NGN - Guía rápida
El advenimiento de las comunicaciones de voz y datos de alta velocidad ha provocado la necesidad de un medio rápido para transportar la información. Los circuitos o enlaces digitales han evolucionado a partir de la necesidad de transmitir voz o datos en forma digital.
La conversión de forma analógica a digital sigue un proceso de cuatro etapas ( ver la siguiente figura ) y se detallará en las siguientes secciones.
Muestreo
Las frecuencias de voz adoptan la forma de una señal analógica, es decir, una onda sinusoidal ( consulte la siguiente figura ). Esta señal debe convertirse en formato binario para que pueda transmitirse por un medio digital. La primera etapa de esta conversión es convertir la señal de audio en unPulse Amplitude Modulation(PAM)señal. Este proceso se conoce genéricamente comosampling.
El proceso de muestreo debe recopilar suficiente información de las frecuencias de voz entrantes para permitir que se realice una copia de la señal original. Las frecuencias de voz están normalmente en el rango de300Hz to 3400Hz, normalmente conocido como el commercial speech band.
Para obtener una muestra, se aplica una frecuencia de muestreo a la frecuencia de voz original. La frecuencia de muestreo está determinada porNyquist Sampling Theorem, que dicta que “the frequency of sampling should be at least twice the highest frequency component.”
Esto asegura que se tome una muestra como mínimo una vez en cada medio ciclo, eliminando así la posibilidad de muestrear en puntos cero del ciclo, que no tendrían amplitud. Esto da como resultado que la frecuencia de muestreo sea de un mínimo de 6,8 KHz.
El estándar europeo muestrea una señal entrante en 8 KHZ, asegurando una muestra, se toma cada 125micro secondso 1/8000 de segundo ( consulte la siguiente figura ).
Cuantificación
Idealmente, a la amplitud de cada muestra se le asignaría un código binario (unos o ceros), pero como puede haber un número infinito de amplitudes; por lo tanto, debe haber un número infinito de códigos binarios disponibles. Esto no sería práctico, por lo que se debe emplear otro proceso, que se conoce comoquantizing.
La cuantificación compara la señal PAM con una escala de cuantificación, que tiene un número finito de niveles discretos. La escala de cuantificación se divide en 256 niveles de cuantificación, de los cuales 128 son niveles positivos y 128 son niveles negativos.
La etapa de cuantificación implica la asignación de un código binario único de 8 bits apropiado para el intervalo de cuantificación en el que cae la amplitud de la señal PAM ( ver la siguiente figura ).
Esto consta de 1 bit de polaridad y los 7 bits restantes se utilizan para identificar el nivel de cuantificación ( como se muestra en la figura anterior ).
El primer bit como se vio antes es el bit de polaridad, los siguientes tres bits para el código de segmento, dando ocho códigos de segmento, y los cuatro bits restantes para el nivel de cuantificación, dando dieciséis niveles de cuantificación.
Companding
El proceso de cuantificación en sí mismo conduce a un fenómeno conocido como quantization distortion. Esto ocurre cuando la amplitud de la señal muestreada cae entre los niveles de cuantificación. La señal siempre se redondea al nivel completo más cercano. Esta diferencia entre el nivel muestreado y el nivel de cuantificación es la distorsión de cuantificación.
La tasa de cambio de la amplitud de una señal varía en diferentes partes del ciclo. Esto sucede más en las frecuencias altas, ya que la amplitud de la señal cambia más rápido que en las frecuencias bajas. Para superar esto, el primer código de segmento tiene los niveles de cuantificación muy próximos. El siguiente código de segmento tiene el doble de altura que el anterior y así sucesivamente. Este proceso se conoce comocompanding, ya que comprime señales más grandes y expande señales más pequeñas.
En Europa utilizan el A-law de companding, en comparación con América del Norte y Japón que utilizan el μ law.
Como la distorsión de cuantificación es equivalente al ruido, la compactación mejora la relación señal / ruido en señales de baja amplitud y produce una relación señal / ruido aceptable en todo el rango de amplitudes.
Codificación
Para que la información binaria se transmita a través de una ruta digital, la información debe modificarse en un código de línea adecuado. La técnica de codificación empleada en Europa se conoce comoHigh Density Bipolar 3 (HDB3).
HDB3 se deriva de un código de línea llamado AMI o Alternate Mark Inversion. Dentro de la codificación AMI, se utilizan 3 valores: ninguna señal para representar un 0 binario y una señal positiva o negativa que se utiliza alternativamente para representar un 1 binario.
Un problema asociado con la codificación AMI ocurre cuando se transmite una larga cadena de ceros. Esto puede causar problemas de bucle de bloqueo de fase en el receptor del extremo distante.
HDB3funciona de manera similar a AMI, pero incorpora un paso de codificación adicional que reemplaza cualquier cadena de cuatro ceros por tres ceros seguidos de un 'bit de infracción'. Esta violación es de la misma polaridad de la transición anterior ( ver la siguiente figura ).
Como se puede ver en el ejemplo, 000V reemplaza la primera cadena de cuatro ceros. Sin embargo, el uso de este tipo de codificación podría llevar a la introducción de un nivel de CC medio en la señal, ya que podría estar presente una larga cadena de ceros, todos codificados de la misma manera. Para evitar esto, la codificación de cada cuatro ceros sucesivos se cambia a B00V, utilizando un bit de 'Violación bipolar' que alterna en polaridad.
A partir de esto, se puede suponer que con la codificación HDB3, el número máximo de ceros sin una transición es tres. Esta técnica de codificación a menudo se denominamodulation format.
Multiplexación
Hasta ahora, nos hemos concentrado solo en un canal de voz. Ahora, necesitamos combinar varios de estos canales en una sola ruta de transmisión, un proceso conocido comomultiplexing. La multiplexación es un proceso empleado en el que se pueden combinar varios canales para que se transmitan por una única ruta de transmisión. El proceso comúnmente utilizado en telefonía se conoce comoTime Division Multiplexing (TDM).
Como hemos visto antes, el muestreo de un canal se realiza cada 125 micro seconds. Esto hace posible muestrear otros canales durante este período. En Europa, el lapso de tiempo se divide en32 períodos de tiempo, conocidos como timeslots. Estos 32 intervalos de tiempo se pueden agrupar para formar unframe( ver la siguiente figura ).
En consecuencia, la duración de un fotograma se puede considerar como 125 microsegundos. Ahora también se puede suponer que como cada intervalo de tiempo consta de 8 bits de datos y se repite 8000 veces, se puede alcanzar una velocidad de canal de 64000 bits por segundo o 64 Kbits. Con esta información ahora es posible determinar el número total de bits de datos transmitidos a través de la ruta única, conocida comosystem bit rate. Esto se calcula utilizando la siguiente fórmula:
Velocidad de bits del sistema = Frecuencia de muestreo x Número de intervalos de tiempo x Bits por intervalo de tiempo = 8000 x 32 x 8, = 2048000 bits / seg, = 2,048 Mbits
De los 32 canales disponibles, 30 se utilizan para transmisión de voz y los 2 intervalos de tiempo restantes se utilizan para alineación y señalización. La siguiente sección explicará la función de todos los intervalos de tiempo.
Intervalo de tiempo 1 a 15 y 17 a 31
Estos 30 intervalos de tiempo están disponibles para la transmisión de la señal analógica digitalizada en forma de 8 bits, con un ancho de banda de 64 kbit / s (por ejemplo, los datos de los clientes).
