análisis de desempeño de redes wdm comerciales con técnicas de compensación Ópticas y...

Universidad del Cauca. Ruiz Jairo, Melo Daniel, Toledo Alejandro. Análisis de Desempeño de redes WDM Comerciales

con Técnicas de Compensación Ópticas y Electrónicas para la Dispersión Cromática.

.

Primer Seminario Taller Latinoamericano de Instrumentación, Control y Telecomunicaciones SICOTEL 2012

1

Resumen— El presente artículo investigativo se enmarca

en la dispersión cromática (CD) y su principal influencia sobre

una red con Multiplexación por División de Onda (WDM),

hecho que toma mayor relevancia a grandes distancias y altas

velocidades de transmisión. El propósito de la investigación es

analizar, mediante la herramienta de simulación OptSim® de

Rsoft el desempeño de una red WDM con técnicas de pre y

post compensación, tanto ópticas (ODM) como electrónicas

(EDC) para la CD, empleando Módulos Compensadores de

Dispersión (DCM) y ecualizadores respectivamente. El

análisis de desempeño se realiza a través de los parámetros de

monitoreo óptico (OPM) más relevantes en comunicaciones

ópticas, fundamentados en la caracterización, configuración,

escalabilidad y requerimientos de las redes WDM comerciales

a velocidades de 10 Gbps con formatos de modulación NRZ-

OOK y NRZ-DPSK.

Índice de Términos— DCM, DCF, diagrama de ojo,

dispersión cromática, DFE, DSP, EDC, ensanchamiento del

pulso, FFE, formato de modulación, ODM, WDM.

I. INTRODUCCIÓN

La emergente demanda de servicios de

telecomunicaciones, ha generado que las redes

WDM tengan la necesidad de migrar hacia

velocidades superiores, hecho actualmente

representativo en un sin número de redes

comerciales que migran de 2.5 a 10 Gbps. Esto trae

consigo, uno de los inconvenientes más degradantes

en las comunicaciones ópticas, denominado CD1,

donde se produce un ensanchamiento temporal de

los pulsos transmitidos, generando una

1 Físicamente la dispersión cromática ocurre debido a que diferentes

longitudes de onda son propagadas a diferentes velocidades. Para fibras

monomodo, la dispersión cromática tiene dos contribuciones, dispersión del material y dispersión de guía de onda.

superposición de los mismos y ocasionando una

reducción en el ancho de banda de la fibra óptica.

La CD puede ser reducida y la capacidad de

transmisión mejorada, mediante las técnicas de

compensación, clasificadas en técnicas de

compensación ópticas y técnicas de compensación

electrónicas. En este documento, el análisis de

desempeño de las mismas, se evalúa teniendo en

cuenta los parámetros de monitoreo más relevantes

en redes WDM, tales como la Tasa de Bits Errados

(BER, Bit Error Rate), el factor de calidad (Q,

Quality), la Relación Señal a Ruido Óptica (OSNR,

Optical Signal to Noise Ratio) y el diagrama de ojo,

apertura del ojo.

Las principales características elegidas de las

redes WDM comerciales a 10 Gbps son

consignadas en la TABLA I.

Análisis de Desempeño de redes WDM Comerciales

con Técnicas de Compensación Ópticas y

Electrónicas para la Dispersión Cromática.

Ing. Jairo A. Ruiz, Ing. Daniel F. Melo, Ing. Esp. Alejandro Toledo.

{jaruiz, dmelo, atoledo}@unicauca.edu.co

Grupo I+D Nuevas Tecnologías en Telecomunicaciones GNTT, Universidad del Cauca

TABLA I CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA RED WDM

Parámetro Valor/Especificación

Velocidad del sistema 10 Gbps

Tecnología de red DWDM

Espaciamiento de los canales DWDM

100 GHz (0.8 nm)

Banda C ( 1530-1560 nm)

Estándar utilizado G.652.B Tipo de fibra SSMF-28

Coeficiente de atenuación para

1550nm

0.25 dB/Km

Coeficiente de dispersión 1550nm 17 ps/nm·km

Formato de modulación NRZ-OOK y NRZ-DPSK

Tipo de modulación Externa con Mach-Zehnder Tipo de laser CW / VCSEL

Potencia de transmisión del láser 0 a 6 dBm

Dispositivo de amplificación EDFA Ganancia 15 - 30 dB

Figura de ruido 3 - 7 dB

Sensibilidad del receptor -32 dBm

BER mínima 10-9

Filtros de recepción ópticos Bessel de orden 4 a 10 GHz



.


