DWDM

(Dense Wavelength Division

Multiplexing)

Preparado por:

José Fernando Sánchez S

Sistemas de Comunicaciones Avanzadas

UNITEC

(Abril-Julio 2009)

Introducción

• Incremento del ancho de banda necesario para el soporte de

aplicaciones multimedia, Arquitectura Cliente Servidor y

Procesamiento Distribuido

• El desarrollo de la infraestructura de fibra óptica ha apoyado la

interconexión de puntos distantes con gran necesidad de ancho de

banda (100 Mbps a 10 Gbps) brindando beneficios extendidos

• Investigaciones han determinado que el Diodo Laser (LD) y la Fibra

Optica Monomodo son incompatibles al analizar los problemas de

eficiencia del haz de luz con el nucleo de la fibra por los modos

transversales de alto orden emitidos por los LD

• El uso de la multiplexación por división de longitud de onda (WDM)

ha incrementado esta capacidad entre (Desde 40 Gbps hasta +1

Tbps.) llegando a redes bidireccionales multicanales de transmisión

coherente que contienen equipos ópticos totalmente pasivos.

Uso de WDM en Redes de Proveedores de

Contenido

OADM

WDM10G

Core

Acceso ULTIMA MILLA

STM-XX

Backbone

STM-XXSTM-XX

ISP

Proveedores de contenido

Grandes empresas Soho/ Pymes Sector residencial

¿Que es WDM?

• Tecnología que acopla varias longitudes de

onda en una misma fibra con el objetivo de

tener varios canales de transmisión con el

consiguiente incremente del ancho de banda

agregado por fibra a la taza de transmisión (Bit-

rate) de cada longitud de onda.

• Ejemplo: 40 longitudes de onda λ a 10 Gbps por

λ en una misma fibra incrementa el agregado a

400 Gbps lo que representa solo una fracción

del potencial total de las Fibras Opticas.

Tecnología WDM

Tecnologías clave en Sistemas WDM

¿Que es OFDM?

• Acrónimo de Optical Frecuency Division Multiplexing empleado en los primeros días de WDM.

• En OWDM el espaciado entre cada longitud de onda esta en el orden de 1 nm.

• En OFDM esta en relación con la tasa de transmisión de la señal.

• En WDM cada canal representa un flujo de bits llevado por una portadora diferente. Diferentes canales pueden llevar datos a tasas de transmisión distintas que pertenecen a servicios diferentes (Video, Voz, ATM, SDH, etc).

Ahora Dense WDM

• Tecnología que acopla un mayor número de

longitudes de onda en una misma fibra (λ ≥ 40).

Usualmente los equipos de DWDM pueden

acoplar 40, 80 o 160 longitudes de onda.

• Ejemplo: 55 longitudes de onda λ a 20 Gbps por

λ en una misma fibra incrementa el agregado a

1,1 Tbps.

Opciones de incremento en la

capacidad de las redes

Faster Electronics

(TDM)Mayor tasa de bits, misma fibra

Electrónica mas costosa

More Fibers

(SDM)

Igual tasa de bits, mas fibras

Mercadeo lento

Costos de Ingeniería altos

Derechos de paso limitados

Ductos de salida

W

D

M

Misma fibra y Tasa de bits, mas

ls

Compatibilidad en la fibra

Libera capacidad en la fibra

Mercadeo rapido

Bajos gastos de posesión

Utiliza equipos de TDM

existentes

Single Fiber (One

Wavelength)

Channel 1

Channel n

Single Fiber(Multiple

Wavelengths)

l1

l2

ln

Redes de fibra

• Multiplexado por División de Tiempo (TDM)

–Una sola longitud de onda por fibra

–Multiples canales por fibra

–4 canales OC-3 en un OC-12

–4 canales OC-12 en un OC-48

–16 canales OC-3 en un OC-48

• Multiplexado por división de longitud de onda (WDM)