Intervalo de tiempo 0
El sistema europeo recomendado define que el intervalo de tiempo 0 de cada trama se utiliza para la sincronización, también conocida como frame alignment( ver la siguiente figura ). Esto asegura que los intervalos de tiempo en cada trama estén alineados entre la estación transmisora y la estación receptora.
los frame alignment word (FAW) se transporta en los bits de datos 2 a 8 de cada cuadro par, mientras que los cuadros impares llevan un not frame alignment word(NFAW) en el bit de datos 2 ( consulte la siguiente figura ).
También está disponible una verificación de errores en el intervalo de tiempo 0, cyclic redundancy check (CRC) para verificar la alineación de la trama, que se transporta en el bit de datos 1 de todas las tramas. También existe la posibilidad de informarFar End Alarms, que se indica mediante la inserción de un 1 binario en el bit de datos 3 de todas las tramas impares. Los bits de datos restantes 4 a 8 de las tramas impares se pueden utilizar para alarmas nacionales y gestión de red.
Intervalo de tiempo 16
El intervalo de tiempo 16 tiene 8 bits de datos disponibles y, mediante el uso de un código variable de 4 bits de datos, se puede realizar la señalización para 2 canales de voz en cada cuadro.
Por lo tanto, se puede ver que se requieren 15 cuadros para completar la señalización de todos los canales de voz ( ver la siguiente Figura ).
Como ahora se transportan múltiples tramas en un orden lógico, tiene que haber un dispositivo para alinearlas. Esto se logra utilizando la trama anterior a las tramas que contienen información de señalización, conocida como trama 0.
Timeslot 16 in Frame 0 contiene una multi-frame alignment word(MFAW), utilizando los bits de datos 1 a 4, y se utilizan para indicar el inicio de una trama múltiple, que se comprueban en la estación receptora ( consulte la siguiente figura ).
El bit de datos 6 se puede utilizar para indicar distant multi-frame alignment loss(DLMFA). Como se puede ver, una trama múltiple consta de todas las tramas necesarias para completar todas las operaciones de voz y señalización, es decir, 16 tramas, y se conoce comomulti-frame( ver la siguiente figura ).
La duración de un cuadro múltiple se puede calcular usando lo siguiente:
Duración del multitrama = Número de fotogramas x duración del fotograma
= 16 x 125 microsegundos
= 2000 microsegundos
= 2 milisegundos
Los canales restantes se pueden utilizar para la transmisión de voz o datos, y se conocen como intervalos de tiempo del 1 al 15 y del 17 al 31, y equivalen a los canales numerados del 1 al 30.
FAW = Palabra de alineación de fotogramas
MFAW = Palabra de alineación de varios marcos
DATOS = palabras de datos de 8 bits
SIG = intervalo de tiempo de señalización CAS
La Jerarquía digital plesiócrona (PDH) se ha desarrollado en etapas a partir del sistema básico PCM de 30 canales (PCM-30).
Como se puede ver en la siguiente figura, hay tres sistemas jerárquicos diferentes disponibles, cada uno de los cuales admite velocidades de línea y velocidades de multiplexación diferentes. Por lo tanto, las tasas agregadas más altas se pueden lograr agrupando las tasas más bajas mediante el uso de multiplexores.
Los enlaces de mayor velocidad de bits también requieren bits adicionales para el encuadre y el control. Por ejemplo, una señal de 8,4 Mbits se compone de 4 × 2,048 Mbits = 8,192 Mbits, y los 256 Kbits restantes se utilizan para encuadre y control.
Los sistemas jerárquicos europeos y norteamericanos se refieren a menudo por la letra ‘E’ para Europa y ‘T’para Norteamérica, con los niveles jerárquicos numerados consecutivamente. Estos niveles de jerarquía se pueden comparar en la siguiente figura:
Nivel jerárquico | Tasa de bits (Mbits) | Canales de voz | |
---|---|---|---|
Norteamérica | T1 | 1.544 | 24 |
T2 | 6.312 | 96 | |
T3 | 44.736 | 672 | |
T4 | 274.176 | 4032 | |
europeo | E1 | 2.048 | 30 |
E2 | 8.448 | 120 | |
E3 | 34.368 | 480 | |
E4 | 139.264 | 1920 | |
No definida | 565.148 | 7680 |
Estas velocidades de bits a menudo se abrevian en 1,5 meg, 3 meg, 6 meg, 44 meg, 274 meg y 2 meg, 8 meg, 34 meg, 140 meg y 565 meg respectivamente.
Como el legado de PDH es tan importante en la industria de las telecomunicaciones, se hizo necesario acomodar estas velocidades de línea en cualquier tecnología nueva que se introdujera, por lo tanto, muchas de las velocidades de línea PDH son compatibles con la Jerarquía digital síncrona (SDH). La única excepción a esto es la omisión del nivel de 8,4 Mbits, que ya no tiene ningún significado práctico y no es compatible con SDH.
En el sistema básico de 2 Mbits, los datos se intercalan en bytes, por lo que cada intervalo de tiempo de 8 bits se envía uno tras otro. En el caso de los niveles de jerarquía superiores, los flujos de datos se multiplexan juntos bit a bit. Una desventaja de este sistema es que la tasa de bits de cada señal tributaria puede variar del valor nominal debido a que cada multiplexor tiene sus propios suministros de reloj independientes. Estas desviaciones de reloj dependen de la velocidad de la línea y se pueden compensar utilizando técnicas de justificación dentro del ancho de banda restante después de la etapa de multiplexación. La velocidad de la línea también dicta el código de línea utilizado para la transmisión, como se puede ver a continuación:
Tasa de bits (Mbits) | Número de canales de 64 Kbit | Desviación de reloj permitida (ppm) | Código de interfaz | Medio / código de línea preferido | ||
---|---|---|---|---|---|---|
Equilibrado | Coaxial | Fibra óptica | ||||
2.048 | 30 | ± 50 | AMI | HDB3 | ||
8.448 | 120 | ± 30 | HDB3 | HDB3 | HDB3 | |
34.368 | 480 | ± 20 | HDB3 | HDB3 | 4B3T 2B1Q |
5B6B |
139.264 | 1920 | ± 15 | CMI | 4B3T | 5B6B |
Propiedades de PDH
Plesiócrono - "Casi sincrónico"
Multiplexación de señales de 2 Mbit / s en señales multiplexadas de orden superior.
El tendido de cables entre los sitios de conmutación es muy caro.
Incrementar la capacidad de tráfico de un cable aumentando la tasa de bits.
4 señales de orden inferior multiplexadas en una única señal de orden superior en cada nivel.
La tecnología PDH permite la multiplexación sucesiva de una señal de 2 M - 8 M, de 8 M - 34 M, de 34 M - 140 M y finalmente 140 M - 565 M sistemas.
También existían muxes de “salto” o “salto” que permitirían la multiplexación de 16 señales de 2 M en una señal de 34 M sin el nivel intermedio de 8 M.
Limitaciones de PDH
Synchronisation- Los datos se transmiten a intervalos regulares. Con la sincronización derivada del oscilador del transmisor, los datos se muestrean a la misma velocidad a la que se transmiten.
Los datos se transmiten a intervalos regulares. Con la sincronización derivada del oscilador del transmisor, los datos se muestrean a una velocidad más lenta que el transmisor. Una de las desventajas de PDH fue que cada elemento se sincronizó de forma independiente. Para que los datos se reciban correctamente, la tasa de muestreo en el extremo del receptor debe ser la misma que la tasa de transmisión en el extremo del transmisor.
Los datos se transmiten a intervalos regulares. Con la sincronización derivada del oscilador del transmisor, los datos se muestrean a un ritmo más rápido que el transmisor. Si el oscilador en el extremo del receptor funcionara más lento que en el extremo del transmisor, el receptor perdería algunos de los bits de la señal transmitida.
