Universidad Distrital Francisco José de CaldasFacultad de Ingeniería

María Camila Palacios Garzón

Diseño de un sistema de transmisión deseñales de radiofrecuencia sobre fibraóptica usando particionado espectral

Proyecto trabajo de grado

Director: Gustavo Adolfo Puerto LeguizamónModalidad: Monografía

Índice general

1 Generalidades 21.1 Planteamiento del Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Marco de Referencia 42.1 Marco Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.1 Redes de Acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.2 Ondas Milimétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.3 Componentes Ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Estado del Arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Diseño de la Arquitectura del Sistema de Transmisión 263.1 Optical Line Terminal - OLT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1.1 Generador de Secuencia de Bits Pseudo-aleatoria . . . . . 273.1.2 Generador de Pulsos NRZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.3 Modulador en Amplitud Eléctrico - AM . . . . . . . . . . 283.1.4 Modulador Mach-Zehnder . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2 Optical Network Terminal - ONT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2.1 Fotodetector PIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2.2 Filtro Pasabanda de Bessel . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2.3 Demodulador en Amplitud Eléctrico - AM . . . . . . . . . 30

3.3 Elementos adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3.1 Láser de Onda Continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3.2 AWG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3.3 Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.3.4 Amplificador Óptico de Línea . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.4 Caracterización del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.5 Simulación del Sistema de Transmisión . . . . . . . . . . . . . . . 38

4 Resultados 41

5 Conclusiones 57

Bibliografía 59

1

1. Generalidades1.1. Planteamiento del Problema

La evolución de las redes móviles se ha visto influenciada por el continuo au-mento de usuarios de servicios de Internet de banda ancha y la fuerte demandaen los servicios inalámbricos. A este punto se está planteando un futuro sobreredes de acceso de Quinta Generación (5G) en donde se espera una velocidad deconexión de banda ancha aún mayor y más capacidad para la conectividad demúltiples dispositivos conectados a la red con necesidades distintas; se estima uncrecimiento en el tráfico de datos móviles a una tasa de crecimiento anual de 53 %entre 2015 y 2020 [1].

Por otro lado, hasta el día de hoy, los sistemas de comunicación operan enuna banda inferior a los 3 GHz, por lo que el espectro en esta banda está siendocada vez más escaso. Para este motivo se empezó a trabajar en la banda de ondasmilimétricas en el espectro comprendido entre 20GHz y 90GHZ [2], dado que esun espectro limpio que permite transmitir señales de muy alto ancho de banda.Estas características son apropiadas para los sistemas 5G en los cuales uno de losobjetivos es proveer a bajo costo, velocidades de conexión por usuario final desde1Gbps [3].

Para asegurar una conexión inalámbrica continua se ha propuesto la integra-ción de las comunicaciones por fibra óptica con ondas milimétricas para dar comoresultado los sistemas de RoF (Radio-over-Fiber), donde las señales de radio (se-ñales inalámbricas) a la frecuencia portadora se transmiten a través de una redóptica de forma aparente [4]. Esta combinación permite la viabilidad de trans-porte para los sistemas de radio de onda milimétrica.

Dicho lo anterior, a partir del particionamiento espectral de una señal de luzde muy alto ancho de banda por medio de AWGs, se obtienen varias portadorasde distintas longitudes de onda a diferentes frecuencias [5]; con esto, se pretende,de forma costo-efectiva, usar cada portadora para transmisión de radio de ondasmilimétricas a través de fibra óptica, siendo ésta el enlace físico entre la estaciónbase a la estación central de la red, para el procesamiento de la información. Enel presente trabajo se propone una solución para el desarrollo y la implementa-ción de los futuros sistemas 5G. Esta propuesta aborda la problemática frenteal transporte y distribución de información en banda milimétricas dada la bajacobertura que dicha banda presenta, debido a las pérdidas de propagación en elmedio [4].

1.2. JustificaciónActualmente se está desarrollando el concepto de las redes de acceso de quinta

generación dada la necesidad de proveer mayores anchos de banda a los usuariosfinales y soportar cada vez más dispositivos en la red en un entorno convergente.La transmisión de información en bandas milimétricas se considera una de las

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piedras angulares sobre la cual se portarán grandes anchos de banda a usuariosen las futuras redes 5G. Sin embargo, dadas las particularidades de la radiopropa-gación en bandas milimétricas se debe optar por su transporte usando medios detransmisión que tengan una respuesta en atenuación independiente a la frecuenciade trabajo. Lo anterior justifica la importancia de la presente investigación y elanálisis de técnicas, como la transmisión de señales de radiofrecuencia en ondasmilimétricas sobre fibra óptica, que permitan la implementación de esta tecnolo-gía de modo que sea posible convertirla en la tecnología habitual en unos años,como se espera, para suplir dicha necesidad. Es de interés para estudiantes deingeniería electrónica enfocados en el área de las telecomunicaciones los avancesque se desarrollan en el ámbito de las tendencias de las redes de comunicación ylas soluciones a los desafíos que se presentan cada día con el constante crecimien-to en la demanda de servicios de telecomunicaciones.

Al superar los problemas asociados al transporte de señales en bandas mi-limétricas se logra para cada usuario un aumento en la velocidad de conexiónpermitiendo que las personas tengan mejor acceso a la red. Del mismo modo,el sistema de transporte que se espera diseñar usando fibra óptica como el en-lace físico, se pretende, sea una solución de bajo costo de tal forma que facilitesu desarrollo tanto por fabricantes como su despliegue por parte de los operadores.

A nivel personal, resulta significativo el hecho de lograr diseñar un sistemaque aporte al progreso de una tecnología en desarrollo, como lo son las redes deacceso 5G y el uso de fibra óptica, y que permita dar solución a las problemáticasa las que se enfrenta el área de las telecomunicaciones en la concepción de lasfuturas redes de telecomunicaciones.

1.3. Objetivos1.3.1. Objetivo General

Diseñar un sistema de transmisión de señales de radiofrecuencia sobre fibraóptica usando particionado espectral.

1.3.2. Objetivos Específicos1.3.2.1 Analizar los requerimientos de transporte de señales milimétricas en

sistemas 5G.1.3.2.2 Identificar los aspectos relacionados a los sistemas de radiofrecuencia so-bre fibra y el particionado espectral.1.3.2.3 Diseñar un sistema de transmisión para bandas milimétricas bajo el con-cepto de particionado espectral.1.3.2.4 Validar mediante procesos de modelamiento de la red los parámetros decalidad de las señales transportadas.