–Multiples λ por fibra

–4, 16, 32, 64 canales por sistema

–Multiples canales por fibra

DS-1

DS-3

OC-1

OC-3

OC-12

OC-48

OC-12c

OC-48c

OC-192c

Fiber

DWDM

OADM

SONET

ADM

Fiber

Comparación de TDM y DWDM

• TDM (SONET/SDH)

–Toma señales síncronas y

asíncronas y las multiplexa

en una tasa óptica de orden

superior

–Conversión E/O o O/E/O

• (D)WDM

–Toma múltiples señales

ópticas y las multiplexa en

una sola fibra

–No hay conversión de

formato de la señal

DWDM puede dar incrementos en las capacidades a las cuales TDM no puede

acomodarse

Sistemas TDM de mas altas velocidades son muy costosos

DWDM versus TDM

14

Historia de DWDM

• Principios de WDM (Finales de los 80s)

–Dos longitudes de onda ampliamente separadas (1310, 1550nm)

• “Segunda generacion” WDM (Principios de los 90s)

–Dos a ocho canales en la ventana de 1550 nm

–400+ GHz espaciamiento

• Sistemas DWDM (mediados de los 90s)

–16 a 40 canales en la ventana de 1550 nm

–100 a 200 GHz espaciamiento

• Próxima generacion de Sistemas DWDM (Actual)

–64 a 160 canales en la ventana de 1550 nm

–50 y 25 GHz espaciamiento

TERM

TERM

TERM

Conventional TDM Transmission—10 Gbps

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTRTERM

40km

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTRTERM

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTRTERM

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTR

1310

RPTRTERM

120 km

OC-48

OA OAOA OA120 km 120 km

OC-48OC-48

OC-48

OC-48OC-48

OC-48OC-48

DWDM Transmission—10 Gbps

1 Fiber Pair

4 Optical Amplifiers

Por qué DWDM (Caso de

Negocio)

TERM

4 Fibers Pairs

32 Regenerators

40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km

Fundamentos económicos WDM

• Fibra subterranea o submarina – Fibra existente

• Manejo de derechos de paso – Alquiler o compra

• Excavaciones – Consumen tiempo, trabajo intenso, costos de patentes

– $15,000 a $90,000 por Km

• Regeneradores 3R – Espacio, potencia

– Re-shape, re-time and re-amplify

• Administración de red simplificada– Estratificación, Menos complejidad, less elements

• Transparencia– Puede transportar multiples protocolos sobre la misma

fibra– El monitoreo puede conocer multiples protocolos

• Espaciamiento de longitudes de onda– 50GHz, 100GHz, 200GHz

– Define cuantas y cuales longitudes de onda pueden ser

usadas

• Capacidad de las longitudes de onda– Ejemplo: 1.25Gb/s, 2.5Gb/s, 10Gb/s

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Caracteristicas de una red WDMCaracteristicas de Longitudes de onda

Bandas de Transmisión Optica

Banda Longitud de onda (nm)

820 - 900

1260 – 1360

“Nueva Banda” 1360 – 1460

Banda S 1460 – 1530

Banda C 1530 – 1565

Banda L 1565 – 1625

Banda U 1625 – 1675

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

Wavelength in Nanometers (nm)

0.2 dB/Km

0.5 dB/Km

2.0 dB/Km

Attenuation vs. Wavelength S-Band:1460–1530nm

L-Band:1565–1625nm

C-Band:1530–1565nm

Características de atenuación en la

fibra

Fibre Attenuation Curve

Posibilidad de colocar múltiples servicios en

una sola longitud de onda

Caracteristicas de una red WDMMultiplexado de sub-longitudes de onda o MuxPonding

Por qué DWDM?

