps
DP‐16QAM
37,5
32,5
Una portadoras λ a 200 Gbps
DP‐64QAM
50
43,3
Fuente: Optical Ethernet IEEE Photonics Society Summer Topical
Tabla 4: alternativas para 400G
2
4
4
4
4
5,33/4
8
Fuente: Optical Ethernet IEEE Photonics Society Summer Topical
Figura 7: BER vs OSNR para las alternativas de 400G
Aunque hasta la fecha la ITU-T, no ha culminado el proceso de estandarización para OTU5 de 400
Gbps en su recomendación G.709, ya hay fabricantes de equipos de telecomunicaciones que tienen
una solución comercial disponible de transponder de 400Gbps. Una de estas soluciones es de la
empresa Alcatel-Lucent, la cual tiene las siguientes características:
F. Sistema de 400G de Alcatel-Lucent:
Portadora dual, con modulación PDM-16QAM, donde cada portadora aporta 200 Gbps, en un
espacio de canal del espectro óptico de 50 GHz, con una eficiencia espectral de 4 Bits/s/Hz y una
tasa de símbolos de 43,3 Gbaud.
Tomando el espectro óptico de la tercera ventana (banda C), se puede multiplexar hasta 44 canales
con una capacidad total por par de hilo de F.O de 17 Terabits/s. En caso de usar grilla flexible
entonces se puede ocupar 58 Canales, para una capacidad máxima de 23 Terabits/s. La figura 8
8

9. Muestra el tipo de modulación PDM-16QAM y la ocupación del canal con la doble portadora. Ahí se
observa que cada OTU5 de 400 Gbps ocupará 100 GHz en el espectro óptico, 50 GHz por subportadora
Fuente: Optical Fuente: Bell Labs - Alcatel-Lucent
Figura 8: Sistema 400G de Alcatel-lucent
Del mismo sistema descrito anteriormente, se puede disponer de transponder ópticos flexibles , que
con cambio vía software, puede alterar la modulación y aumentar así la tasa de transmisión,
pudiendo pasar de 100 Gbps (PDM-BPSK) a 200 Gbps (PDM-QPSK) y a 400 Gbps (PDM-16QAM), sin
cambio de hardware ni cambio de infraestructura de F.O. La figura 9 muestra las tres diferentes
tasas de transmisión y los tipos de modulación correspondientes así como su constelación
Modulación Adaptativa y variable por software
PDM-BPSK
100G
PDM-QPSK
200 G
PDM-16QAM
400 G
Fuente: Bell Labs - Alcatel-Lucent
Figura 9: Sistema 400G flexible de Alcatel-lucent
Con la visión de apuntar a las soluciones de 1 Terabit/s, la nueva solución de 400Gbps la cual está
en fase de pruebas de campo tiene la siguiente característica:
Una sola portadora, con modulación PDM-64QAM, en un espacio de canal del espectro óptico de 50
GHz, con una eficiencia espectral de 8 Bits/s/Hz y una tasa de símbolos de 43,3 Gbaud..
Tomando el espectro óptico de la tercera ventana (banda C), se puede multiplexar hasta 88 canales
con una capacidad total por par de hilo de F.O de 35.2 Terabits/s.
IV. Técnicas de Comunicaciones
Teniendo como base la modulación NRZ, usada en sistema de detección directa, como son los
sistemas con lambdas de 10Gbps. En estos sistemas al intentar aumentar las tasas de transmisión
a 40 Gbps, 100 Gbps, y 400 Gbps, se tiene que enfrentar con unos obstáculos asociados a los
fenómenos de la fibra óptica como los efectos lineales y no lineales: En el caso de los efectos
lineales se debe enfrentar al efecto de la dispersión cromática (CD) y la dispersión por modo de
polarización
Dispersión Cromática (DC): fenómeno producido por las diferentes componentes de frecuencia
de la señal de luz, la cual al viajar por la fibra óptica, cada una de esas componentes viaja a
diferentes velocidades, lo que genera un ensanchamiento del pulso, y en caso de aumentar la
9

10. velocidad de transmisión se pudiera generar interferencia inter-simbólica. La dispersión cromática
es una relación lineal a la distancia. Se mide por el coeficiente de dispersión cromática de la fibra
(ps.nm/km) por la distancia en Km, quedando la dispersión medida en ps.nm- (ver Figura 10).