2

En la sección II se realiza una inducción teórica

de las técnicas de compensación óptica y

electrónica para la CD, especificando las principales

características de cada una de ellas; en la sección III

se efectúa una descripción de las simulaciones

llevadas a cabo en la herramienta OptSim® de

Rsoft; en la sección IV, se lleva a cabo la

presentación de resultados de las simulaciones y se

discute cada una de ellas; finalmente, en la sección

V, se presentan las conclusiones más significativas

de la investigación.

II. TÉCNICAS DE COMPENSACIÓN PARA LA CD

A. Técnicas de Compensación Ópticas para la

CD

Las técnicas de compensación ópticas para la CD

están enmarcadas en una temática conocida como

Gestión Óptica de la Dispersión (ODM, Optical

Dispersion Management) [1]. El principal elemento

involucrado en la ODM es el Modulo Compensador

de Dispersión (DCM, Dispersion Compensation

Module) [2] o también denominado Unidad

Compensadora de Dispersión (DCU, Dispersion

Compensation Unit) [1]-[3], que tiene como fin

compensar la CD acumulada en cada tramo [4]-[5]-

[6]. La clasificación de los DCMs depende del

elemento compensador que se utilice, ya sea Fibras

Compensadoras de Dispersión (DCF, Dispersion

Compensation Fiber) o Rejillas de Bragg (FBG,

Fiber Bragg Grating) [4]-[7], dispositivos que

usualmente son acompañados de Amplificadores de

Fibra Dopada con Erbio (EDFA, Erbium Doped

Fiber Amplifier), debido a que este tipo de fibras,

en especial la DCF, introduce elevados índices de

atenuación. Para la investigación se eligen DCMs

que emplean DCF, debido a que es el elemento

utilizado en redes WDM comerciales a 10 Gbps,

además de operar a bajas potencias, hecho a favor

en las degradaciones de los efectos no lineales [5]-

[6]. Teniendo en cuenta el lugar u orden donde se

coloque el tramo de DCF en el trayecto de fibra

óptica principal2, las técnicas de compensación

2 Se habla de fibra óptica principal para no entrar en confusiones con la

fibra compensadora de dispersión.

ópticas para la CD se clasifican en técnica de post-

compensación óptica; técnica de pre-compensación

óptica, y técnica de compensación simétrica óptica

(pre y post) [8], [9]-[10], esta última se deja para

posteriores estudios debido a la dimensión de la

investigación.

La técnica de post-compensación óptica, consiste

en colocar un tramo de DCF después del segmento

de fibra óptica principal para poder compensar la

CD acumulada. Mientras que la técnica de pre-

compensación óptica, consiste en colocar un tramo

de DCF antes del tramo de fibra óptica principal,

con el fin de generar un valor de CD negativo que

permita compensar la CD acumulada. La DCM, en

este caso, la fibra compensadora de dispersión típica

en redes WDM comerciales presenta un coeficiente

de dispersión -80 [ps/nm·km].

B. Técnicas de Compensación Electrónicas para

la CD

Las técnicas de compensación electrónicas para la

CD, están enmarcadas dentro de una temática

conocida como Compensación Electrónica de la

Dispersión (EDC, Electronic Dispersion

Compensation) [1]-[11]-[12]-[13]. Existen múltiples

dispositivos para aplicar EDC; nosotros hemos

utilizado ecualizadores para la simulación, debido a

que comercialmente son más sencillos y

económicos de implementar. La EDC con

ecualizadores, es ejecutada mediante filtros

transversales diseñados para suprimir características

no deseadas del canal, o también, para ajustarse de

manera adaptativa a variaciones del mismo [14]-

[15], su implementación comercial se lleva a cabo

mediante software y hardware con procesamiento

digital de señales (DSP, Digital Signal Processing).