Argumento Técnico

• DWDM provee enormes capacidades de

transmisión escalable

– No limitado por la velocidad de la electrónica

disponible

– Sujeto a tolerancias holgadas de dispersión y

No-linealidad

– Capaz de airosa capacidad de crecimiento

Multiples canales de información sobre la misma fibra, cada uno usa una λ individual

Dense WDM is WDM utilizando espaciamiento cercano de canales

Espaciamiento de canales reducido a 1.6 nm o menos

Forma rentable de incrementar capacidad sin reemplazar fibra

Sistemas comerciales disponibles con capacidades de 32 canales y hasta mas con tasas de

transmisión > 80 Gb/s por fibra

Permite nuevas topologías de redes ópticas, por ejemplo anillos metropolitanos de alta

velocidad

Los amplificadores ópticos son tambien un componente clave

Wavelength

Division

Multiplexer

Wavelength

Division

Demultiplexerl1

Al2

l3B

C

l1X

l2

l3

Y

Zl1 + l2 + l3

Fibre

DWDM Fundamentos Clave

Multiplexer Optical Output Spectrum for an 8 DWDM

channel system, showing individual channels

Source: Master 7_4

Muestreo de una señal DWDM

Tasa de bits de 1.1 Tbits/sec (más de 13 millones de canales telefónicos)

55 longitudes de onda a 20 Gbits/sec cada una

Operación en 1550 nm sobre los 150 km con compensación de dispersión

Ancho de banda de 1531.7 nm a 1564.07 nm (0.6 nm de espaciamiento)

Transmisión en Terabits usando DWDM

Opciones de Expansión

Instalar más fibra

Instalar nueva fibra es costoso ( €100000 o más por km)

Rutas de fibra requieren derecho de paso

Pueden requerirse regeneradores y/o amplificadores adicionales

Instalar más elementos de red SDH sobre redes

de fibra disponibles

Pueden requerirse regeneradores y/o amplificadores adicionales

Se necesita mas espacio en la infraestructura existente

Opciones de capacidad de

expansión (I)

Instalar elementos de red SDH de mayor

velocidad

Velocidades sobre STM-16 no son triviales de desarrollar e instalar

Los precios de puntos STM-64 no han bajado lo suficiente

Opciones de expansión no visibles mas allá de 10 Gbit/s

Puede necesitarse un rediseño de la red

Instalar DWDM

Capacidad incremental de expansión mas allá de 80 Gbits/s

Permite reusabilidad de la infraestructura base instalada

Opciones de capacidad de

expansión (II)

DWDM Ventajas y Desventajas

Una mayor capacidad de fibra

Una mas facil expansión de la red

No se requiere nueva fibra

Solo añadir una nueva longitud de onda

Costo incremental por un nuevo canal añadido es bajo

No se necesita reemplazar muchos componentes, tales como amplificadores

ópticos

Sistemas DWDM capaces de abarcar extensiones

mayores

Solución TDM utilizando STM-64 es mas costosa y más susceptible a

dispersión cromática y dispersión por modo de polarización (PMD)

Se puede migrar a STM-64 cuando la economía mejore

Ventajas de DWDM

No rentable para números bajos de canales

Costo fijo de multi/demultiplexores, transponder, y otros componentes del

sistema

Introduce otro elemento, el dominio de la frecuencia, al

diseño y administración de la red

Los sistemas de administración de redes SONET/SDH

no estan bien equipados para manejar topologías

DWDM

Se estan desarrollando monitoreos de desempeño y

metodologías de protección de DWDM

Desventajas de DWDM

DWDM esta instalado a gran escala en EEUU

Mayores proporciones de enlaces mayores a 1000km

Temprana aparición de “fibra agotada" (saturación de capacidad) in 1995-

96

El mercado esta alcanzando su mejor momento en

Europa y Latinoamérica

Incremento en el tráfico de los operadores ha desarrollado DWDM

Nuevos participantes particularmente inclinados a usar

DWDM en Europa

Necesidad de infraestructura escalable para poder cumplir con la

demanda a medida que vaya creciendo

DWDM permite incremento de capacidad incremental

DWDM es percibido como parte integral de nuevas estrategias de

mercado

DWDM: Asuntos comerciales

Estandares DWDM

Source: Master 7_4

ITU Recommendation is G.692 "Optical interfaces for multichannel

systems with optical amplifiers"