Dispersión
Cromática
Figura 10: Dispersión Cromática, ensanchamiento del pulso (Fuente: EXFO.com)
Debido al ensanchamiento de los pulsos, y al aumentar la tasa de transmisión, entonces la
tolerancia al efecto de Dispersión cromática se hace cada vez menor, lo que obligaría a hacer
proyectos de transmisión de corta distancia, situación que no es práctica. La tabla 5 muestra las
tolerancias teóricas máximas para sistemas basados en modulación NRZ y detección Directa.
Los valores máximos teóricos de tolerancia a la dispersión cromática vienen dado por la siguiente
ecuación:
Donde B es la velocidad binaria en Gb/s, D es el coeficiente de dispersión cromática en ps/nm-Km
del cable, y L es la longitud de la ruta en Km. Para esa ecuación, entonces se tiene que
dependiendo de la tasa de transmisión la DC máxima tolerada debería ser la mostrada en la tabla
5
Tasa de Tx Dispersión Cromática
2.5 Gb/s
16,640ps/nm
10 Gb/s
1,040 ps/nm
40 Gb/s
65 ps/nm
100 Gb/s
10,4 ps/nm
400 Gb/s
0,65 ps/nm
Tabla 5: Tolerancia teórica máxima de dispersión cromática
Como se observa en la tabla no es práctico transmitir a velocidad de 40 Gbps, 100 Gbps y mucho
menos a 400 Gbps, usando modulación NRZ y usando detección directa., debido a que la tolerancia
al DC es muy baja.
Dispersión por modo de polarización (PMD): La dispersión por modo de polarización es
producido por el cambio de velocidad de propagación de las componentes ortogonales de la luz,
debido a la asimetría del hilo de fibra óptica, esto produce un ensanchamiento del pulso. Este
fenómeno está determinando por la pérdida de circularidad del hilo de fibra, o pérdida de simetría,
y es ésta asimetría la que ocasiona que una de las componentes la luz, se atrase con respecto a la
otra componente ortogonal. La dispersión por modo de polarización es una relación lineal a la raíz
cuadrada de la distancia. Se mide por el coeficiente de PMD de la fibra ps/
en Km, quedando el PMD medido en ps. (ver Figura 11).
km) por la distancia
10

11. Δτ
t
Eje rápido
z, t
Eje lento
Δτ
Figura 11: Dispersión por Modo de polarización (Fuente: EXFO.com)
Como se observa en la tabla 5 no es práctico transmitir a velocidad de 40 Gbps, 100 Gbps usando
modulación NRZ y usando detección directa, ya que la tolerancia teórica al PMD es muy baja,
dejando la oportunidad de desplegar redes ópticas de 100 Gbps solo en distancia de 4 Km, hecho
que no es práctico con la realidad de las redes ópticas de larga distancia nacional que están en los
órdenes de los cientos a miles de kilómetros,
40 Gb/s
2,5
Coeficiente PMD 400
km fibra (ps/km½)
<= 2,0
<= 2,0
<= 2.0 o 25 km con
0.5 ps/km1/2)
100 Gb/s
1
<= 2,0 0.05 o 4 km
con 0.5 ps/km1/2)
Tasa de Tx
DGD Promedio (ps)
2.5 Gb/s
40
10 Gb/s
10
.
Tabla 6: Tolerancia teórica máxima de dispersión cromática
Debido a las limitantes impuestas por los efectos lineales, no es posible desplegar redes ópticas de
40G, 100G y 400G, con los sistemas antiguos de modulación NRZ y detección directa. Por este
motivo es el que se han desarrollado nuevas técnicas de detección y modulación que permite
superar dichos obstáculos. A continuación se detallan las nuevas técnicas.