Para esta investigación se tienen dos tipos de

ecualizadores, el ecualizador con alimentación hacia

adelante (FFE, Feed Forward Equalizer) y el

ecualizador re-alimentado de decisiones (DFE,

Decision Feedback Equalizer). Adicionalmente,

ambos ecualizadores pueden ser combinados con el

criterio del Mínimo Error Cuadrático Medio

(MMSE, Minimum Mean Square Error) para

aumentar su desempeño en la corrección de ISI.

Teniendo en cuenta el lugar donde se realice la



.


3

ecualización, las técnicas de compensación

electrónicas para la CD se clasifican en técnica de

post-compensación o post-ecualización electrónica;

técnica de pre-compensación o pre-ecualización

electrónica, y técnica de compensación simétrica

electrónica (pre y post) [8]-[20], esta última, se deja

para posteriores estudios, debido a que su

consecución se realiza conjuntamente con procesos

de estimación para la detección de señales

altamente degradadas por efectos lineales y no

lineales, hechos que son más significativos a

velocidades de 40 Gbps y experimentales de 111

Gbps [1]-[20].

Para la simulación se considera que el

espaciamiento entre retardos tap para una señal a 10

Gbps, con una duración de bit igual a 100 ps, es de

50 ps [8]-[20].

III. SIMULACIÓN

El escenario de simulación, es evaluado e

implementado con la herramienta de simulación

OptSim® de Rsoft. El plan de evaluación y pruebas

se llevó a cabo de la siguiente manera:

A. Para las técnicas de compensación ópticas, se

varía la potencia de transmisión, longitud de la

SMF-28 (conlleva obligatoriamente a variaciones

de la DCF) y espaciamiento entre amplificadores

(dependen de la longitud de la SMF-28 y DCF).

B. Para las técnicas de compensación electrónicas,

se varía la potencia, longitud de SMF-28 y número

de taps (cada tap presenta su respectivo coeficiente

tap).

Los rangos y variaciones de los parámetros

mencionados con anterioridad para la simulación, se

establecen como:

1) Para las técnicas de compensación ópticas y la

técnica de post-compensación electrónica, se usa

laser CW y modulación externa. La potencia de

transmisión se varia en un rango de 1 (0 dBm) a 4

mW (aproximadamente 6 dBm) con incrementos de

1 mW.

2) Para la técnica de pre-compensación

electrónica, se usa un láser tipo VCSEL modulado

directamente, no se aplica el criterio MMSE para

pre-ecualizar la señal. Se trabaja con potencia de

lanzamiento que varía de -10 a -5 dBm con

incrementos de 1 dB, se usa un FFE-NL con 27

taps, y se evalúa el sistema con el formato de

modulación NRZ-OOK.

3) La longitud de la SMF-28 se varía en un rango

de 70 a 120 km y de 80 a 130 km, con incrementos

de 5 km, para las técnicas de compensación ópticas

y electrónicas, con formatos de modulación NRZ-

OOK y NRZ-DPSK respectivamente. Las cotas

inferiores de SMF-28, son establecidas en base a la

tolerancia a la CD3 encontrada en [20], con

formatos de modulación NRZ-OOK (tolerancia a la

CD aproximadamente de 70 km) y NRZ-DPSK

(tolerancia a la CD aproximadamente de 100 km)

para una potencia de 1 mW. Las cotas superiores de

SMF-28, se fundamentan en estudios concernientes

a las técnicas de compensación ópticas con

formatos de modulación NRZ-OOK (120 km) y

NRZ-DPSK (130 km).

4) Para las técnicas de post-compensación

electrónica, se usan ecualizadores FFE-NL y DFE,

optimizados con el criterio MMSE. El número de

taps, se varía en un rango de 5 a 9 con incrementos

de 1 tap.