G.692 includes a number of DWDM channel plans

Channel separation set at:

50, 100 and 200 GHz

equivalent to approximate wavelength spacings of 0.4, 0.8 and 1.6 nm

Channels lie in the range 1530.3 nm to 1567.1 nm (so-called C-Band)

Newer "L-Band" exists from about 1570 nm to 1620 nm

Supervisory channel also specified at 1510 nm to handle alarms and

monitoring

Source: Master 7_4

DWDM Standards

Longitud de onda (nm)

1200 17001300 1400 16001500

Banda SBanda C

Banda L

5ta Ventana

Banda E

2da Ventana

Banda O

Bandas ópticas espectrales

Bandas ópticas espectrales

Tendencia a espaciamientos de canal más pequeños para incrementar la cuenta

de canales

Espaciamiento de canales recomendado por la ITU es 0.4 nm, 0.8 nm y 1.6 nm

(50, 100 y 200 GHz)

Espaciamientos propuestos de 0.2 nm (25 GHz) y aún 0.1 nm (12.5 GHz)

Requiere de fuentes laser con excelente estabilidad de longitud de onda a largo

término, mejor que 10 pm

Un objetivo es permitir mas canales en la banda C sin otras actualizaciones

Longitud de onda (nm)

1550 15541551 1552 15531553

0.8 nm

Espaciamiento de Canales

G.692 Representación de un Sistema

Standard DWDM

Componentes DWDM

Transmitters

DWDM

Multiplexer

Power

Amp

Line

Amp

Line

Amp

Receive

Preamp

200 km

DWDM

DeMultiplexe

r

Cada longitud de onda se comporta como si tuviera su propia “fibra virtual"

Se necesitan amplificadores ópticos para superar las pérdidas en

multi/demultiplexores y largas extensiones de fibra

Receivers

Optical

fibre

Sistema DWDM

Componentes Pasivos:

Filtro de Ganancia de ecualización para amplificadores

de fibra

Demultiplexor basado en rejillas Bragg

Arreglo de Guías de Onda Multiplexores/Demultiplexores

Acoplador de inserción/extracción (Add/Drop Coupler)

Componentes Activos/Subsistemas:

Transceivers y Transponders

Lasers DFB de acuerdo a la especificación de longitudes

de onda de la ITU

Amplificadores EDFA´s de respuesta plana para DWDM

DWDM: Componentes típicos

Transmitters

DWDM

Multiplexer

Power

AmpLine

Amp

Receive

Preamp

200 km

DWDM

DeMultiplexe

r

Cada longitud de onda aún se comporta como si tuviera su propia “fibra virtual"

Longitudes de onda pueden ser insertadas o extraídas según se requiera en

localidades intermedias

ReceiversAdd/Drop

Mux/Demux

Optical

fibre

Sistema DWDM con Add-Drop

Fabricante &

Sistema

Número de

Canales

Espaciamien

to de

Canales

Velocidades

de Canal

Máxima Tasa

de Bits

(Tb/s)

Nortel OPtera

1600 OLS

160 0.4 nm 2.5 ó 10

Gb/s

1.6 Tbs/s

Lucent 40 2.5

Alcatel

Marconi

PLT40/80/160

40/80/160 0.4, 0.8 nm 2.5 ó 10

Gb/s

1.6 Tb/s

Sistemas Típicos DWDM

Diferentes sistemas integran redes nacionales y

metropolitanas

Sistemas principales típicos actualmente proveen:

40/80/160 canales

Tasas de Bits hasta 10 Gb/s con algunas a 40 Gb/s

Interfases para SDH, PDH, ATM etc.