A. Multiplexaje por división de Polarización y desplazamiento de fase en cuadratura
(PDM-QPSK )
Esta técnica agrupa en sí dos técnicas de manera simultánea, una es la multiplexación por
polarización y la segunda es la modulación por cambio de fase de 4 estados de fase, con el
transporte de 4 bits/símbolos (ver figura 12).
T
50GHz slot
//
λ
“Polarización Dual”
Figura 12. Multiplexaje por división de Polarización y desplazamiento de fase en cuadratura (PDMQPSK )
11

12. Adicional a esta técnica del transmisor, en el receptor se usa otra técnica denominada receptor
coherente, el cual incorpora un laser continuo (CW, continuos laser) a la misma frecuencia de la
señal portadora, el cual es mezclado con la señal óptica recibida, de esa manera se recupera la
información de frecuencia, fase, y amplitud de la señal transmitida con unos requerimientos de
OSNR bajos. A este receptor coherente se combina un proceso de conversión analógico y DSP de
ultra alta velocidad, que tienen la función de detección y algoritmos para la compensación de
dispersión cromática y dispersión por modo de polarización, así como los procesos electrónicos para
reducir los efectos no lineales (ver figura 13). Es en este receptor coherente donde radica el
avance tecnológico, ya que ahora se pueden transmitir a altas tasas de transmisión de 40 Gbps,
100 Gbps y 400 Gbps, sin que los efectos lineales y no lineales de la fibra se conviertan en un
obstáculo. Solo para tener una referencia de este avance, cuando para la técnica de detección
directa y modulación NRZ a velocidad de 100 Gbps, la tolerancia máxima de dispersión cromática
(CD) y dispersión por modo de polarización (PMD) eran 10, 4 ps-nm y 1 ps respectivamente. Con
la detección coherente ahora las tolerancias máximas son de 60.000 Ps-nm para CD y de 38 ps
para el PMD. Razón por la cual se puede llegar a distancias grandes sin regeneración en el orden de
los miles de Kilómetros.
100G PDM-QPSK
Transmisor
Receptor Coherente
Quaternary Phase Shift Keying
(QPSK)
Cada polarización lleva 4 estados de
fase (2 bits)
Fuente: Bell Labs - Alcatel-Lucent
Figura 13: Transmisor 100 PDM-QPSK y receptor coherente
Ventajas de la detección Coherente:
-
Se logran distancias mayores entre 30 % y 50% en comparación con sistemas de
detección lineal.
Excelente tolerancia a los efectos no lineales
No se requiere el uso de compensadores de dispersión cromática
Puede trabajar en planta de fibra óptica de vieja data
Mejor uso del espectro óptico
Menos uso de lambdas por canal, lo que simplifica el diseño
Permite la coexistencia con canales que tengan señales que son de sistemas coherentes
Buena compatibilidad con canales de 10G y 40 G, en el mismo espectro óptico
permite trabajar con tasas de símbolos menores (tasa de Baudios).
Para el caso descrito aquí, se reduce la tasa de símbolos de 100 Gbuad a 25 Gbaud, ya que cada
símbolo lleva 4 bits, se puede transportar 100 Gbps (4 bits/Símbolos * 25 Giga símbolos/Sg). Para
la banda C, se puede usar 88 Canales lo que daría un total de capacidad de transporte de 8,8
terabits/sg en un par de hilos.
Figura 14: Espectro óptico y ocupación del canal en la grilla de 50GHz
12

13. B. Multiplexaje por división de frecuencia polarización Dual desplazamiento de fase
en cuadratura (FDM-DP-QPSK )
La técnica de multiplexación y modulación FDM-DP-QPSK, es muy similar a la técnica PDM-QPSK, la
diferencia radica en que la primera usa dos sub-portadoras por canal de 50 GHz y la segunda sola
una portadora por canal de 50 GHz del espectro óptico (ver figura 15). Esto hace que la técnica
FDM-DP-QPSK, sea una alternativa compleja y de mayor consumo de energía debido al uso de dos
sub-portadoras y tiene una baja tolerancia a los efectos no lineales, especialmente la mezcla de
cuatro ondas y la modulación cruzada entre canales. Hecho que obliga al diseñador a dejar bandas
de guarda entre canales con el objeto de reducir las interferencias de canales vecinos, reduciendo
en consecuencia la eficiencia espectral y reduciendo la capacidad máxima de canales a transportar
por la fibra óptica.