O, si el reloj del receptor funcionaba más rápido que el del transmisor, el receptor muestrearía algunos de los bits dos veces.
Los bits de justificación se agregan a las señales de orden inferior para que puedan multiplexarse a una sola velocidad. El oscilador del equipo se utiliza como fuente de tiempo para el proceso de adaptación de la tasa de bits en el orden inferior y también en el proceso de multiplexación. Los bits de justificación se descartan en el extremo recibido cuando las señales se demultiplexan.
Debido a los métodos de sincronización que se utilizaron, fue imposible desmultiplexar desde una señal de orden superior a la señal tributaria de orden más bajo en un solo equipo. Era necesario desmultiplexar en todos los niveles para acceder a la señal que se estaba cayendo en un sitio y luego volver a multiplexar todos los demás canales a la velocidad más alta. Esto significaba que tenía que haber mucho equipo en el sitio para lograrlo. Esto se conoce comoPDH Mux Mountain. Todo este equipo ocupaba mucho espacio en el sitio y también aumentaba la necesidad de guardar repuestos en los sitios.
La falta de resistencia en las redes PDH significaba que si ocurría una rotura de fibra, el tráfico se perdería. La administración de la red PDH simplemente informa las alarmas a los operadores de NOC. El personal de los CON no dispone de herramientas de diagnóstico o de recuperación. Se debe enviar un ingeniero de mantenimiento al sitio con una cantidad mínima de información. Cada elemento de red requiere una conexión a la red DCN ya que no existen instalaciones para transportar información de gestión a través de la red PDH.
La falta de estándares para la interconexión significó que no era posible interconectar equipos de múltiples proveedores. El equipo podría operar en diferentes longitudes de onda, usar diferentes velocidades de bits o interfaces ópticas patentadas.
SDH Networks reemplazó a PDH y tuvo varias ventajas clave.
Las recomendaciones de la UIT G.707, G.708 y G.709 proporcionan la base para la creación de redes globales.
Las redes se benefician de la resistencia del tráfico para minimizar la pérdida de tráfico en caso de rotura de fibra o falla del equipo.
La tecnología de monitoreo incorporada permite la configuración remota y la resolución de problemas de la red.
La tecnología flexible permite el acceso tributario a cualquier nivel.
La tecnología preparada para el futuro permite velocidades de bits más rápidas a medida que avanza la tecnología.
Mientras que las redes PDH europeas no pueden interactuar con las redes estadounidenses, las redes SDH pueden transportar ambos tipos. Esta diapositiva muestra cómo se comparan las diferentes redes PDH y qué señales se pueden transportar a través de la red SDH.
SDH: topologías de red
Sistema de línea
Un sistema solitario es un sistema para la topología de red PDH. El tráfico se agrega y se elimina solo en los puntos finales de la red. Los nodos terminales se utilizan al final de la red para agregar y eliminar el tráfico.
Dentro de cualquier red SDH, es posible utilizar un nodo conocido como regenerador. Este nodo recibe la señal SDH de orden superior y la retransmite. No es posible un acceso de tráfico de orden inferior desde un regenerador y solo se utilizan para cubrir largas distancias entre sitios donde la distancia significa que la potencia recibida sería demasiado baja para transportar tráfico.
Sistema de anillo
Un sistema de anillo consta de varios add / drop muxes (ADM) conectados en una configuración de anillo. Se puede acceder al tráfico en cualquier ADM alrededor del anillo y también es posible que el tráfico se elimine en varios nodos para fines de transmisión.
La red de anillo también tiene la ventaja de ofrecer resistencia al tráfico, si hay una rotura de fibra, no pierdo el tráfico. La resiliencia de la red se analiza con más detalle más adelante.
Sincronización de red SDH
Si bien las redes PDH no se sincronizaron centralmente, las redes SDH sí (de ahí el nombre de jerarquía digital sincrónica). En algún lugar de la red de los operadores habrá una fuente de referencia primaria. Esta fuente se distribuye por la red, ya sea a través de la red SDH o a través de una red de sincronización separada.
Cada nodo puede cambiar a fuentes de respaldo si la fuente principal no está disponible. Se definen varios niveles de calidad y el nodo cambiará la siguiente fuente de mejor calidad que pueda encontrar. En los casos en los que el nodo utiliza la sincronización de la línea entrante, se utiliza el byte S1 en la tara de la MS para indicar la calidad de la fuente.
La fuente de menor calidad disponible para un nodo es generalmente su oscilador interno, en el caso de que un nodo cambie a su propia fuente de reloj interno, esto debe remediarse lo antes posible ya que el nodo puede comenzar a generar errores con el tiempo.
Es importante que la estrategia de sincronización para una red se planifique con cuidado, si todos los nodos de una red intentan sincronizarse con su vecino en el mismo lado, obtendrá un efecto llamado bucle de tiempo, como se muestra arriba. Esta red comenzará a generar errores rápidamente a medida que cada nodo intente sincronizarse entre sí.
Jerarquía SDH
El siguiente diagrama muestra cómo se construye la carga útil, y no da tanto miedo como parece al principio. El siguiente par de diapositivas explicará cómo se construye la señal SDH a partir de las cargas útiles de nivel inferior.
Marco STM-1
La trama se compone de filas de 9 gastos generales y 261 bytes de carga útil.
La trama se transmite fila por fila como se ilustra a continuación. Se transmiten los 9 bytes de sobrecarga en una fila, seguidos por los 261 bytes de carga útil, la siguiente fila se transmite de manera similar hasta que se haya transmitido toda la trama. Todo el cuadro se transmite en 125 microsegundos.
Gastos generales de STM-1
Las primeras 3 filas de los gastos generales se denominan gastos generales de la sección repetidora. La cuarta fila forma los punteros AU, y las últimas 5 filas contienen los gastos generales de la sección de multiplexación.
Para explicar los diferentes tipos de gastos generales, considere un sistema en el que la carga útil pasa a través de varios regeneradores intermedios antes de llegar al ADM desde el que se agrega / elimina.
Los gastos generales de la sección del repetidor se utilizan para comunicaciones y monitoreo entre dos nodos vecinos.
Los gastos generales de la sección de multiplexación se utilizan para las comunicaciones y el monitoreo entre dos nodos que tienen funciones de agregar / quitar, como ADM.
En un nivel inferior, también hay gastos generales de ruta que se agregan a un nivel tributario, estos se discutirán con más detalle más adelante.
El monitoreo de diferentes alarmas aéreas facilita la localización de problemas en la red. Una alarma RS indica un problema en el lado HO SDH entre dos nodos, mientras que si investiga una alarma MS puede descartar problemas en los nodos regeneradores.
Rastreo de ruta SDH
El trazado de la ruta puede ser muy útil para identificar problemas de interconexión entre nodos. Puede haber varias interconexiones físicas, como empalmes y parches dentro de marcos ópticos entre dos nodos. El operador de red configura cada nodo para enviar una cadena única que lo identifica.
Cada nodo también está configurado con la cadena que debe recibir de su nodo vecino.
Si el seguimiento de la ruta que recibe el nodo coincide con el que espera, entonces todo está bien.
Si la traza de la ruta recibida no coincide con la traza que espera el nodo, esto indica un problema con la conexión entre los nodos.
Gestión de SDH
Los canales DCC contenidos dentro de los gastos generales de la sección permiten una fácil gestión de la red SDH. Un sistema de gestión de red conectado a un nodo de la red puede comunicarse con otros nodos de la red utilizando los canales DCC. El nodo que está conectado a la red DCN se conoce como el nodo de puerta de enlace, para propósitos de resistencia, generalmente hay más de un nodo de puerta de enlace en la red.