Capacidad Total hasta 10 Tb/s +

Operación en Banda C + L y algunos en banda S

Sistemas disponibles por NEC, Lucent, Marconi, Nortel,

Alcatel, Siemens, Huawey etc.

Desempeño de DWDM para 2008

up to 600-700 km

L L RP

160-200 km

RP

700 + km

RL LP 3R Regen

Animation

Power/Booster Amp

Receive Preamp

Line Amp

P

R

L

Op

tica

l A

mplif

iers

Extensión de Sistemas DWDM

Recomendación de la ITU es G.692 "Optical interfaces for multichannel

systems with optical amplifiers"

G.692 incluye un número de planes de canales DWDM

Separación de canales fijada a:

50, 100 y 200 GHz

Equivalente a espaciamientos de longitud de onda aproximados de 0.4, 0.8 y 1.6 nm

Canales situados en el rango 1530.3 nm a 1567.1 nm (También llamada Banda-

C)

La reciente "Banda-L" existe desde 1570 nm hasta 1620 nm

Canal supervisorio también especificado a 1510 nm para el manejo de alarmas

y monitoreo

Estandares DWDM

16 wavelengths used (8 in each direction). Remains 200 Ghz frequency spacing

Further expansion ports available to allow even denser multiplexing

Red band = 1547.5 to 1561 nm, blue band = 1527.5 to 1542.5 nm

Multiplexado de 16 Canales

Transmisión Bidireccional usando

WDM

Source: Master 7_4

Source: Master 7_4

Local Transceiver Distant TransceiverFibres x2

Transmitter Receiver

Receiver Transmitter

El enfoque más común es “una fibra / una dirección"

Esto se denomina transmisión "simplex"

Enlazar dos localidades involucrará dos fibras y dos transceivers

Transmisión Convencional

(Simplex)

l

A

l

B

WDM

Mux/Demux

AlA

l

B

Receiver

Transmitter

Local Transceiver

WDM

Mux/Demux

B

l

A

lB

Receiver

Transmitter

Distant TransceiverFibre

Son posibles ahorros significativos con la denominada transmisión bi-direccional

usando WDM

Esto se denomina transmisión "full-duplex"

Se utilizan longitudes de onda individuales para cada dirección

Enlazar dos localidades involucrará solo una fibra, dos multi/demultiplexores WDM

y dos transceivers

Bi-direccional usando WDM

Se utilizan longitudes de onda diferentes para la transmisión en cada dirección

Típicamente las bandas se denominan:

La “Banda Roja", Mitad superior de la Banda-C hasta 1560 nm

La "Banda Azul", Mitad inferior de la Banda-C desde 1528 nm

Red Band

Fibre

Blue BandReceiverl1B

Receiverl2B

ReceiverlnB

l1RTransmitter

Transmitter

lnRTransmitter

DWDM

Mux/Demux

l2R

Receiverl1R

Receiverl2R

ReceiverlnR

l1B Transmitter

Transmitter

lnB Transmitter

DWDM

Mux/Demux

l2B

DWDM Bi-direccional

Para evitar interferencias las bandas Roja y Azul deben estar

separadas

Esta separación se denomina “Banda de Guarda”

La Banda de Guarda tiene típicamente alrededor de 5 nm

La Banda de Guarda desperdicia espacio espectral, desventaja de

DWDM bi-direccional

Blue

channel

band

Red

channel

band

1528 nm 1560 nm

G

u

a

r

d

B

a

n

d

La necesidad de una banda de guarda

TRANSMITTER

A

Fibre, connectors and splices

RECEIVER

B

TRANSMITTER

B

RECEIVER

A

Fibre Coupler Fibre

Coupler

Frequency Fa

Frequency Fb

Transmisor A se comunica con Receptor A usando una señal en la frecuencia Fa

Transmisor B se comunica con Receptor B usando una señal en la frecuencia Fb

Cada receptor ignora señales a otras frecuencias, así por ejemplo el Receptor A

ignora la señal en la frecuencia Fb

Transmisión Bi-direccional usando

FDM (Multiplexado por División de Frecuencias)