1 canal en una
Ranura de 50GHz
14 Gbaud
“Multiplexación por división
de polarización”
λ
“Mutiplexación por Dominio
de frecuencia”
Figura 15. Multiplexaje por división de frecuencia polarización dual desplazamiento de fase en
cuadratura (FDM-DP-QPSK).
Figura 16: Espectro óptico y ocupación del canal en la grill de 50GHz
C. Multiplexaje por división de frecuencia ortogonal polarizado desplazamiento de
fase en cuadratura (OPFDM-QPSK)
La técnica de multiplexación y modulación OPFDM-QPSK, es muy similar a la técnica PDM-QPSK, el
elemento que la diferencia, es que la mutiplexación por división de polarización es ortogonal, es
decir, la técnica OPFDM-QPSK usa dos Sub-portadoras, de la primera sub-portadora solo modula en
la polarización vertical y en la segunda soportadora se modula en la polarización horizontal (ver
figura 17). Esta técnica requiere el uso de compensadores de dispersión cromática y PMD, tiene
una baja eficiencia espectral ya que cada canal ocupa un espacio de 100 GHz del espectro óptico, lo
que le da un máximo de 44 canales en vez de los 88 disponibles. Adicionalmente tiene una baja
tolerancia a los efectos no lineales lo que obliga al diseñador a dejar bandas de guarda entre
canales para evitar el efecto de modulación cruzada, trayendo como consecuencia una reducción
adicional de la capacidad de canales útiles en el espectro óptico. Del mismo modo esta técnica
obliga a que los sistemas que la emplean, consuman mayor energía y tendrán mayor complejidad.
13

14. “Polarización Ortogonal”
1 canal en una
ranura 100GHz
28 Gbaud
“Mutiplexación por división
de frecuencia”
Figura 17. C. Multiplexaje por división de frecuencia ortogonal polarizado desplazamiento de fase
en cuadratura (OPFDM-QPSK)
Figura 18. Espectro óptico y ocupación del canal en la grill de 100GHz
En la tabla siguiente, se puede observar un resumen sobre las características más resaltantes de las
diferentes técnicas así como la comparación entre ellas
Comparación
100G
PDM-QPSK
FDM DP-QPSK
OPFDM-RZ-DQPSK
PM-DQPSK
Detección Coherente)
(FDM Dual-Polarization
QPSK)
(Orthogonal-polarized
FDM RZ-DQPSK)
(Non coherent
Polarization-Multiplexed
DQPSK)
PObre
Baja tolerancia a los
efectos no lienales
Alcance
Mejor Alcance at 100G
Tolerancia a la
dispersión por PMD
Excelente
Compatibilidad 10G
y 40G vecnos
Muy Buena
Baja tolerancia a los
efectos no lienales
Power consumption
and footprint
Excelente
Muy Pobre
• Dos Subportadoras
Excelente
50GHz slot
50GHz slot
λ
λ
Bajo desempeño
2x complejidad
Pobre
• Receptor no
coherente
• Receptor no
coherente
• Sin compensación
electrónica
• Sin compensación
electrónica
Muy Bueno
Muy Buena
• Pero baja eficiencia
espectral
Pobre
• Dos Longitudes de
onda
Pobre
• optical Pol Demux
50GHz slot
100GHz slot
λ
λ
Bajo desempeño
1/2 capacity
Muy Bajo
Desempeño
Fuente: Bell Labs - Alcatel-Lucent
Tabla 7: Comparación de las diferentes técnicas de multiplexación y modulación
14

15. V. Equipos para la implementación del DWDM de 100/400G
A continuación se detallan los equipos o elementos de redes que usan o usarán las tecnología
DWDM 100G/400G
A. Nodos Ópticos DWDM redes Long Haul y metropolitanas /Detección coherente
La principal aplicación de la tecnología DWDM 100G/400G, está dirigida a la implementación de
sistemas de transporte de la larga distancia y metropolitano de gran capacidad; es por ello que se
usan para este sistema, los elementos denominados nodos ópticos DWDM, también conocidos
como Mux DWDM, estos se emplean cuando el servicio que quiere transportar su señal óptica no
viene coloreada, es decir no viene en una lambda o longitud de onda en particular, por lo que el