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2. Marco de Referencia2.1. Marco Teórico2.1.1. Redes de Acceso

Las redes de acceso interconectan la central del operador a los usuarios finalescomo empresas y hogares permitiendo a estos usuarios una disponibilidad de lared permanente.

Figura 2.1: Red de Acceso [6].

Las redes de acceso permiten a los proveedores ofrecer a los usuarios los ser-vicios que estos requieren de alta capacidad y alta velocidad. La arquitectura deuna red de acceso consiste básicamente de un centro de actividad o central, nodosremotos (RNs) y unidades de interfaz de red (NIUs).

Figura 2.2: Arquitectura de una Red de Acceso [6].

Estas redes pueden presentarse en dos tecnologías: con acceso guiado en el quese usa un medio físico de transmisión, como par de cobre, cable coaxial, cable dered eléctrica o fibra óptica, para el transporte de la información entre la centraly cada usuario; y las tecnologías de acceso no guiado en las cuales se emplea elespacio libre como medio de transmisión.

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2.1.1.1. Topologías de Redes

Existen varias topologías de red básicas (estrella, anillo y malla), que es elarreglo físico o lógico en el cual los dispositivos o nodos de una red se interconectanentre sí sobre un medio de comunicación.

Anillo:Es un camino unidireccional cerrado que conecta todos los nodos.

Figura 2.3: Topología de Red de Anillo [45].

Malla:Cada nodo se conecta a todos los nodos para realizar las comunicacionesde un nodo a otro por caminos distintos, y si esta totalmente conectada, noexiste ninguna interrupción en la comunicación.

Figura 2.4: Topología de Red de Malla [45].

Estrella:Es la topología en la que las estaciones están conectadas directamente a unpunto central y todas la comunicaciones se realizan a través de este.

Figura 2.5: Topología de Red de Estrella [45].

2.1.1.2. Redes de acceso con fibra óptica

Para el desarrollo de este trabajo es de interés la aplicación de tecnologías deacceso guiado usando como medio físico fibra óptica. Estas redes de acceso defibra pueden ser clasificadas según su punto de terminación, a partir de lo cualsurgen los siguientes tipos:

Fiber To The Home (FTTH)

Fiber To The Curb (FTTC)

Fiber To The Building (FTTB)

Fiber To The Desk (FTTD) [7]

Fiber To The Antenna (FTTA).

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Figura 2.6: Arquitecturas de redes FTTx [9].

Otro parámetro para la clasificación de la red de fibra es según el tipo deservicios que puede soportar:

Redes de fibra para servicios de banda estrecha

Redes de fibra para servicios interactivos de banda ancha

Redes de fibra para servicios de distribución, también conocidas como redesHíbridas Fibra Coaxial (HFC) [7].

Passive Optical Network (PON):La red pasiva de fibra óptica se caracteriza por utilizar terminales remotospasivos para multiplexar las señales provenientes de la central y enviarlasa los usuarios finales.

Figura 2.7: Arquitectura de una red pasiva de fibra óptica (PON) [8].

Esta arquitectura se clasifica según el dominio en el que se multiplexen lasseñales, ya sea en el dominio del tiempo (TDM-PON) o en el dominio de lalongitud de onda (WDM-PON) en la cual se transporta una única longitudde onda por usuario.Esta tecnología actualmente está siendo aplicada a las redes GPON (Gigabit-capable Passive Optical Networks) que son de tipo pasivo y con topologíapunto-multipunto, las cuales tienen las siguientes características [43]:

• Estandarizada en 2003-2004 por ITU-T, para garantizar la compati-bilidad en el funcionamiento de equipos de distintos fabricantes

• Alcance máximo de 20 km, aunque el estándar se ha preparado paraque pueda llegar hasta los 60 km

• Tanto el sentido descendente como el ascendente viajan en la mismafibra óptica por lo que se utiliza la tecnología de multiplexación WDM

• Ancho de banda descendente de 1.2 Gb/s o 2.5 Gb/s

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• Ancho de banda ascendente de 155 Mb/s, 622 Mb/s, 1.2 Gb/s, o 2.5Gb/s, teniendo en cuenta que no se exceda el ancho de banda descen-dente.

Figura 2.8: Arquitectura típica con estándar GPON [9].

2.1.2. Ondas MilimétricasDebido al avance de la tecnología multimedia y el almacenamiento de datos,

resulta necesario la implementación de sistemas de comunicación que manejentasas de datos a partir de 10 Gbit/s y mayores. Las ondas que ocupan un espec-tro electromagnético comprendido entre los 30 y los 300 GHz que corresponde alongitudes de onda de 1 a 10 mm por lo que se denominan ondas milimétricas.

Estas altas frecuencias resultan convenientes en aplicaciones como internet dealta velocidad, comunicación de datos, voz y radar [11]. Por otro lado, este es-pectro presenta mayor seguridad y baja interferencia con redes adyacentes; asímismo dado que el ancho de banda en este espectro es mayor, es posible asignarlea cada usuario una mayor tasa de transferencia.

Actualmente esta banda de frecuencias ha sido aplicada únicamente por ope-radores satelitales y sistemas de radar [11], pero presenta características idóneaspara ser utilizada en las aplicaciones mencionadas anteriormente para suplir lasnecesidades que han surgido con el avance de la tecnología.

2.1.3. Componentes ÓpticosEn un sistema de comunicaciones por fibra óptica se crea un enlace por medio

de tres bloques como se aprecia en la Figura 2.9.

Figura 2.9: Enlace Básico de Comunicaciones Ópticas.Fuente propia.

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2.1.3.1. Fuentes Ópticas

En fibra óptica el transmisor tiene la estructura que se muestra en el diagramaa cuadros de la Figura 2.10:

Figura 2.10: Transmisor [12].

En donde la fuente productora de luz puede ser de dos clases:

Diodo láser (LD)

Diodo emisor de luz (LED).

Son cuatro los parámetros que determinan la calidad de la fuente:

- Capacidad de modulación: a mayor velocidad de respuesta, más alta tasade transmisión de datos.

- Eficiencia de conversión electro-óptica: rendimiento al momento de convertirniveles de voltaje a intensidades de luz.

- Anchura espectral

- Coherencia espacial.

Diodo Láser (LD):Es un dispositivo que produce radiación óptica debido a la cavidad reso-nante (cavidad Fabry-Pérot) reflexiva en la que se encuentra que lo haceoscilar mediante la retroalimentación positiva.