Resistencia de la red SDH
En una configuración de anillo, el tráfico se envía a ambas rutas alrededor del anillo desde el ADM (Agregar / Eliminar multiplexor) de origen. En cualquier ADM donde la señal no se pierde, simplemente pasa. Aunque el tráfico pasa alrededor del anillo por ambas rutas, pero solo se usa una ruta para extraer el tráfico en el ADM receptor, esta ruta es laactive routeo camino. La otra ruta se conoce comostandby route o camino.
Si hay una rotura de fibra en la ruta activa, el ADM receptor cambiará utilizando la señal alternativa como ruta activa. Esto permite la restauración rápida y automática del flujo de tráfico a los clientes. Cuando se repara la rotura de la fibra, el anillo no retrocede automáticamente ya que esto causaría un "impacto" de tráfico adicional, pero lo utilizará como ruta de espera en caso de fallas futuras en la nueva ruta activa. El MUX que pierde tráfico utilizará los bytes K para señalar el interruptor de protección de regreso al MUX de origen.
Los conmutadores de anillo manuales también se pueden realizar desde el centro de gestión de la red o desde terminales locales operados por ingenieros.
WDM es una tecnología que permite que varias señales ópticas sean transmitidas por una sola fibra. Su principio es esencialmente el mismo que el de la multiplexación por división de frecuencia (FDM). Es decir, varias señales se transmiten utilizando diferentes portadoras, ocupando partes no superpuestas de un espectro de frecuencias. En el caso de WDM, la banda de espectro utilizada está en la región de 1300 o 1550 nm, que son dos ventanas de longitud de onda en las que las fibras ópticas tienen una pérdida de señal muy baja.
Inicialmente, cada ventana se utilizó para transmitir una única señal digital. Con el avance de los componentes ópticos, como los láseres de retroalimentación distribuida (DFB), los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) y los fotodetectores, pronto se advirtió que cada ventana de transmisión podía ser utilizada por varias señales ópticas, cada una ocupando un espacio. pequeña tracción de la ventana de longitud de onda total disponible.
De hecho, el número de señales ópticas multiplexadas dentro de una ventana está limitado únicamente por la precisión de estos componentes. Con la tecnología actual, se pueden multiplexar más de 100 canales ópticos en una sola fibra. La tecnología fue nombrada entoncesdense WDM (DWDM).
La principal ventaja de DWDM es su potencial para aumentar de manera rentable el ancho de banda de la fibra óptica en muchos pliegues. La gran red de fibras que existe en todo el mundo puede tener repentinamente multiplicada su capacidad, sin la necesidad de alargar nuevas fibras, un proceso costoso. Obviamente, los nuevos equipos DWDM deben conectarse a estas fibras. Además, podrían ser necesarios regeneradores ópticos.
La UIT (T) está normalizando el número y la frecuencia de las longitudes de onda que se utilizarán. El conjunto de longitudes de onda utilizado es importante no solo para la interoperabilidad, sino también para evitar interferencias destructivas entre señales ópticas.
La siguiente tabla muestra las frecuencias centrales nominales basadas en el espaciamiento mínimo de canales de 50 GHz anclado a la referencia de 193,10 THz. Tenga en cuenta que el valor de C (velocidad de la luz) se toma igual a 2.99792458 x 108 m / seg. para convertir entre frecuencia y longitud de onda.
La cuadrícula UIT-T (dentro de la banda C), Rec. UIT (T). G.692
Frecuencias centrales nominales (THz) para espaciamiento de 50 GHz | Frecuencias centrales nominales (THz) para espaciamiento de 100 GHz | Longitudes de onda centrales nominales (Nm) |
---|---|---|
196.10 | 196.10 | 1528,77 |
196.05 | 1529.16 | |
196,00 | 196,00 | 1529,55 |
195,95 | 1529,94 | |
195,90 | 195,90 | 1530.33 |
195,85 | 1530.72 | |
195.80 | 195.80 | 1531.12 |
195,75 | 1531.51 | |
195.70 | 195.70 | 1531,90 |
195.65 | 1532.29 | |
195.60 | 195.60 | 1532.68 |
195.55 | 1533.07 | |
195,50 | 195,50 | 1533,47 |
195.45 | 1533.86 | |
195.40 | 195.40 | 1534.25 |
195.35 | 1534,64 | |
195.30 | 195.30 | 1535.04 |
195.25 | 1535,43 | |
195.20 | 195.20 | 1535.82 |
195.15 | 1536.22 | |
195.10 | 195.10 | 1536.61 |
195.05 | 1537,00 | |
195,00 | 195,00 | 1537.40 |
194,95 | 1537,79 | |
194,90 | 194,90 | 1538.19 |
194,85 | 1538.58 | |
194.80 | 194.80 | 1538,98 |
194,75 | 1539,37 | |
194,70 | 194,70 | 1539,77 |
194,65 | 1540.16 | |
194.60 | 194.60 | 1540.56 |
194,55 | 1540,95 | |
194,50 | 194,50 | 1541.35 |
194,45 | 1541,75 | |
194,40 | 194,40 | 1542.14 |
194,35 | 1542.54 | |
194.30 | 194.30 | 1542,94 |
194.25 | 1543,33 | |
194,20 | 194,20 | 1543,73 |
194.15 | 1544.13 | |
194.10 | 194.10 | 1544.53 |
194.05 | 1544,92 | |
194,00 | 194,00 | 1545.32 |
193,95 | 1545,72 | |
193,90 | 193,90 | 1546.12 |
193,85 | 1546.52 | |
193.80 | 193.80 | 1546,92 |
193,75 | 1547.32 | |
193,70 | 193,70 | 1547,72 |
193,65 | 1548.11 | |
193.60 | 193.60 | 1548.51 |
193,55 | 1548,91 | |
193,50 | 193,50 | 1549,32 |
193,45 | 1549,72 | |
193,40 | 193,40 | 1550.12 |
193,35 | 1550.52 | |
193.30 | 193.30 | 1550,92 |
193.25 | 1551,32 | |
193.20 | 193.20 | 1551,72 |
193.15 | 1552.12 | |
193.10 | 193.10 | 1552.52 |
193.05 | 1552,93 | |
193,00 | 193,00 | 1533,33 |
192,95 | 1553,73 | |
192,90 | 192,90 | 1554.13 |
192,85 | 1554.54 | |
192,80 | 192,80 | 1554,94 |
192,75 | 1555,34 | |
192,70 | 192,70 | 1555,75 |
192,65 | 1556.15 | |
192,60 | 192,60 | 1556,55 |
192,55 | 1556,96 | |
192,50 | 192,50 | 1557,36 |
192,45 | 1557,77 | |
192.40 | 192.40 | 1558.17 |
192,35 | 1558.58 | |
192.30 | 192.30 | 1558,98 |
192.25 | 1559,39 | |
192.20 | 192.20 | 1559,79 |
192.15 | 1560.20 | |
192.10 | 192.10 | 1560.61 |
DWDM dentro de la red
Una red SDH típica tendrá dos fibras en cada lado de cada nodo, una para transmitir a su neighbor on y uno para recibir de su neighbor on.
Si bien tener dos fibras entre un sitio no suena tan mal, en la práctica probablemente habrá muchos sistemas ejecutándose entre sitios, aunque no formen parte de la misma red.
Con solo las dos redes que se muestran arriba, ahora se requieren cuatro fibras entre los sitios C y D, y el tendido entre sitios es extremadamente costoso. Aquí es donde entran en juego las redes DWDM.