IV. RESULTADOS

A. Resultados de la ODM

En los resultados, se encuentra que existe una

dependencia de la potencia en la técnica de pre y

post compensación óptica para la CD bajo formatos

de modulación NRZ- OOK y NRZ-DPSK, para las

cuales una condición de máxima potencia de 4 mW,

genera las mejores prestaciones en los formatos de

modulación y parámetros de monitoreo óptico. Por

otro lado, se encuentran leves mejorías en la técnica

de pre-compensación óptica, frente a la técnica de

post-compensación óptica, especialmente en la

OSNR, por tal motivo, se enfatiza el análisis de

resultados en este parámetro, ya que a pesar de no

mostrar las degradaciones temporales producidas en

3 Tolerancia a la CD hace referencia a la distancia máxima alcanzada o a

la máxima CD permitida cumpliendo con criterios de desempeño de redes WDM donde la BER es menor a 10-9.



.


4

la señal, presenta una correlación con la BER y el

factor Q, constituyéndose en una medida de gran

utilidad para la monitorización del desempeño en

una red WDM.

Las distancias alcanzadas con la técnica de pre-

compensación óptica, para diferentes potencias de

transmisión, Fig. 1, permiten observar las mejorías

en la OSNR frente al tipo de formato de modulación

y el aumento de potencia de transmisión.

Además, se destaca cómo la técnica de pre-

compensación óptica para la CD con el formato de

modulación NRZ-OOK, extiende el alcance del

enlace óptico de 70 km a 112 km de SMF-28,

compensando alrededor de 1800 ps/nm, por otro

lado, la misma técnica con el formato de

modulación NRZ-DPSK extiende el alcance de 100

a 125 km de SMF-28, compensando alrededor de

2100 ps/nm para una BER requerida de 10-9

.

B. Resultados de la EDC

Se encuentra que la post-compensación

electrónica con ecualizadores FFE-NL y DFE,

presenta mayor flexibilidad frente a la pre-

compensación electrónica con el ecualizador FFE-

NL, debido a que está última, a pesar de presentar

mejorías notables, no supera el desempeño logrado

por la post-ecualización, como se muestra en Fig. 2,

donde se ha encontrando que la distancia máxima

alcanzada a una mínima potencia de lanzamiento de

-10 dBm está alrededor de los 90 km, mientras que

para una máxima potencia de -5 dBm está alrededor

de los 105 km.

Por otro lado, se aprecia la dependencia de la

técnica de post- compensación electrónica frente a

la potencia de transmisión, para lo cual, una

condición de máxima potencia de 4 mW ofrece las

mejores condiciones con los formatos de

modulación en cuanto a compensación de la

dispersión y optimización de los parámetros de

monitoreo óptico se refiere, tal y como se consigna

en las Tabla II.

Conforme a las Tabla II, se observa que la

ecualización con el formato de modulación NRZ-

DPSK, alcanza a compensar cerca de 2189 ps/nm

(aproximadamente 130 km); sin embargo, no se

(a)

Fig. 1. OSNR vs Longitud de SMF-28. Técnica de pre-

compensación óptica para la CD con formato de

modulación a) NRZ-OOK, b) NRZ-DPSK.

(b)

Fig. 2. BER vs Longitud de SMF-28. Técnica de pre-

compensación electrónica con FFE-NL, formato de

modulación NRZ-OOK.



.


5

logran los mejores parámetros de desempeño, en

comparación al formato de modulación NRZ-OOK,

donde dicho desempeño obtiene una mejor

respuesta para la BER, la apertura del ojo y la

OSNR, considerando que se compensan alrededor

de los 2021 ps/nm (aproximadamente 120 km). No

con esto se quiere decir que NRZ-OOK sea un

formato más robusto, el punto está en que

aprovecha mejor la ecualización, haciendo de este,

un formato propicio para aplicar la EDC, además de

resaltar que es uno de los formatos más

implementados en redes WDM comerciales.