Figura 2.11: Cavidad Fabry-Pérot [4].

Con esta estructura se logra la amplificación de la luz porque los fotonesviajen reflejándose en los espejos y se generan otros fotones en fase duranteel trayecto del rebote.

La anchura espectral es mucho menor a las del LED hablando del orden de1nm, por lo que tiene un patrón de radiación mucho más directivo logrando

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así mayor coherencia espacial lo cual facilita el acoplamiento entre la fuentey el núcleo de la fibra para emitir la potencia dentro del cono de aceptaciónde la fibra [13] y así mismo se pueden lograr velocidad de bits altas (10Gb/s).

Por otro lado, para los otros dos parámetros determinantes, el diodo láserresulta muy superior con respecto al diodo emisor de luz. Es altamenteeficiente al momento de convertir los niveles de voltaje de la señal de entradaen energía óptica (intensidad de luz) a la salida.

Diodo Emisor de Luz (LED):La anchura espectral se encuentra entre 30 a 60 nm por lo que su patrónde radiación es muy ancho y resulta una fuente no coherente. El LED essuficiente cuando los enlaces son de cortas distancias en redes locales.

A pesar de que el LD puede resultar superior operativamente, el LED tienemejor vida útil, menor costo y su ancho espectral permite que para va-rios usuarios sea necesario únicamente un solo dispositivo utilizando variostrozos del espectro.

2.1.3.2. Divisor Óptico (Splitter)

El divisor óptico es un dispositivo pasivo por lo que ha resultado importanteen las redes ópticas pasivas PON dado el rápido crecimiento de las redes FTTX.Divide la luz de fibra óptica de manera uniforme en varias partes en una ciertaproporción, dada por la capacidad de terminales N que posea, distribuyéndoseen N fibras, en aplicaciones de red de banda ancha de fibra a las instalaciones.Este procedimiento permite desplegar una red de fibra física punto a multipunto(P2MP) con un solo puerto OLT que sirve múltiples ONT. El divisor óptico enun sistema PON funciona para compartir el costo y el ancho de banda de la OLTentre varias ONT, así como para reducir las líneas de fibra requeridas en la OSP(Figura 2.8) [17].

Figura 2.12: Divisor Óptico.Fuente propia.

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Se han desarrollado dos tipos de divisores ópticos:

Fused Biconical Taper (FBT): en esta tecnología se colocan dos fibras juntasy se fusionan por medio de calor mientras se alargan y se estrechan, y esusada en configuraciones de división pequeñas (1x2, 1x4, etc.) debido aque está limitada en el número de divisiones que se pueden lograr con unacalidad aceptable. Así mismo, solo admiten tres longitudes de onda (850,1310 o 1550 nm), lo que significa que no pueden operar en otras longitudesde onda.

Figura 2.13: Tecnología FBT [18].

Planar Lightwave Circuit (PLC): es una tecnología más reciente que ofrecensolución al inconveniente del bajo número de divisiones que puede manejarla tecnología FBT y presenta un rango más amplio de longitudes de ondapara su adjudicación (de 1260 a 1650 nm). Así mismo sus divisiones sonmuy precisas con pérdidas mínimas [19].

2.1.3.3. Arrayed Waveguide Grating (AWG)

Es un dispositivo que consiste en guías de onda de entrada y salida, cuyo nú-mero generalmente es igual al número de canales de transmisión; dos acopladoresmultipuerto (región de propagación libre FPR) interconectados por una matriz deguias de onda (matriz de fase PA) las cuales están espaciadas a intervalos regula-res, con un incremento constante de longitud de trayecto ΔL de una a la siguiente.

El AWG se puede usar como un multiplexor de longitud de onda n×1. En estacapacidad, es un dispositivo de n entradas y una salida, donde las n entradas sonseñales en diferentes longitudes de onda que se combinan en la salida individual.Del mismo modo, la inversa de esta función, la demultiplexación de longitudesde onda 1×n, también se puede realizar utilizando un AWG. Configurado parademultiplexación espectral presenta el comportamiento como se demuestra en lafigura 2.14.

Una guía de onda de entrada transporta una señal óptica que tiene múltipleslongitudes de onda λn en el acoplador, donde el rayo de luz se expande. Las guíasde onda de la matriz capturan la luz divergente, cuyas longitudes se escogen te-niendo en cuenta que ΔL sea igual a un múltiplo entero de la longitud de onda

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Figura 2.14: Operación de un AWG como demultiplexor [20].

central, y se propaga hacia la entrada del acoplador de salida.

Como se puede apreciar en la figura 2.15, para λc, los campos en las guías deonda individuales llegan a la apertura de salida con la misma fase, y así la distri-bución de campo en la apertura de entrada se reproduce en la apertura de salida.El haz divergente en la abertura de entrada se transforma así en uno convergentecon igual amplitud y distribución de fase, y el campo de entrada en el plano delobjeto da lugar a una imagen correspondiente en el centro del plano de la imagen.La separación espacial de diferentes longitudes de onda se obtiene al aumentarlinealmente las longitudes de las guías de onda del conjunto, lo que introduce unainclinación dependiente de la longitud de onda del haz saliente asociado con undesplazamiento del punto focal a lo largo del plano de la imagen [21]. Cuandolas guías de onda del receptor se colocan en las posiciones adecuadas a lo largodel plano de la imagen, diferentes longitudes de onda se conducen a diferentespuertos de salida, obteniendo así el espectro como se ilustra en la figura 2.16 [20].

Figura 2.15: Comportamiento del AWG en el acoplador de salida [20].

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Figura 2.16: Respuesta Espectral de un AWG [20].

2.2. Estado del ArteComo ya se ha mencionado, actualmente se están planteando las redes de ac-

ceso de Quinta Generación (5G) por el continuo aumento de usuarios de serviciosde Internet de banda ancha y la fuerte demanda en los servicios inalámbricos,por lo que el espectro en la banda actualmente utilizada (inferior a los 3 GHz)está siendo cada vez más escaso. Afortunadamente, existen grandes cantidades deespectro relativamente inactivo en el rango de ondas milimétricas de 30-300 GHz,donde las longitudes de onda son de 1-10 mm, comprendiendo bastantes bandasde frecuencia de radio: banda V (50-75 GHz), banda E (60-90 GHz) y banda W(75-110 GHz), de donde las bandas sin licencia en 60 GHz son llamativas paralas telecomunicaciones de corta distancia de alta velocidad; además, las frecuen-cias portadoras de onda milimétrica (onda mm) permiten mayores asignacionesde ancho de banda mucho mas allá de los actuales canales de 20 MHz utilizadospor los clientes de 4G [22], lo que permite mayores tasas de transferencia de datos.