Con un sistema DWDM, la cantidad de fibras necesarias entre los sitios C y D se reduce a una sola fibra. Los equipos DWDM modernos pueden multiplexar hasta 160 canales, lo que representa un enorme ahorro en la inversión en fibra. Debido a que el equipo DWDM funciona solo con la señal física, no afecta en absoluto la capa SDH de la red. La señal SDH no se termina ni se interrumpe, en lo que respecta a la red SDH. Todavía existe una conexión directa entre los sitios.
Las redes DWDM son independientes del protocolo. Transportan longitudes de onda de luz y no operan en la capa de protocolo.
Los sistemas DWDM pueden ahorrar grandes cantidades de dinero a los operadores de red al colocar fibra, incluso más en largas distancias. Usando amplificadores ópticos, es posible transmitir una señal DWDM a largas distancias.
Un amplificador recibe una señal DWDM de longitud de onda múltiple y simplemente la amplifica para llegar al siguiente sitio.
Un amplificador operacional amplificará las lambdas rojas o azules, si está amplificando las lambdas rojas, eliminará los canales azules recibidos y viceversa. Para amplificar en ambas direcciones, se requiere uno de ambos tipos de amplificador.
Para que el sistema DWDM funcione de manera satisfactoria, se deben ecualizar las longitudes de onda entrantes al amplificador óptico.
Esto implica configurar todas las fuentes ópticas entrantes al sistema DWDM a niveles de potencia óptica similares. Las longitudes de onda que no se han ecualizado pueden mostrar errores al transportar tráfico.
Algunos fabricantes de equipos DWDM ayudan a los técnicos de campo midiendo las potencias ópticas de los canales entrantes y recomendando qué canales requieren ajuste de potencia.
La ecualización de las longitudes de onda se puede realizar de varias formas; Se puede instalar un atenuador óptico variable entre el marco de gestión de fibra y el acoplador DWDM; un ingeniero puede ajustar la señal en el lado del acoplador DWDM.
Alternativamente, el equipo fuente puede tener transmisores ópticos de salida variable, esto permite al ingeniero ajustar la potencia óptica a través del software en el equipo fuente.
Algunos acopladores DWDM tienen atenuadores integrados para cada canal recibido, un ingeniero puede ajustar cada canal en el punto de acceso DWDM.
Cuando múltiples frecuencias de luz viajan a través de una fibra, puede ocurrir una condición conocida como mezcla de cuatro ondas. Se generan nuevas longitudes de onda de luz dentro de la fibra a longitudes de onda / frecuencias determinadas por la frecuencia de las longitudes de onda originales. La frecuencia de las nuevas longitudes de onda viene dada por f123 = f1 + f2 - f3.
La presencia de las longitudes de onda puede afectar negativamente a la relación señal óptica a ruido dentro de la fibra y afectar la BER del tráfico dentro de una longitud de onda.
COMPONENTES WDM
Los componentes de WDM se basan en varios principios ópticos. La figura que se muestra a continuación muestra un solo enlace WDM. Los láseres DFB se utilizan como transmisores, uno para cada longitud de onda. Un multiplexor óptico combina estas señales en la fibra de transmisión. Los amplificadores ópticos se utilizan para bombear la señal óptica para compensar las pérdidas del sistema.
En el lado del receptor, los demultiplexores ópticos separan cada longitud de onda, para ser entregados a los receptores ópticos al final del enlace óptico. Las señales ópticas se agregan al sistema mediante los ADM ópticos (OADM).
Estos dispositivos ópticos son equivalentes a los ADM digitales, que preparan y dividen las señales ópticas a lo largo de la ruta de transmisión. Los OADM suelen estar hechos de rejillas de guía de ondas en matriz (AWG), aunque también se han utilizado otras tecnologías ópticas, como las rejillas de fibra de bragg.
Un componente clave de WDM es el interruptor óptico. Este dispositivo es capaz de cambiar señales ópticas desde un puerto de entrada dado a un puerto de salida dado. Es el equivalente a una barra transversal electrónica. Los conmutadores ópticos permiten la construcción de redes ópticas, por lo que una señal óptica determinada se puede enrutar hacia su destino apropiado.
Otro componente óptico importante es el convertidor de longitud de onda. Un convertidor de longitud de onda es un dispositivo que convierte una señal óptica que llega a una longitud de onda determinada en otra señal en una longitud de onda diferente, manteniendo el mismo contenido digital. Esta capacidad es importante para las redes WDM porque proporciona más flexibilidad en el enrutamiento de señales ópticas a través de la red.
REDES DE TRANSPORTE ÓPTICO
Las redes WDM se construyen conectando nodos de conexión cruzada de longitud de onda (WXC) en una determinada topología de elección. Los WXC se realizan mediante multiplexores y demultiplexores de longitud de onda, conmutadores y convertidores de longitud de onda.
La siguiente figura muestra una arquitectura de nodo WXC genérica.
Las señales ópticas, multiplexadas en la misma fibra, llegan a un demultiplexor óptico. La señal se descompone en varias portadoras de longitud de onda y se envía a un banco de conmutadores ópticos. Los interruptores ópticos encaminan las señales de varias longitudes de onda a un banco de salida.
Multiplexores, donde las señales se multiplexan e inyectan en las fibras salientes para su transmisión. Se pueden utilizar convertidores de longitud de onda entre el conmutador óptico y los multiplexores de salida para proporcionar más flexibilidad de enrutamiento. Los WXC se han investigado durante varios años. Las dificultades con los WXC son la diafonía y la tasa de extinción.
Un nodo de conexión cruzada de longitud de onda
Las redes de transporte óptico (OTN) son redes WDM que proporcionan servicios de transporte a través de trayectos ligeros. Una ruta de luz es una tubería de gran ancho de banda que transporta datos hasta varios gigabits por segundo. La velocidad del camino de la luz está determinada por la tecnología de los componentes ópticos (láseres, amplificadores ópticos, etc.). Actualmente se pueden alcanzar velocidades del orden de STM-16 (2488,32 Mbps) y STM-64 (9953,28 Mbps).
Una OTN se compone de nodos WXC, más un sistema de gestión, que controla la configuración y el desmontaje de las rutas de luz a través de funciones de supervisión como la monitorización de dispositivos ópticos (amplificador, receptores), recuperación de fallos, etc. El montaje y desmontaje de las rutas de luz se ejecutará en una gran escala de tiempo, como horas o incluso días, dado que cada uno de ellos proporciona capacidad de ancho de banda de la red troncal.
Existe mucha flexibilidad en la forma en que se implementan las OTN, según los servicios de transporte que se proporcionarán. Una de las razones de esta flexibilidad es que la mayoría de los componentes ópticos son transparentes a la codificación de señales. Solo en el límite de la capa óptica, donde la señal óptica debe convertirse de nuevo al dominio electrónico, importa la codificación.
Por lo tanto, los servicios ópticos transparentes para admitir varias tecnologías de redes electrónicas heredadas, como SDH, ATM, IP y retransmisión de tramas, que se ejecutan sobre la capa óptica, es un escenario probable en el futuro.
La capa óptica se divide además en tres subcapas:
La red de capa de canal óptico, que interactúa con clientes OTN, proporcionando canales ópticos (OChs).
La red de capa de multiplexación óptica, que multiplexa varios canales en una sola señal óptica.
La red de capa de sección de transmisión óptica, que proporciona la transmisión de la señal óptica a través de la fibra.
FORMATO DE MARCO OTN
De forma similar al uso de una trama SDH, se espera que el acceso a la OCh se realice a través de una trama OC, que está definida actualmente. El tamaño de la trama básica corresponde a la velocidad STM-16 o 2488,32 Mbps, que constituye la señal OCh básica. La siguiente figura muestra un posible formato de trama OCh.