nodo DWDM se encarga de colorear la longitud de onda y es el filtro óptico quien multiplexa las
señales con longitudes de onda diferente en la fibra óptica. El nodo DWDM puede trabajar con tres
diferentes tipos de trafico de cliente: El primero es un tráfico de 100 Gbps OTU4 banda base , el
cual se conecta a una tarjeta del nodo denominada transponder, la cual modula y colorea la
señal óptica entrante, saliendo una señal óptica en una lambda particular ya modulada y de ahí se
envía al filtro quien multiplexa esta señal con las otras lambdas. Ver figura 19
Cliente OUT4
DWDM
100 Gbps OUT4
1x100Gbps
BW
(Blanco
y negro)
1x 100Gbps – OTU4
1λ
Coherente
Cliente OTU4
WDM
Figura 19. Nodo DWDM con Trafico tributario OTU4
El segundo modo es la de un trafico 100 GE, el cual proviene de un enrutador o conmutador
metroethernet, en este caso la trama es ethernet y la misma es conectada a una tarjeta denomina
muxponder, que multiplexa los canales del puerto ethernet de 100GE (4 lambdas de 25Gbps o 10
Lambdas de 10Gbps). Este tráfico es multiplexado en una lambda de 100 Gbps, la cual se colorea y
es multiplexada en el filtro para ser enviadas con el resto de las lambdas de 100Gbps. Ver figura 20
15

16. Cliente OUT4
DWDM
100 GE 10λx10G
1x100GE
1x 100GE – OTU4
10λx10G CFP
1λ
Coherente
10xλ
Cliente OUT4
DWDM
100 GE 4λx25G
1x100GE
4λx25G CFP
1x 100GE – OTU4
1λ
Coherente
4xλ
88λ @ 50GHz grid
DWDM
Network
1x
100GbE
DWDM
Router o Conmutador
MetroEthernet
Figura 20. Nodo DWDM con Trafico tributario 100GE
El tercer modo es el que diferentes tipos de tráficos de varios tributarios a tasas de transmisión de
1,2 Gbps, STM1, STM4, OTU2, OTU2e OTU3 los cuales son conectados a una tarjeta denomina
muxponder, la cual multiplexa los tráficos de baja velocidad y lo lleva a un nivel de tasa de
transmisión normalizada. Los tributarios de baja velocidad son combinadas en un contenedor
OTU4, el cual es transportado en una lambda de 100Gbps, coloreada y modulada y enviada al filtro
para multiplexarla con las otras lambdas de 100 Gbps. Ver figura 21
Los ejemplos anteriormente definidos también aplican para la tecnología de 400 Gbps
Tributarios
DWDM
Any Rate
OTU1
OTU2
10GE
OTU3
Tributarios
DWDM
1x 100Gbps – OTU4
1λ
Coherente
1x 400Gbps – OTU5
OTU4
OTU4
1λ
Coherente
OTU4
OTU4
4x 100GE
400 G
Clientes OTU4
WDM
Figura 21. Nodo DWDM con Trafico tributario OTU1, OUT2, OTU3 y 100GE
B. Nodos de Enrutadores y conmutadores Metroethernet
La segunda aplicabilidad de la tecnología DWDM 100G/400G, está dirigida a la implementación de
sistemas de transporte metropolitano de gran capacidad metroethernet; para ello se usan los
elementos denominados nodos enrutadores Ópticos o conmutadores metroethernet. Estos equipos
usan dos tipos de interfaz y protocolos para 100 y 400G, La primera es sobre tramas y protocolos
ethernet para lo cual se usan 100GE y 400GE. Este último (400GE) aun no tiene solución comercial
ya que el IEEE aun no ha culminado el proceso de estandarización de 400GE. (Ver figura 22)
16

17. MUX
100 Gb/s
(10 λ’s)
10 x 10 Gb/s
100GigE
MAC
10 x 10 Gb/s
MUX
100GigE
MAC
Router o
Conmutador
Metroethernet
Router o
Conmutador
Metroethernet
100 Gb/s
(10 λ’s)
Router o
Conmutador
Metroethernet
Router o
Conmutador
Metroethernet
Figura 22. Nodos Enrutadores o conmutadores con interfaces 100GE (IEEE 802.3ba)
La segunda interfaz es la de los puertos 100 Gbps (OTU4) y 400 Gbps (OTU5), en estos dos casos
del puerto del enrutador o conmutador metroethernet la señal ya sale coloreada y modulada con
las técnicas avanzadas de modulación descritas en los puntos anteriores. Para el caso de 400 G solo