A partir de este cambio en las frecuencias portadoras y los altos anchos debanda que se deben implementar para 5G, además de densidades extremas deestaciones base y dispositivos, y un número de antenas sin precedentes, se hanidentificado los desafíos clave [23] para la investigación y las actividades preli-minares de estandarización de esta nueva red de acceso a partir de los requisitospara un sistema de ésta generación:

1. Velocidad de datos: la necesidad de soportar la explosión del tráfico dedatos móviles es el principal impulsor detrás de 5G. La velocidad de datosse puede medir de varias maneras diferentes, y habrá un objetivo 5G paracada una de esas métricas:

La velocidad de datos agregada o la capacidad de área, se refiere a lacantidad total de datos que puede servir la red, caracterizada en bits/spor unidad de área. El consenso general es que esta cantidad deberáaumentar en aproximadamente 1000 veces de 4G a 5G.Tasa de borde o tasa de 5%, es la peor tasa de datos que un usuariopuede razonablemente esperar recibir cuando está dentro del alcancede la red, y por eso es una métrica importante y tiene un significadoconcreto de ingeniería. Las metas para el rango de velocidad de 5Gvan desde 100 Mbps hasta 1 Gbps. Cumplir 100 Mbps para el 95%

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de los usuarios será extraordinariamente desafiante, incluso con gran-des avances tecnológicos. Esto requiere aproximadamente un avancede 100 veces ya que los sistemas 4G actuales tienen una tasa típicadel 5% de aproximadamente 1 Mbps, aunque el número exacto varíaampliamente dependiendo de la carga, el tamaño de la celda y otrosfactores.La tasa máxima es la velocidad de datos del mejor de los casos queun usuario puede esperar alcanzar bajo cualquier configuración de redconcebible. La tasa máxima es un número de comercialización, sinmucho significado para los ingenieros y que probablemente esté en elrango de decenas de Gbps.

Este aumento de 1000 veces requerido se alcanza con la combinación de lassiguientes metodologías:

Densificación y descarga extremas para mejorar la eficiencia espectraldel área. Colocar nodos diferentes, más activos por unidad de área yHz, es decir, hacer las celdas más pequeñasAumento del ancho de banda, principalmente moviéndose hacia es-pectro de ondas milimétricas, pero también haciendo un mejor uso delespectro sin licencia de WiFi en la banda de 5 GHz. En total, más HzAumento de la eficiencia espectral, principalmente a través de avancesen MIMO, para admitir más bits/s/Hz por nodo.

2. Latencia: las latencias de ida y vuelta actuales 4G son del orden de apro-ximadamente 15 ms, y se basan en el tiempo de subtrama de 1 ms conlos gastos generales necesarios para la asignación de recursos y el acceso.Aunque esta latencia es suficiente para la mayoría de los servicios actuales,las aplicaciones anticipadas de 5G incluyen juegos bidireccionales, nuevastecnologías basadas en la nube y la realidad virtual y mejorada. Como re-sultado, 5G necesitará ser capaz de soportar una latencia de ida y vueltade aproximadamente 1 ms, un orden de magnitud más rápido que 4G.

3. Energía y costo: a medida que avanzamos hacia 5G, los costos y el consumode energía, idealmente, disminuirán, pero al menos no deberían aumentarpor enlace. Dado que las velocidades de datos por enlace que se ofrecenaumentarán aproximadamente 100 veces, esto significa que los Joules porbit y el costo por bit tendrán que caer al menos 100 veces; así mismo, elespectro de onda milimétrica debería ser de 10 a 100 veces más barato porHz que el espectro 3G y 4G por debajo de 3 GHz. Del mismo modo, lasceldas pequeñas deben ser de 10 a 100 veces más económicas y más eficientesque las macroceldas.Una consideración de costo es importante para 5G, incluso más que en 4Gdebido a las nuevas densidades de BS y al aumento del ancho de banda, es lared de retorno desde los bordes de la red hacia el núcleo. Cloud-RAN podríabrindar una oportunidad adicional para la eficiencia energética ya que lacentralización del procesamiento de banda base podría ahorrar energía; asímismo, la eficiencia energética de ondas milimétricas será particularmentecrucial dados los anchos de banda sin precedentes [24].

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Esta resulta información clave para el diseño y el funcionamiento de las futurasredes celulares de quinta generación que utilizan el espectro de ondas milimétricas.

Un concepto de arquitectura emergente que puede satisfacer la creciente ca-pacidad y las demandas de tráfico de las redes inalámbricas es el despliegueselectivo de celdas de menor tamaño [25] que coexistirían y complementarían lasmacroceldas más grandes, aumentando la densidad de estaciones base. Las re-des inalámbricas de macroceldas tradicionales se basan en una arquitectura deestación base distribuida en la que el hardware de radio se coloca muy cerca delas antenas pasivas instaladas en la torre. Este cabezal de radio remoto (RRH oRU) contiene los circuitos de RF, así como los convertidores de analógico a digi-tal/digital a analógico y los componentes de conversión de frecuencia. Así mismo,la unidad de banda base (BBU), que comprende la circuitería de procesamientode banda base digital, se ubica por separado en un gabinete en la base de la torrede cada celda y se interconecta con el RRH a través de un enlace de fibra ópticadigital, para el cual se ha desarrollado el estándar CPRI (interfaz de radio públicacomún); sin embargo, con esta arquitectura no pueden hacer frente al crecimientomasivo previsto debido a los altos costos operativos y de capital asociados con lafalta de compartición de recursos y modularidad, agilidad y escalabilidad reduci-das, así como una gestión ineficiente de la energía [26].