TRANSMITTE

R

A

Fibre, connectors and splices

RECEIVER

B

TRANSMITTE

R

B

RECEIVER

A

WDM

Mux/Demux

WDM

Mux/Demux

1330 nm

1550 nm

Transmisor A se comunica con el Receptor A usando una señal en 1330 nm

Transmisor B se comunica con el Receptor B usando una señal en 1550 nm

Filtros multi/demultiplexores WDM extraen la longitud de onda requerida tal que

por ejemplo el Receptor A sólo recibe señales a 1330 nm

Transmisión Bi-direccional usando

WDM (Multiplexado por División de λ)

Componentes DWDM

Optical Multiplexer

Optical De-multiplexer

Optical Add/Drop Multiplexer

(OADM)

Transponder

Componentes DWDM

l1

l2

l3

l1

l2

l3

850/1310 15xx

l1

l2

l3

l1...n

l1...n

Optical Amplifier

(EDFA)

Optical Attenuator

Variable Optical Attenuator

Dispersion Compensator (DCM / DCU)

Más componentes DWDM

VOA EDFA DCM

VOAEDFADCM

Service Mux

(Muxponder)Service Mux

(Muxponder)

DWDM SYSTEM DWDM SYSTEM

Arquitectura Típica de una red

DWDM

Aún esta en su infancia

Costosa si se compara con propuestas de un solo canal a 10 Gbits/sec

Solo para Fibra Monomodo

Productos típicos de ADVA Networking y Nbase-Xyplex

Los Productos usan un pequeño número de canales (hasta 4) (Telecoms WDM es

tipicamente de 32 +)

Longitudes de onda alrededor de 1320 nm, Sistemas de Telecomunicaciones usan

1530-1570 nm

Nbase-Xyplex

System

WDM in LANs

High Density DWDM

Fecha Fabricante Canales Capacidad Total

April 2000 Lucent 82 3.28 Terabits/sec

September 2000 Alcatel 128 5.12 Terabits/sec

October 2000 NEC 160 6.4 Terabits/sec

October 2000 Siemens 176 7.04 Terabits/sec

March 2001 Alcatel 256 10.2 Terabits/sec

March 2001 NEC 273 10.9 Terabits/sec

Nota: Capacity de una fibra es 1000 x 40 Gbits/s = 40 Tbits/s por

fibra

Registros recientes de Capacidades DWDM

Aprovechando la capacidad de la

Fibra

Hasta el presente los sistemas comerciales utilizan tipicamente 32 canales

Se han alcanzado y demostrado sistemas comerciales de 80+ canales

Lucent ha demostrado un sistema de 1,022 canales

Solo opera a 37 Mbits/s por canal

37 Gbits/s totales usando espaciamiento de canales de 10 GHz, también

llamado Ultra-DWDM ó UDWDM

Escalable a Tbits/sec?

Ultra-High Density DWDM

Demostración de Lucent (Abril 2000)

3.28 Tbits/s sobre 300 km de fibra Lucent TrueWave

Por canal la tasa de bits fué de 40 Gbits/s

40 canales en la Banda-C y 42 canales en la Banda-L

Utilizó Amplificación Distribuida de Raman

3.28 Terabit/sec DWDM

Demostración de NEC en Mazo

2001

10.9 Tbits/sec sobre 117 km de

fibra

273 canales at 40 Gbits/s por

canal

Utiliza transmisión en las Bandas

C, L y S.

Thulium Doped Fibre

Amplifiers (TDFAs) fueron

usados para la Banda-S Thulium Doped Amplifier

Spectrum (IPG Photonics)

10.9 Terabit/sec DWDM

DWDM en Venezuela