Nosotros consideramos que la red WDM con el

ecualizador DFE de 6 taps en la sección feed

forward y 3 taps en la feedback, presenta un mejor

desempeño en la compensación de la CD, en

comparación al ecualizador FFE-NL, Tabla VI, en

especial, al disminuir la BER y aumentar el factor Q

para una distancia compensada de 120km. Para

tener una dimensión del comportamiento del DFE

frente a variaciones de la potencia, con formato de

modulación NRZ-OOK, con una distancia fija de

120km, muestran cómo a medida que aumenta la

potencia, el ecualizador presenta mejores

prestaciones reflejadas tanto en la BER como en el

factor Q. De forma análoga, se exponen los

diagramas de ojo sin compensación, Fig. 3(a) y con

compensación, Fig. 3(b), utilizando el ecualizador

DFE para una distancia de 120km, donde se aprecia

la mejora en la apertura del ojo, pero a la misma vez

una asimetría del mismo, Fig. 3(b). Para corregir

dicha asimetría, se propone una configuración de la

técnica de post-compensación electrónica basada

en ecualizadores en cascada FFE-NL y DFE,

estableciendo este diseño, como uno de los aportes

más significativos de la investigación, al no existir

una documentación amplia y concisa de su

implementación en redes WDM bajo formatos de

modulación NRZ-OOK a 10 Gbps. La corrección de

la asimetría da al sistema una detección de los

umbrales de decisión (niveles de unos y ceros) más

eficientes al mejorar la apertura del ojo.

TABLA II. MEDIDAS DE LOS PARÁMETROS DE MONITOREO CON ECUALIZADORES FFE-NLY DFE

. TÉCNICA DE POST-COMPENSACIÓN ELECTRÓNICA. FORMATO DE MODULACIÓN NRZ-OOK. POTENCIA DE TRANSMISIÓN DE 4mW.

Tipo de

Ecualizador

Taps Sección Feed

Fordward Taps sección Feedback Dispersión

Acumulada

BER Q(dB) Apertura del ojo (V) OSNR (dB)

FFE-NL 8 0 2021 3.6x10-21 9.368 3x10-3 20.81

DFE 6 2 2021 3.3x10-24 10.08 2.9x10-3 21.94

TÉCNICA DE POST-COMPENSACIÓN ELECTRÓNICA. FORMATO DE MODULACIÓN NRZ-DPSK. POTENCIA DE TRANSMISIÓN DE 4mW.

Tipo de

Ecualizador

Taps Sección Feed

Fordward Taps sección Feedback Dispersión

Acumulada

BER Q(dB) Apertura del ojo (V) OSNR (dB)

FFE-NL 7 0 2189 2.9x10-9 15.30 2.4x10-3 17.80

DFE 5 2 2189 4.3x10-10 15.75 2.7x10-3 19.64

(a)

Fig. 3. Diagrama de ojo tomado a los 120km de smf-128,

técnica de post-compensación electrónica, formato de

modulación NRZ-OOK. a) Sin ecualización. b) Con

ecualización DFE. Las regiones punteadas representan la

apertura del ojo.

(b)



.


6

La Tabla III muestra los parámetros de monitoreo

obtenidos, a través del ecualizador en cascada FFE-

NL y DFE, consiguiendo optimizar la BER, el

factor Q y la OSNR, además de recuperar la

simetría del diagrama del ojo que se aprecia al

comparar la Fig. 3(b) y Fig. 4.

El alcance del enlace óptico para está simulación,

fue fijado en 120 km, para una dispersión

acumulada de 2021 ps/nm y una potencia de

transmisión de 4mW.

El ecualizador en cascada puede extender su

alcance a 136 km, si la BER requerida es la mínima

teórica de 10-9

, lo que conlleva a tener un factor Q

de 15.85 dB y una OSNR de 18.34 dB. Para

examinar este tipo de tendencias se muestra la Fig.

13 donde se varia la longitud de SMF-28, se fija la

potencia de transmisión a 4mW y se dispone del

ecualizador FFE con 9 taps para la primera etapa, en

la segunda etapa DFE se tienen 7 taps para la

sección feed forward, y 2 taps para la sección feed

back.