Para superar estas limitaciones y mejorar la flexibilidad de implementación yla eficiencia operativa dada la densificación que se desea realizar, se ha propuestouna nueva arquitectura de red móvil, llamada Cloud Radio Access Network (C-RAN) [27], para tener las BBUs separadas de las RRHs e implementadas en unaubicación centralizada como un centro de datos. Las ventajas de la arquitecturaC-RAN incluyen, entre otras, una implementación flexible de la red móvil, im-portantes beneficios económicos tanto para CAPEX como para OPEX, eficienciaenergética mejorada, elasticidad en la demanda de capacidad de reunión, consumode energía reducido y seguridad física mejorada de las BBUs. En la arquitecturaC-RAN, hay una red de transporte (red Fronthaul) que transmite señales de laRRH en sitios remotos a la BBU implementada en una ubicación central. Esta redde transporte debe cumplir con los estrictos requisitos de rendimiento impuestospor CPRI [28], incluidos:

100 ns de retardo unidireccional

65 ns de variación máxima en el retardo (fluctuación de fase)

hasta 10 Gbps de rendimiento por RRH

10 a 12 de índice de error de bit máximo.Con esto, esta arquitectura propone el uso de redes ópticas de transporte paratransportar radio digitalizada en tiempo real, sin embargo, la alta capacidad yel exigente requisito de demora para el fronthaul, el segmento de la red entre lasBBUs y las RRHs es una de las mayores barreras para despliegues más grandes.Para relajar estas restricciones, las funciones de la capa física se pueden dividiry centralizar parcialmente. En un estudio reciente, [29], calculan la capacidadde transporte requerida para diferentes soluciones de división de función de ca-pa física y adoptan diferentes tecnologías de transporte de fronthaul, como red

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óptica pasiva de Ethernet (EPON) (Figura 2.17(a)), un híbrido entre Multiple-xación por división de tiempo y de longitud de onda PON (TWDM-PON) y ondamilimétrica (onda mm) (Figura 2.17(b)), y TWDM-PON (Figura 2.17(c)). Desa-rrolla un modelo de consumo de energía de extremo a extremo donde el consumototal de energía se calcula sumando la potencia utilizada por los RRHs, la red detransporte y el procesamiento de banda base.

((a)) Arquitectura C-RAN con EPON ((b)) Arquitectura C-RAN conhíbrido de TWDM-PON y onda mm

((c)) Arquitectura C-RAN conTWDM-PON

Figura 2.17: Arquitecturas C-RAN analizadas [29].

Para EPON, un enlace que soporta una RU puede transportar una longitudde onda, mientras que TWDM-PON puede compartir varias longitudes de ondaen una sola fibra, además mostró un mejor rendimiento energético como red defronthaul cuando el requisito de capacidad es alto, en comparación con EPON.Por otro lado, los resultados numéricos mostraron que cuando se centralizan másfunciones de banda base en la oficina central, se necesita menos consumo de ener-gía.

Las opciones para el transporte óptico CPRI incluyen fibra dedicada, red detransporte óptico (OTN), red óptica pasiva (PON) y multiplexación por divisiónde longitud de onda (WDM); las redes de distribución óptica analógica puedenofrecer una alternativa viable a estos enlaces de fibra óptica digitales entre lasRRHs y las BBUs, que con esta nueva arquitectura el enlace sería sustancialmen-te más largo en longitud, pero uno de los desafíos clave asociados con las BBUsagrupadas en redes inalámbricas de próxima generación es la alta velocidad debits que deben tener estos enlaces de fibra óptica digitales, ya que la velocidad dedatos depende de la frecuencia de muestreo (proporcional al ancho de banda dedatos inalámbrico) y la resolución de muestreo [30], al igual que los requisitos delatencia de la red emergente. Cabe mencionar que la WDM es relevante en estatecnología pues los enlaces RoF pueden tener un problema con el establecimien-

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to de conexiones entre una oficina central y muchos cabezales de radio remotos,ya que debe instalarse una gran cantidad de cables de fibra óptica en todas partes.

Se han realizado trabajos alrededor de esta tecnología en los enlaces para cumplircon los requisitos que surgen para la implementación de la nueva generación 5Gde comunicaciones. En [25] se describen algunas tecnologías avanzadas desarro-lladas de radio sobre fibra que se han investigado para redes inalámbricas ópticasconvergentes de próxima generación, pues RoF simplificaría en gran medida elhardware del sitio de la celda y reduciría el consumo de energía ya que el hardwaredigital y los circuitos de conversión ascendente/descendente de frecuencia ya noson necesarios. Aunque surge un inconveniente importante con el transporte deseñales de radio como una señal analógica sobre fibra, el rango dinámico reducidoque limita la distancia de transmisión de la fibra. Este esquema de transmisión deseñales también se ve afectado por las no linealidades asociadas con los dispositi-vos fotónicos y electrónicos en el enlace, aunque se han realizado con éxito variosesquemas de linealización de enlaces [31]. Así mismo, la generación y modulaciónde portadora de onda milimétrica es un bloque funcional clave para el enlace deRoF estar bien diseñado.

El sistema mm-RoF es el enlace de fibra óptica entre la estación central (CS)y las estaciones base (BS); el procesamiento de la señal se concentra principal-mente en CS para hacer que la BS sea solo un convertidor de onda de luz a ondamilimétrica utilizando dispositivos de conversión óptico a eléctrico o eléctrico aóptico y lo más simple posible para garantizar el bajo costo [32],[33]. La tecnolo-gía clave del sistema mm-RoF es la generación de onda mm por óptica, por estarazón en [32] realizan la generación de onda mm por multiplicación de frecuenciaóptica (OFM) porque convierte las microondas de baja frecuencia en ondas mi-limétricas sin necesidad de dispositivos costosos como el oscilador de onda mmy la cadena de multiplicación RF-IF tanto en CS como en BS. Este documentoutiliza DD-MZM como un generador de modo lateral de alto orden basado enel cual se diseña y se demuestra un novedoso sistema bidireccional de RoF a 40GHz (Figura 2.18). El sistema puede entregar dos flujos de datos Ethernet de 100Mbps a más de 20 km de distancia y tiene muchas ventajas, como un entornosimple, estable en temperatura variable, rentable sin la necesidad de dispositivosespeciales, inmune al ruido de fase láser, ancho de banda expansible en esquemasIF y tolerante a la dispersión de la fibra.

Figura 2.18: Configuración de sistema RoF bidireccional basado en OFM usandoDD-MZM [32].

Como se dijo, un bloque importante para que la implementación de RoF sea

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posible es el de la generación y modulación de la señal de onda mm. Otro estudiorealizado en este aspecto es [34] el cual muestra demostraciones experimentales detecnologías ópticas de dichas tareas para ondas milimétricas para comunicacionesde radio a alta velocidad, como la generación de ondas ópticas milimétricas conla entrega de una señal vectorial sobre DSB-SC, y la modulación/demodulaciónduobinarias de onda mm para aplicaciones en la comunicación de alta frecuenciade la nueva generación. Con la primera alternativa ilustrada en la Figura 2.19,:

Figura 2.19: Diagrama de la entrega de la onda óptica milimétrica con modulaciónde señal vectorial sobre DSB-SC [34].