Un marco de canal óptico
La región más a la izquierda de la trama (que se muestra en la figura que se muestra a continuación) está reservada para bytes de tara. Estos bytes se utilizarán para funciones OAM & P, similares a los bytes de sobrecarga de la trama SDH, discutidos anteriormente.
Sin embargo, es probable que se admitan funciones adicionales, como la provisión de fibras oscuras (reserva de una longitud de onda entre dos puntos finales para un solo usuario) y APS basado en la longitud de onda. La región más a la derecha de la trama está reservada para que se ejerza un esquema de corrección de errores hacia adelante (FEC) en todos los datos de carga útil. Un FEC sobre una capa de transmisión óptica aumenta la longitud máxima del tramo y reduce el número de repetidores. Se puede utilizar un código Reed-Solomon.
Varios OCh deben multiplexarse juntos en el dominio óptico para formar la señal del multiplexor óptico (OMS). Esto es paralelo a la multiplexación de varias tramas STM-1 en un formato de trama STM-N SDH. Se pueden multiplexar varios OCh para formar OMS.
La señal de cliente óptico se coloca dentro de la señal de carga útil OCh. La señal del cliente no está limitada por el formato de trama OCh. En cambio, se requiere que la señal del cliente sea solo una señal digital de tasa de bits constante. Su formato también es irrelevante para la capa óptica.
ANILLOS WDM
Conceptualmente, un anillo WDM no es muy diferente de un anillo SDH. Los WXC están interconectados en una topología de anillo, similar a los ADM SDH en un anillo SDH. La principal diferencia arquitectónica entre un anillo SDH y un anillo WDM se basa en las capacidades WXC de conmutación y conversión de longitud de onda.
Estas características se pueden utilizar, por ejemplo, para proporcionar niveles de protección sin paralelo en la tecnología SDH. En otras palabras, se puede proporcionar protección de longitud de onda o trayectoria de luz, además de protección de trayectoria y línea.
Los protocolos APS ópticos son tan complejos como los APS SDH. La protección se puede proporcionar en el nivel OCh o en el nivel de la sección de multiplexación óptica / sección de transmisión óptica. Algunas capacidades de protección adicionales se pueden implementar sin paralelo en anillos SDH. Por ejemplo, un camino de luz fallido (por ejemplo, un fallo de láser) se puede arreglar convirtiendo una señal óptica de una longitud de onda determinada en una diferente, evitando el redireccionamiento de la señal.
Esto es equivalente a la conmutación de tramo en SDH, con la diferencia de que incluso dos anillos WDM de fibra pueden proporcionar dicha capacidad para la protección OCh. Sin embargo, en la capa OMS, la protección de tramo requerirá cuatro anillos de fibra, como en SDH. Sin duda, estas características adicionales introducirán una complejidad adicional en los protocolos APS de capa óptica.
Una vez que el anillo WDM está activado, es necesario establecer trayectos de luz de acuerdo con el patrón de tráfico que se admitirá.
REDES MESH WDM
Las redes de malla WDM se construyen con los mismos componentes ópticos que los anillos WDM. Sin embargo, los protocolos que se utilizan en las redes malladas son diferentes de los que se utilizan en los anillos. Por ejemplo, la protección en redes de malla es una propuesta más compleja, al igual que el problema del enrutamiento y la asignación de longitud de onda en las redes de malla WDM.
Es probable que las redes de malla sean como infraestructuras troncales que conectan anillos WDM. Se espera que algunas de estas conexiones sean ópticas, evitando cuellos de botella ópticos / electrónicos y proporcionando transparencia. Otros requerirán la conversión de la señal óptica en el dominio electrónico para la gestión de la supervisión y, quizás, para fines de facturación. La siguiente figura muestra una red WDM.
Infrastructure - En esta figura, se muestran las tres siguientes capas de topología -
- Red de acceso
- Red regional
- Red troncal
Infraestructura de red WDM
Se incluyen tanto anillos SDH como redes ópticas pasivas (PON) como redes de acceso. Generalmente se basan en una topología de bus o estrella y se utiliza el protocolo de control de acceso al medio (MAC) para coordinar las transmisiones entre los usuarios. No se proporciona ninguna funcionalidad de enrutamiento en dichas redes.
Estas arquitecturas son prácticas para redes que soportan como máximo unos pocos cientos de usuarios en distancias cortas. Aunque las PON son redes menos costosas que los anillos WDM, debido a la falta de componentes activos y características como el enrutamiento de longitud de onda, los láseres necesarios en las fuentes de PON hacen que la primera generación de tales equipos sea aún más cara que los anillos SDH. Esto favorece la solución SDH a nivel de red de acceso, al menos en un futuro próximo.
Las redes troncales contienen componentes ópticos activos, por lo que proporcionan funciones como la conversión de longitud de onda y el enrutamiento. Las redes troncales tendrán que interactuar de alguna manera con tecnologías de transporte heredadas, como ATM, IP, PSTN y SDH.
El escenario general se muestra en la siguiente figura. Varios tipos de interfaz involucrados en la figura.
Superposición de una red de transporte WDM que transporta tráfico ATM / IP.
Encapsulación de tramas SDH
La trama OCh debe definirse para que la encapsulación de la trama SDH se pueda realizar fácilmente. El STM-16xc completo, por ejemplo, debe transportarse como una carga útil OCh. Si se utiliza un canal óptico STM-16 básico, es posible que no sea posible encapsular SDH-16xc en un canal óptico STM-16, debido a los bytes de sobrecarga OCh.
Actualmente se está definiendo el formato de trama OCh. La siguiente figura ejemplifica la encapsulación de tramas SDH en tramas OCh.
Interfaces SDH a WDM
Los equipos WDM con interfaces SDH físicas entregarán señales ópticas a los dispositivos SDH. Estas interfaces deben ser compatibles con versiones anteriores de la tecnología SDH. Por lo tanto, el dispositivo SDH no necesita conocer la tecnología WDM utilizada para transportar su señal (por ejemplo, el dispositivo puede pertenecer a un anillo BLSR / 4).
En este caso, el WXC caerá y agregará al medio óptico la longitud de onda utilizada originalmente en el anillo SDH. De esta forma, las capas WDM y SDH están completamente desacopladas, lo cual es necesario para la interoperabilidad de WDM con los equipos heredados de SDH.
Esto impone restricciones adicionales en la selección de longitudes de onda en la capa óptica, ya que la longitud de onda del último salto, la que interactúa con el dispositivo SDH, debe ser la misma que usa el dispositivo SDH para terminar la ruta óptica, si no se proporciona conversión de longitud de onda. dentro del dispositivo SDH.
Un enlace WDM
Tecnología | Detección | Restauracion | Detalles | |
---|---|---|---|---|
WDM | WDM-OMS / OCH | 1-10 ms | 10-30ms | Anillo / PP |
SDH | SDH | 0,1 ms | 50 ms | anillo |
APS 1 + 1 | 0,1 ms | 50 ms | PÁGINAS | |
Cajero automático | FDDI | 0,1 ms | 10 ms | anillo |
STM | 0,1 ms | 100 ms | ||
Cajero automático PV-C / P 1 + 1 | 0,1 ms | 10msxN | En espera N = # saltos | |
ATM PNNI SPV-C / P, SV-C / P | Años 40 | 1-10 s | ||
IP | Protocolo de puerta de enlace fronteriza | 180 ms | 10-100 s | |
Protocolo de enrutamiento de puerta de enlace interior y E-OSPF | Años 40 | 1-10 s | ||
Sistema intermedio | Años 40 | 1-10 s | ||
Protocolo de enrutamiento de Internet | 180 | 100 |
Según la tabla que se muestra arriba, aunque la restauración es más rápida en WDM que en la tecnología SDH, la detección de fallas en WDM es más lenta. La superposición más segura de los mecanismos de protección WDM / SDH requiere un esquema de protección WDM más rápido. Alternativamente, los APS de SDH podrían ralentizarse artificialmente si los clientes de SDH pueden permitirse la degradación del rendimiento en que incurren tales procedimientos.