hay solución comercial para los Nodos DWDM. Para los enrutadores y conmutares se esperan que
las primeras soluciones comerciales estén disponible a finales del 2014 o a comienzos del 2015. Ver
figura 23
100 Gbps 1 λ DWDM OTU4
Router o
Conmutador
Metroethernet
Router o
Conmutador
Metroethernet
Figura 23. Nodos Enrutadores o conmutadores con interfaces 100Gbps (ITU-T G.709 OTU4)
VI. Sistemas de Transportes DWDM con Integración con redes Metroethernet
La justificación de las tecnologías de DWDM de 100G/400G, está enfocada a la satisfacción de las
demandas de tráficos de los usuarios y las nuevas aplicaciones y dispositivos que generan mayor
consumo de la red. El punto crítico de la red del operador que se ve mas impactado por el
crecimiento del tráfico y de la no satisfacción de la demanda es la del segmento de núcleo de la
red, conformado por la red de transporte interurbano, la red de trasporte metropolitana, las redes
de núcleo y agregación metroethernet. Con la incorporación y muestra en servicio de tecnologías
de acceso como VDSL2, Gpon y LTE, estas redes de transporte estarán en la necesidad de llevar
grandes cantidades de tráfico, razón por la cual la tecnología 100G/400G resuelve el requerimiento.
En la figura 24, se observa una red de transporte DWDM interurbana, metropolitana y la red
metroethernet, donde se puede visualizar la integración entre las mismas y el uso de las
tecnologías de 100G/400G del IEEE 802.3ba y del ITU-T G.709.
17

18. n λ de 100G y
400G
100 GE
100 GE
Metro Ethernet
DWDM
DWDM
Metro Ethernet
DWDM Interurbano
100 GE
DWDM
DWDM
Figura 24. Sistemas de Transportes DWDM con Integración con redes Metroethernet
VII. Aplicaciones Y Servicios
Los servicios y aplicaciones que la tecnología DWDM de 100G/400 están en capacidad de brindar,
son principalmente servicios de transporte ya sea en redes metropolitanas y/o en redes
interurbanas. De los servicios de telecomunicaciones que pueden ser transportados en las redes
DWDM se tienen:
-
Transporte de Redes Metro Ethernet 40 GE, 100GE y 400GE (este último cuando esté
disponible)
Transporte de Redes de acceso agregados de Sistemas Móviles celulares LTE, Interfaces
40GE y 100GE
Transporte de Redes SDH Interfaces de 1GE, 2,5 Gbps, STM-1, STM4, STM-16, STM64
(OTU2)
Transporte de servicios para la conexión Internacional a Internet
El servicio de agregación de XDSL y GPON es concentrado en equipos metroethernet, luego
transportado en redes DWDM de 100G/400G
VIII. Conclusiones
Las nuevas tecnologías de 100Gbps y 4000 Gbps, definitivamente llegarán para satisfacer gran
parte de la demanda de los operadores en el incremento de sus capacidades de transporte. Sin
embargo debido a que la tendencia en el crecimiento del tráfico de la red, ya sea por el aumento
de los usuario en el acceso Internet, el continuo crecimiento de la penetración de los teléfonos
inteligentes (smartphones) y tabletas, así como el crecimiento acelerado en el uso de aplicaciones
de Video, televisión no lineal y lineal en la red, volverán a colocar al operador en la encrucijada de
que la capacidad de las redes de transportes no será suficientes. Es por ello que ya en estos
momentos se están realizando los trabajos pertinentes en los organismos de estandarización para
tener pronto los estándares de 400 GE (IEEE 802.3ba), los estándares para 1 Terabits/seg tanto
para el ITU-T G.709, como el terabitEthernet del IEEE 802.3ba. Los cuales se espera puedan cubrir
las necesidades de crecimiento de capacidad que se estarán enfrentando los operadores en los
próximos 5 años.