Explican que aprovechando la alimentación de potencia inherente de un mez-clador de RF, la potencia de LO incremental se puede convertir en una mejorade portadora óptica para ambas bandas laterales ópticas, y de ese modo recuperaautomáticamente la información de fase original de la señal de vector entregadadespués de la fotodetección.

En segundo lugar, demuestran que el aprovechamiento del formato de modu-lación duobinaria a través de las interfaces ópticas e inalámbricas RoF de ondamilimétrica permite una detección simple de encendido y apagado en QPSK conuna eficiencia espectral equivalente. El diagrama de la Figura 2.20 muestra un sis-tema de acceso RoF de alta velocidad con un transmisor y receptor duobinario deonda milimétrica, que proporciona una eficiencia de espectro equivalente a QPSK(SE) sin afluentes I y Q. Este enfoque describe cómo una señal de banda baseduobinaria de tres niveles en el límite de Nyquist puede reconvertirse ópticamenteen la cabecera, detectarse en RAU y recibirse y decodificarse simultáneamenteen suscriptores remotos usando receptores de automezcla de onda milimétrica.Logran una transmisión libre de errores sobre 25 km de SMF-28 y una distanciainalámbrica 6 pies a una potencia óptica recibida de 1 dBm.

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Figura 2.20: Diagrama conceptual de Tx y Rx duobinario de onda milimétricapropuesto [34].

Por otro lado, es bastante difícil de generar y detectar tales señales de frecuen-cias altas por el uso de dispositivos eléctricos, debido a la limitación del anchode banda de circuitos eléctricos, mientras que los dispositivos fotónicos puedenmanejar señales de banda ancha fácilmente. Se desarrolló una técnica precisade modulación y demodulación de onda luminosa para varios formatos avanza-dos de modulación, incluida la cuadratura de desplazamiento de fase (QPSK),modulación de amplitud en cuadratura (QAM), etc., para obtener una mayor efi-cacia espectral o sensibilidad del receptor en transmisión por fibra óptica [33],[35].

Como se muestra en la Figura 2.21, se plasma la técnica de radio sobre fibraRoF en la que un modulador óptico genera una señal de onda de luz cuyo perfilde intensidad es proporcional a una forma de onda de una onda de radio. En unaunidad de antena, la onda de radio se convierte de la onda luminosa mediante unfotodetector de alta velocidad, a partir de esto, más de 10 Gb/s de transmisiónde onda milimétrica se ha demostrado recientemente [36],[37].

Figura 2.21: Sistema RoF [33].

En [38], proponen una arquitectura de red de doble salto capaz de proporcio-nar comunicaciones de alta velocidad a trenes de alta velocidad (HST). El sistemautiliza un sistema de onda milimétrica cableada sin costuras para la transmisiónde retroceso desde una estación central a las antenas en los trenes, y una red Wi-Fi de alta velocidad en el tren. También presenta una demostración de pruebade concepto en un sistema de ondas milimétricas en fibra sin fisuras de alto ren-dimiento que se puede aplicar para aplicaciones en redes de backhaul. La Figura2.22 muestra el concepto del sistema propuesto utilizando un sistema WDM RoFy un DAS lineal (LL-DAS) usando enlaces de radio de onda mm. En esta configu-ración, el sistema WDM RoF-MMW y LLDAS sirven como red de retroceso paradistribuir señales desde una CS a antenas en trenes. En la CS, todos los serviciosinalámbricos en las bandas de ondas mm se pueden encapsular en una o digitali-

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zar a señales de banda de base (BB) antes de convertirse en señales ópticas. Lasseñales se transmiten luego a las RAU ubicadas a lo largo de la vía férrea a travésde la red WDM RoF. La CS puede asignar longitudes de onda específicas a cadaRAU para identificar la posición remota de la celda y optimizar la distribuciónde la señal. En las RAU, las señales ópticas recibidas se convierten en señalesde radio en la banda de ondas mm y se transmiten a través de enlaces de ondamm a la TAU sin ningún procesamiento adicional. De esta manera, equipos deprocesamiento de señal costosos e inteligentes pueden ubicarse en las CS y sercompartidos por muchas RAU.

Figura 2.22: Sistema WDM RoF-MMW de celdas linalmente localizadas paracomunicaciones ferroviarias de alta velocidad [38].

Otro trabajo al rededor del desarrollo de la distribución de señales en sistemasferroviarios de radiocomunicación entre trenes y vías es [39], en el que el sistemapropuesto es muy similar al mostrado en la figura anterior, aunque no abarcala cobertura de la red en el interior de los trenes. Sin embargo también aplicala configuración de celdas lineales basadas en la multiplexación de división delongitud de onda (WDM) y las redes de distribución basadas en el divisor depotencia (Figura 2.23) las cuales se discuten en éste trabajo.

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((a)) Estrella doble pasiva basada endivisor de potencia

((b)) Estrella doble de WDM pasiva

((c)) Configuración WDM en bus

Figura 2.23: Esquemas de sistemas de red óptica [39].

La configuración que se muestra en la Figura 2.23(a), explica, es adecuada parala transmisión de la misma señal, tal como una señal de reloj, a las estacionesremotas. Una red WDM (Figura 2.23(b)) también es aplicable para sistemasde comunicación porque los canales de longitud de onda son independientes deotros canales para la realización de características de transmisión simultáneas.Una configuración de bus WDM como se ilustra en la Figura 2.23(c), es otrocandidato para una red celular lineal basada en WDM. En este sistema, se debeinstalar un multiplexor WDM y un demultiplexor en cada punto conectado a unaunidad de acceso de radio (RAU). A partir de éste análisis, es que escogen lasegunda configuración, por lo que la red WDM-RoF que desarrollan y analizanen este trabajo es está representado en el diagrama de la figura 2.24:

Figura 2.24: Diagrama conceptual del sistema de radiocomunicación entre tren ytierra con red WDM-RoF [39].