La recuperación innecesaria de fallas en las capas superiores puede causar inestabilidad en la ruta y congestión del tráfico; por lo tanto, debe evitarse a toda costa. Las comprobaciones de persistencia de fallas se pueden utilizar en las capas superiores para evitar una reacción temprana a las fallas en las capas inferiores.
Una recuperación de falla en la subcapa OMS puede reemplazar los procedimientos de recuperación de varias instancias de las señales SDH que son servidas por la capa óptica. Por lo tanto, un número potencialmente grande de clientes SDH no tiene que iniciar procedimientos de recuperación de fallas en sus capas. Por lo tanto, una sola recuperación de falla en la subcapa óptica OMS puede ahorrar cientos.
Evolución hacia una red de transporte totalmente óptica
Es probable que la evolución hacia una red WDM totalmente óptica se produzca de forma gradual. Primero, los dispositivos WXC se conectarán a las fibras existentes. Es posible que se necesiten algunos componentes adicionales en el enlace óptico, como los EDFA, para que los enlaces de fibra heredados sean adecuados para la tecnología WDM. Los WXC interactuarán con equipos heredados, como SDH e interfaz de datos distribuidos por fibra (FDDI).
Una ventaja de una red de transporte transparente totalmente óptica es que es probable que se produzca la transferencia de funciones SDH a la capa superior (IP / ATM) o inferior (WDM) SDH, lo que genera ahorros en términos de actualización y mantenimiento de la red. Dicha reorganización de la capa podría afectar a las redes de transporte, suponiendo que el tráfico en tiempo real, incluida la voz, está empaquetado (IP / ATM). Esto podría conducir a la extinción de las señales SDH de los VC.
Entonces, una cuestión clave sería cómo empaquetar paquetes de manera más eficiente en SDH, o incluso directamente en tramas OCh. Cualquiera que sea el nuevo método de encapsulación que surja, la compatibilidad con versiones anteriores de encapsulación IP / PPP / HDLC y ATM es imprescindible.
DWDM utiliza un conjunto de longitudes de onda óptica (o canales) alrededor de 1,553 nm con un espaciado de canal de 0,8 nm (100 GHz), cada longitud de onda puede transportar información de hasta 10 Gbps (STM 64). Se pueden combinar y transmitir más de 100 de estos canales en una sola fibra. Se están realizando esfuerzos para reducir aún más los canales y aumentar la tasa de bits de datos en cada canal.
Experimentalmente, la transmisión de 80 canales, cada uno con 40 Gbps (equivalente a 3,2 Tbits / seg) en una sola fibra, se ha probado con éxito en una longitud de 300 km. La implementación de una red óptica DWDM de punto a punto y basada en anillo requiere un tipo más nuevo de elementos de red que puedan manipular señales sobre la marcha sin una costosa conversión OEO. Los amplificadores ópticos, los filtros, los multiplexores de caída de adición ópticos, los demultiplexores y la conexión cruzada óptica son algunos de los elementos esenciales de la red. MEMS juega un papel importante en el diseño y desarrollo de dichos elementos de red.
MEMS es un acrónimo de Micro Electro Mechanical Systems. Se utiliza para crear dispositivos ultraminiaturizados, con dimensiones desde unas pocas micras hasta un par de centímetros de ancho. Estos son bastante similares a un IC, pero con la capacidad de integrar partes mecánicas móviles en el mismo sustrato.
La tecnología MEMS tiene sus raíces en la industria de los semiconductores. Estos se fabrican mediante un proceso de fabricación por lotes similar a un VLSI. Un MEMS típico es un microsistema integrado en un chip que puede incorporar partes mecánicas móviles además de elementos eléctricos, ópticos, fluídicos, químicos y biomédicos.
Funcionalmente, MEMS incluye una variedad de mecanismos de trasudación para convertir señales de una forma de energía a otra.
Se pueden integrar muchos tipos diferentes de microsensores y microactuadores, procesamiento de señales, subsistemas ópticos y microinformática para formar un sistema funcional completo en un chip. La capacidad característica de MEMS es incluir partes mecánicas móviles en el mismo sustrato.
Debido al pequeño tamaño, es posible utilizar MEMS en lugares donde los dispositivos mecánicos son prácticamente imposibles de colocar; como, por ejemplo, dentro de un vaso sanguíneo de un cuerpo humano. El tiempo de respuesta y conmutación de los dispositivos MEMS también es menor que el de las máquinas convencionales y consumen menos energía.
Aplicación de MEMS
Hoy, los MEMS encuentran aplicación en todos los ámbitos. Las telecomunicaciones, las biociencias y los sensores son los principales beneficiarios. Los sensores de movimiento, aceleración y estrés basados en MEMS se están implementando masivamente en aeronaves y naves espaciales para aumentar la seguridad y la confiabilidad. Los satélites Pico (que pesan alrededor de 250 g) se desarrollan como dispositivos de inspección, comunicación y vigilancia. Estos utilizan sistemas basados en MEMS como carga útil, así como para su control orbital. Los MEMS se utilizan en boquillas de impresoras de inyección de tinta y cabezales de lectura / escritura de unidades de disco duro. La industria automotriz está utilizando MEMS en 'sistemas de inyección de combustible' y sensores de bolsas de aire.
Los ingenieros de diseño están incorporando MEMS en sus nuevos diseños para mejorar el rendimiento de sus productos. Reduce el costo y el tiempo de fabricación. La integración de múltiples funciones en MEMS proporciona un mayor grado de miniaturización, menor número de componentes y mayor confiabilidad.
Técnicas de diseño y fabricación
En las últimas décadas, la industria de los semiconductores ha alcanzado su madurez. El desarrollo de MEMS se beneficia en gran medida de esta tecnología. Inicialmente, las técnicas y materiales utilizados para el diseño y la fabricación de circuitos integrados (IC) se tomaron prestados directamente para el desarrollo de MEMS, pero ahora se están desarrollando muchas técnicas de fabricación específicas de MEMS. El micromecanizado de superficie, el micromaquinado a granel, el grabado de iones reactivos profundos (DRIE) y el micromoldeado son algunas de las técnicas avanzadas de fabricación de MEMS.
Utilizando el micromachining method, se depositan varias capas de polisilicio, típicamente de 1 a 100 mm de espesor, para formar una estructura tridimensional que tiene conductores metálicos, espejos y capas de aislamiento. Un proceso de grabado preciso elimina selectivamente una película subyacente (capa de sacrificio) dejando una película superpuesta denominada capa estructural capaz de movimiento mecánico.
Surface micromachiningse utiliza para fabricar una variedad de dispositivos MEMS en volúmenes comerciales. Se pueden ver capas de polisilicio y metal antes y después del proceso de grabado.
Bulk micromachininges otro proceso ampliamente utilizado para formar componentes funcionales para MEMS. Un solo cristal de silicio está modelado y moldeado para formar piezas tridimensionales de alta precisión como canales, engranajes, membranas, boquillas, etc. Estos componentes se integran con otras piezas y subsistemas para producir MEMS completamente funcionales.