En la Figura. 5, se muestra el desempeño de la red

WDM con el ecualizador en cascada propuesto,

donde es notorio que a medida que la distancia

aumenta (implícitamente aumenta la dispersión

acumulada) el desempeño de la red con el

ecualizador se degrada, de manera que el diseño de

este dispositivo y su complejidad en hardware y

software, están sujetos a los objetivos de desempeño

que se deseen alcanzar.

V. CONCLUSIONES

La técnica de post-compensación electrónica con

el ecualizador en cascada FFE-NL y DFE, presenta

el mejor desempeño, ya que compensa mayor CD

(alrededor de los 2290 ps/nm) incrementando el

alcance del enlace hasta los 136 km, utilizando el

formato de modulación tradicional NRZ-OOK,

potencia de transmisión de 4mW y con la menor

complejidad computacional al utilizar un numero de

taps muy reducido. Es importante aclarar que los

parámetros de desempeño pueden mejorar si se

aumenta la complejidad del ecualizador, sin

embargo, esto puede requerir una mayor potencia de

transmisión y arquitectura hardware/software,

teniendo presente la aparición considerable de los

efectos no lineales. Por otro lado, la técnica de pre-

compensación electrónica para la CD con

Fig. 5. Medidas de la BER v/s longitud, con la técnica de

post-compensación electrónica con ecualizador en cascada

FFE-NL – DFE y formato de modulación NRZ-OOK.

TABLA III

PARÁMETROS DE MONITOREO CON EL ECUALIZADOR EN CASCADA FFE-NL - DFE. FORMATO DE MODULACIÓN NRZ-OOK. POTENCIA DE TRANSMISIÓN

DE 4mW.

Taps FFE Primera Etapa Taps sección Feed

Forward Segunda Etapa

Taps sección

Feedback Segunda Etapa

BER Q (dB) Apertura del ojo

(V)

OSNR (dB)

9 7 2 2.8x10-25 20.27 3.4x10-3 20.91

Fig. 4. Diagrama de ojo tomado a los 120km de smf-128,

técnica de post-compensación electrónica con ecualizador

en cascada FFE-NL – DFE, formato de modulación NRZ-

OOK.



.


7

ecualizadores, es una alternativa teóricamente

realizable, sin embargo, su alta complejidad no la

hace viable para implementarla en una red WDM,

ya que interviene las características del transmisor.

La técnica de pre-compensación óptica puede lograr

mayor alcance si se aumenta el número de spans,

conllevando a desplegar una mayor cantidad de

DCF y de amplificadores. Es de suma importancia,

recalcar que el formato de modulación NRZ-DPSK

con las técnicas de compensación ópticas para la

CD, tiene buenas prestaciones en los parámetros de

desempeño para redes de largo alcance, sin

embargo, es un formato más complejo de

implementar tanto en transmisión como en

recepción.

En base a lo mencionado anteriormente, debe

considerarse que la EDC basada en ecualizadores

puede ser muy útil para redes metropolitanas de

corto alcance, que están en el rango de los 100 a

140 km, ahorrando costos en el despliegue de

DCF’s y EDFA’s. De igual forma, la EDC puede

ser aplicada para optimizar el desempeño de una red

WDM con ODM, mitigando la dispersión residual.

RECONOCIMIENTO

Agradecimientos por las asesorías y

recomendaciones de los Ingenieros Aldo Peruggia,

Phd. Pablo Mena, Jigesh Patel del Instituto de

investigación tecnológica de la India – ITT y

soporte de la herramienta OptSim® de Rsoft , cuyo

apoyo fue muy valioso para la consecución de los

objetivos propuestos. De igual manera a Francisco

Apablaza de la escuela de Ingeniería de la

Universidad Católica de Valparaiso - Chile y al

Grupo de investigación de Nuevas Tecnologías en

Telecomunicaciones GNTT de la Universidad del

Cauca.

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