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El sistema combinado de fibra óptica y onda mm forma un sistema de backhaulflexible y de alta capacidad para conectar la CS en el suelo con los trenes. Haydos métodos diferentes para la combinación:

Conexiones a través de conversores de medios inalámbricos por cable (WWMCs)en RAU [40]:Las señales inalámbricas son transportadas desde una CS a cada RAU me-diante una señal portadora óptica. En las RAU, la señal óptica se convierteen una señal de radio en la banda de onda mm a través de un WWMC. Es-te WWMC puede consistir en front-ends de radio, procesamiento de señaldigital (DSP) y osciladores locales eléctricos.Este método es analizado en [33] a partir del estudio de la transferenciade forma de onda transparente basada en RoF que puede hacer una inte-gración perfecta de enlaces inalámbricos y por cable pues proporciona unaconversión de medios entre señales ópticas y ondas de radio de baja latenciasin usar DSP. La Figura 2.25 muestra un esquema de un sistema de trans-misión que consiste en un enlace de fibra óptica y un enlace inalámbrico deonda milimétrica.

Figura 2.25: Enlaces cableados e inalámbricos [33].

Un WWMC que comprende un convertidor óptico-eléctrico (O/E) y unfront-end de radio (FE), puede actuar como un convertidor óptico a radio(O/R), y que un convertidor radio a óptico (R/O) también se puede cons-truir con un FE de radio y un convertidor de eléctrico-óptica (E/O), comose muestra en la figura 2.26.

Figura 2.26: Conexión de cableado óptico y ondas de radio [33].

Un convertidor O/E de alta velocidad o un fotodetector en el WWMCtransforma a la perfección señales ópticas de alta velocidad desde un trans-misor RoF (Tx) directamente a las señales de radio. Por otro lado, el uso

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de técnicas de detección coherente digital óptica en el receptor (Rx) pue-de compensar por completo las degradaciones de transmisión tales como ladispersión de los medios, eliminando la necesidad de utilizar un DSP porcompleto. Los WWMC transforman formas de onda de ondas de luz a on-das de radio o viceversa, donde se acumularía la degradación de la señal.Por lo tanto, los DSP en transmisores o receptores ópticos pueden mitigarla degradación de manera integral. Aún así, el WWMC basado en RoF quese muestra en la Figura 2.26 puede transferir formas de onda sin usar DSP,por lo que la latencia en la conversión es muy pequeña. Eso implica que losenlaces cableados e inalámbricos pueden proporcionar una transmisión debaja latencia, porque la latencia en los WWMC y los enlaces inalámbricossería menor que en los sistemas de transmisión convencionales, sin embar-go, muchos WWMCs simples para la transferencia transparente de formasde onda con DSP potentes en los transmisores o receptores RoF aliviaríanla diferencia entre las ondas de luz y las ondas de radio como medio detransmisión.

Pero debido a que se necesitan muchas unidades de equipo y funciones enRAU, el sistema es complicado, lo que resulta en un alto costo, alto consumode energía y un largo retardo de transmisión.

Conexiones perfectas con tecnología RoF y conversión directa de óptico aeléctrico (O/E) en RAU:En éste articulo [38] adoptan este método, en la Figura 2.27 se muestra elconcepto de esta combinación:

Figura 2.27: a) Principio de la combinación de la fibra con inalámbrico; b) SistemaWDM RoF-MMW para celdas localizadas linealmente; c) Configuración de TAU(unidad de antena en el tren) [38].

Primero se genera una señal RoF que consiste en dos señales ópticas. Es-tas dos señales ópticas deben tener una diferencia de frecuencia igual a lafrecuencia de la señal de onda mm que se genera en el convertidor O/E. La

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señal RoF generada se modula mediante señales eléctricas en un converti-dor de eléctrico a óptico (E/O) y se envía a la RAU a través de un cable defibra. En la RAU, un convertidor O/E de alta velocidad convierte la señalRoF en una señal de radio. La señal de radio puede emitirse directamenteal aire sin ningún procesamiento de señal. Previamente, en la CS, se generauna señal de múltiples longitudes de onda que consiste en múltiples señalesde RoF; se puede usar un conmutador óptico para seleccionar las señales deRoF apropiadas a partir de la señal de longitud de onda múltiple generaday enviarlas a los moduladores ópticos correspondientes para la modulaciónde datos.

En general, se pueden aplicar dos métodos, explica el trabajo, de modula-ción: modulación de intensidad simple y una modulación de alta eficaciade espectro óptico en fase/cuadratura (I/Q). El uso de la modulación I/Qpuede ayudar a aumentar la capacidad de transmisión a través de la redóptica. Las señales de RoF moduladas se combinan luego mediante un mul-tiplexor WDM. Las señales combinadas se transmiten a través de un únicocable de fibra a un punto intermedio, donde están separadas por un dispo-sitivo de demultiplexación. Las señales separadas se transmiten finalmentea las RAU correspondientes mediante diferentes cables de fibra. En estaconfiguración, se puede asignar un par de longitudes de onda ópticas fijasa cada RAU.

Para las redes ópticas, se pueden usar longitudes de onda diferentes deaquellas en la dirección del enlace descendente para transmitir señales deenlace ascendente desde las RAU a la CS. Por un lado, para el enlace des-cendente downlink (DL), la señal WLAN 802.11ac y una señal LTE-A dealta velocidad se combinan y transmiten a través de un sistema combina-do de 10 km de fibra y 5 m de manera inalámbrica, a 94.1 GHz (Figura2.28). Como se plasma en la figura, una señal de RoF que consiste en dosseñales ópticas con una diferencia de frecuencia de 94.1 GHz es generadapor un generador de señal RoF. La señal es luego modulada por las señalesinalámbricas en un convertidor de E/O y se transmite a un receptor ópticoubicado en una RAU. En la RAU, la señal se convierte directamente enuna señal de onda mm a 94.1 GHz mediante un convertidor O/E de bandaancha. La señal de onda mm es emitida al espacio libre por una antena debocina. Después de la transmisión a través del enlace inalámbrico de 5 m,la señal es recibida por otra antena de bocina en una TAU, y convertidaa las señales inalámbricas originales por un detector de envolvente de leycuadrada (ED).

Figura 2.28: Configuración experimental para el enlace downlink (DL) [38].