Algunos bloques de construcción estandarizados para el procesamiento MEMS y los componentes MEMS son procesos MEMS multiusuario (MUMP). Estos son los cimientos de una plataforma que está dando lugar a un enfoque específico de aplicación para MEMS, muy similar al enfoque específico de aplicación (ASIC), que ha tenido tanto éxito en la industria de circuitos integrados.
Todas las redes ópticas DWDM y MEMS
Los expertos en telecomunicaciones de hoy se enfrentan a un desafío sin precedentes para acomodar una gama cada vez mayor de servicios de gran ancho de banda en las redes de telecomunicaciones. La demanda de ancho de banda está aumentando exponencialmente debido a la expansión de Internet y los servicios habilitados para Internet. La llegada de la multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) ha resuelto esta escasez tecnológica y ha cambiado por completo la economía de la red óptica central.
DWDM utiliza un conjunto de longitudes de onda ópticas (o canales) alrededor de 1553 nm con un espaciado de canal de 0,8 nm (100 GHz), cada longitud de onda puede transportar información de hasta 10 Gbps (STM 64). Se pueden combinar y transmitir más de 100 de estos canales en una sola fibra. Se están realizando esfuerzos para reducir aún más los canales y aumentar la tasa de bits de datos en cada canal.
Experimentalmente, la transmisión de 80 canales, cada uno con 40 Gbits / seg (equivalente a 3,2 Tbits / seg) en una sola fibra, se ha probado con éxito en una longitud de 300 km. La implementación de una red óptica DWDM de punto a punto y basada en anillo requiere un tipo más nuevo de elementos de red que puedan manipular señales sobre la marcha sin una costosa conversión OEO. Los amplificadores ópticos, los filtros, los multiplexores de caída de adición ópticos, los demultiplexores y la conexión cruzada óptica son algunos de los elementos esenciales de la red. MEMS juega un papel importante en el diseño y desarrollo de dichos elementos de red. Discutiremos en detalle Optical Add Drop Mux (OADM) y Optical Cross Connect (OXC).
Gran avance en conmutación óptica
Los científicos de Bell Labs demostraron un práctico interruptor óptico basado en MEMS durante el año 1999. Funciona como una barra de balancín con un espejo microscópico chapado en oro en un extremo. Una fuerza electrostática tira del otro extremo de la barra hacia abajo, levantando el espejo que refleja la luz en ángulo recto. La luz entrante se mueve así de una fibra a otra.
El éxito tecnológico es, de hecho, un componente básico de una variedad de dispositivos y sistemas, como multiplexores de adición / eliminación de longitud de onda, conmutadores de aprovisionamiento óptico, interconexión óptica y ecualizadores de señal WDM.
Multiplexor de caída óptico
Al igual que las redes SDH / SONET basadas en anillo, las redes totalmente ópticas basadas en DWDM están comenzando a despegar. Los diseñadores de redes SDH ya han establecido la superioridad de la red en anillo sobre la red en malla. En el anillo totalmente óptico, los anchos de banda (ls) se pueden reservar con fines de protección. Los multiplexores ópticos de adición de caída (OADM) son funcionalmente similares a los multiplexores de adición de caída (ADM) SDH / SONET. Se puede agregar o eliminar un grupo de longitudes de onda seleccionadas (ls) de una señal de luz de múltiples longitudes de onda. OADM elimina la costosa conversión OEO (óptica a eléctrica y posterior).
Se utiliza una matriz bidimensional de interruptores ópticos como se describe anteriormente para fabricar tal OADM que ofrece muy poca flexibilidad. Por otro lado, los multiplexores Add Drop reconfigurables (R-OADM) permiten una flexibilidad total. Se puede acceder a cualquiera de los canales que atraviesan, eliminarlos o agregar nuevos canales. La longitud de onda de un canal específico se puede cambiar para evitar el bloqueo. Los interruptores ópticos u OADM de este tipo se conocen como interruptores 2D o N2 porque el número de elementos de conmutación necesarios es igual al cuadrado del número de puertos y porque la luz permanece en un plano de dos dimensiones únicamente.
Un OADM de ocho puertos requiere 64 micro espejos individuales con su control en un dispositivo MEMS. Es bastante similar a los interruptores de 'barra transversal' utilizados en las centrales telefónicas.
Los interruptores ópticos de este tipo se han sometido a rigurosas pruebas mecánicas y ópticas. La pérdida de inserción promedio es inferior a 1,4 db con una excelente repetibilidad de ± 0,25 db en 1 millón de ciclos. Los OADM de tipo 2D / N2 con una configuración superior a 32 × 32 (espejos de conmutación 1024) se vuelven prácticamente inmanejables y antieconómicos. Se utilizan varias capas de estructuras de conmutadores más pequeñas para crear configuraciones más grandes.
Conexión cruzada óptica
La limitación del interruptor óptico de tipo 2D ha sido superada por una tecnología de conmutación óptica innovadora de Bell Labs. Es conocido popularmente como‘Free Space 3-D MEMS’ o ‘Light Beam Steering’. Utiliza una serie de microespejos de doble eje como interruptor óptico. El microespejo está montado en uno de los ejes de un conjunto de anillos de cardán acoplados en cruz, a través de un conjunto de resortes de torsión. Esta disposición permite que el espejo se mueva a lo largo de dos ejes perpendiculares en cualquier ángulo deseado. El espejo es accionado por una fuerza electrostática aplicada en cuatro cuadrantes debajo del espejo. La unidad completa de microespejos se replica utilizando tecnología MEMS para formar una 'estructura de conmutación' de 128 o 256 microespejos.
Una matriz de fibras de entrada colimadas se alinea con un conjunto de espejos que pueden redirigir la luz inclinando el espejo en los ejes X e Y al segundo conjunto de espejos alineados con las fibras de salida colimadas. Apuntando con precisión un juego de espejos a las fibras de entrada y salida, se puede realizar la conexión de luz deseada. Este proceso se denomina "dirección del haz de luz".
El tiempo de conmutación del conmutador MEMS 3D es inferior a 10 ms y los microespejos son extremadamente estables. Las conexiones cruzadas ópticas basadas en esta tecnología ofrecen varias ventajas únicas sobre las conexiones cruzadas de tipo OEO. OXC son de alta capacidad, escalables, verdaderamente independientes de la velocidad de bits y del formato de datos. Enruta de forma inteligente los canales ópticos sin una costosa conversión OEO. La huella y el consumo de energía reducidos son ventajas adicionales de la tecnología de conmutación totalmente óptica.
Los primeros sistemas WDM transportaban dos o cuatro longitudes de onda que estaban muy espaciadas. WDM y las tecnologías de “seguimiento” de CWDM y DWDM han evolucionado mucho más allá de esta limitación inicial.
WDM
Los sistemas WDM pasivos tradicionales están muy extendidos con 2, 4, 8, 12 y 16 canales como implementaciones normales. Esta técnica suele tener una limitación de distancia de menos de 100 km.
CWDM
Hoy en día, el WDM grueso (CWDM) generalmente usa un espaciado de 20 nm (3000 GHz) de hasta 18 canales. La Recomendación CWDM UIT-T G.694.2 proporciona una cuadrícula de longitudes de onda para distancias objetivo de hasta aproximadamente 50 km en fibras monomodo como se especifica en las Recomendaciones UIT-T G.652, G.653 y G.655. La cuadrícula CWDM está formada por 18 longitudes de onda definidas dentro del rango de 1270 nm a 1610 nm espaciadas por 20 nm.
DWDM
El espaciado común de WDM denso puede ser de 200, 100, 50 o 25 GHz con un recuento de canales que alcanza hasta 128 o más canales a distancias de varios miles de kilómetros con amplificación y regeneración a lo largo de dicha ruta.