Con el uso de las nuevas técnicas de modulación así como los sistemas de detección coherente, los
operadores obtienen una ganancia sin precedentes, ya que estas tecnologías traen consigo la
ventaja de que puede trabajar con las fibras ópticas que actualmente tienen los operadores
instaladas en sus redes nacionales, es decir, es su fibras ópticas antiguas. Esto evitaría que los
operadores tengan que hacer nuevas inversiones de instalación de redes de fibras ópticas para
emplear las nuevas tecnologías.
18

19. IX. Referencias
1. ITU-T, “Optical Transport Network (OTN) Tutorial” and “G.709/Y.1331 Interfaces for the
Optical Transport Network (OTN)”.
2. ITU-T Recommendation G.709/Y.1331 (2012).
3. CFP MSA Hardware Specification (5/7/20013).
msa.org/Documents/CFP-MSA-HW-Spec-rev1-40.pdf.
Obtenido
de
http://www.cfp-
4. Stephen J. Trowbridge , “Scaling the P802.3ba and G.709 Architectures, ITU-T WP3/15
IEEE P802.3ba”,Ginebra 2010.
5. Nee Ben Gee, Bert E.E. Basch, Steven Gringeri, G.709 Hierarchy Optical Transport Core
Network Design, Requirements and Challenges., 2009 Optical Society of America.
6. Yutaka Miyamoto, Akihide Sano, and Takayuki Kobayashi, The Challenge for the Next
Generation OTN Based on 400Gbps and Beyond, 2009 Optical Society of America.
7. Ilya Lyubomirsky, Terabit Optical Ethernet IEEE Photonics Society Summer Topical,
Montreal, Canada, 2011
8. Mark Loyd Jones, Ph.D, Mapping and Transport Standard for OTU4, 2010 Optical Society of
America.
9. Adam Healey,” From 100Gbps Now to 400Gbps Tomorrow “, Obtenido el 27/7/2013 de
http://www.lsi.com/ais2011/documents/lsi_deploying100gtopreparing400g.pdf
10. A. Ehrhardt, A. Mattheus, J. Röse, S. Szuppa, H.-M. Foisel, “OTN Evolution Beyond 100G –
OIF”
Obtenido
el
27/7/2103
de
www.oiforum.com/public/documents/12_ECOC_Ehrhardt.pdf.
11. Stassar Peter, Anslow Pete , “OTN Evolution Above 100Gbps Input from ITU-T SG15”
obtenido
el
27/7/2013
de
http://www.ieee802.org/3/ad_hoc/hse/public/12_09/stassar_hse_01_0912.pdf.
12. EXFO, characterize cd and pmd in a snap for 10 and 40G Ethernet links exfo for
livingston.ppt.
13. ITU-T (2008), series G. Supplement 39, Transmission Systems and Media, Digital Systems
and Networks.
14.
15. ITU-T (2005), Series G suplemento 41, Sistemas y Medios de Transmisión, Sistemas y
redes Digitales.
16.
17. ITU-T (2000), Serie G.663, Sistemas y Medios de Transmisión, Sistemas y redes Digitales.
18. Bell Labs, White Paper “Coherent Transmission”, Noviembre 2009
19