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De manera similar, para el enlace ascendente uplink (UL), como se muestraen la Figura 2.29 la transmisión simultánea de señales LTE-A y 802.11aca través de un sistema combinado de fibra de 94.1 GHz de 20 km. En estesistema, las señales inalámbricas se combinan y se convierten a una señalde onda mm a 94.1 GHz mediante un mezclador eléctrico en la TAU. Laseñal es emitida al espacio libre por una antena de bocina. Después de latransmisión a través de un enlace inalámbrico de 5 m como en la direcciónDL, es recibida por otra antena de bocina en la RAU. La señal se acoplaa un ED para convertir a la baja a las señales inalámbricas originales.Posteriormente, se convierte en una señal óptica y se transmite a la CSa través de un cable SMF de 20 km. La señal óptica recibida se conviertenuevamente a la señal inalámbrica original y finalmente se analiza medianteel software.

Figura 2.29: Configuración experimental para el enlace uplink (UL) [38].

Al final, los resultados medidos muestran que se puede lograr un rendimientosatisfactorio para la transmisión simultánea de señales de radio múltiples tantoen las direcciones de enlace descendente como de enlace ascendente.

Otro estudio en el que aplican RoF es [41], donde demuestran la transmisiónde RoF y PoF en un rango de 100 GHz a través de la fibra multinúcleo al consi-derar enlaces de acceso punto a multipunto, y discute los problemas de diafoníaentre los núcleos en las fibras multinúcleo. Empleó un fotodiodo portador de via-jes nuevos (UTC-PD) para energía eléctrica y generación simultánea de señalde 100 GHz, integrado con un amplificador pseudomórfico de alta frecuencia detransistores de movilidad de electrones (PHEMT) de 100 GHz para reducir losrecursos de fibra requeridos en la transmisión PoF a través de fibras multinúcleo.

Esta configuración se muestra experimentalmente en la figura 2.30. Describenun nuevo enfoque de un fotodetector de alta velocidad basado en la generaciónde energía eléctrica; luego, diseñan y fabrican un fotoreceptor integrado de 100GHz para la transmisión de potencia y radio sobre fibra a través de una fibramultinúcleo. En la demostración de la comunicación inalámbrica basada en RoF(IF = 92 GHz), se pudo lograr una transmisión de alta velocidad de datos de 12Gbps por debajo de un BER de 1× 10−3.

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Figura 2.30: Configuración experimental de la transmisión de RoF y PoF através de fibra multinúcleo (IF - 92 GHz, 12 Gbps OFDM 16-QAM) [41].

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3. Diseño de la Arquitectura delSistema de Transmisión

Como ya se ha definido, la red de acceso es el último tramo de la red detelecomunicaciones que se extiende desde las instalaciones del proveedor de ser-vicios hasta el punto final, hogar o empresa. Uno de los tipos de red de accesoes la red PON (Passive Optical Network), expuesta anteriormente, en la cual laarquitectura está compuesta básicamente por el OLT (Optical Line Terminal), elenlace o ODN (Optical Distribution Network) en donde se adopta la tecnologíaWDM, y el ONT/ONU (Optical Network Terminal / Optical Network Unit), pa-ra la transmisión y recepción de la información. Cada bloque contiene elementosnecesarios para la transmisión de información en el dominio óptico, cumpliendofunciones específicas para permitir el correcto funcionamiento y cumplimiento denormas de comportamiento de la red para experiencia de usuario establecidaspor la entidad ITU-T, de especial interés para el desarrollo de este trabajo, enlos estándares G.984.x. Dichos bloques se exponen a continuación al igual que loselementos que componen cada uno de ellos. Por una lado, el OLT se componepor el generador de la secuencia de bits pseudo-aleatoria (PRBS), el generador depulsos con No Retorno a Cero (NRZ), el modulador en amplitud y el moduladorMach-Zehnder, como se muestra en la Figura 3.1.

Figura 3.1: Composición del Optical Line Terminal (OLT).

Por otro lado, en el punto de recepción, la ONT/ONU se compone por elfotodetector PIN, un filtro pasabanda de Bessel y el demodulador en amplitud,como se ilustra en la Figura 3.2, para la recepción de la información luego de sertransmitida por el enlace de fibra óptica.

Figura 3.2: Composición del Optical Network Terminal (ONT).

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3.1. Optical Line Terminal - OLT3.1.1. Generador de Secuencia de Bits Pseudo-aleatoria

Figura 3.3: Módulo del Generador de Secuencia de Bits Pseudo-aleatoria.

Este módulo genera una serie de números binarios de n bits sin seguir unpatrón determinado pero que se repite luego de 2n − 1 ciclos de reloj, esto parasimular la fuente de información. La cantidad n de bits está determinada en laherramienta de simulación por la siguiente expresión,

n = TwBr, (3.1)

donde Tw es el tiempo de ventana y Br es la tasa de bit, valores los cuales, paracuestión de las pruebas de simulación realizadas durante el desarrollo de estetrabajo, son 6,43× 10−9 s para el tiempo de ventana y 1.24416 Gb/s para la tasade bit, debido a una limitación que presenta el software de simulación, donde parapoder particionar espectros con amplios anchos de banda en el AWG, hay unarelación entre la tasa de bit, el tiempo de ventana y la longitud de la secuenciade bit, por lo que no es posible realizar las simulaciones con tasas de transmisiónmás altas que permite el estándar de la ITU, sin embargo esta tasa de bit cumplecon el estándar para tasa de transmisión de una red de acceso fija tanto para ladirección ascendente como descendente [43].

3.1.2. Generador de Pulsos NRZ

Figura 3.4: Módulo de Generador de Pulsos NRZ.

Es el módulo encargado de generar a la salida la señal codificada con el modoNo retorno a cero de la secuencia de bits generada en el módulo anterior, recibidaa la entrada para tener una señal eléctrica que pueda ser modulada posterior-mente. La forma de codificación NRZ es ampliamente utilizada en la práctica yaque el ancho de banda asociado a la secuencia de bits codificada es menor que enel formato con retorno a cero.

En las pruebas, el módulo fue configurado con forma de rectángulo Exponen-cial, que determina el comportamiento en la señal en los bordes de los pulsos.

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3.1.3. Modulador en Amplitud Eléctrico - AM

Figura 3.5: Módulo de Modulador en Amplitud AM.

Es un modulador analógico en amplitud cuya señal de salida esta liada a lasiguiente expresión:

Vout(t) = GVin (t) cos(2π fc t+ ϕc) + b, (3.2)

donde Vin es la señal eléctrica a modular, G es la ganancia, b es el bias, fc esla frecuencia de la portadora, y ϕc es la fase de la portadora. Los valores paraestos parámetros en las simulaciones son G = 1, b = 0, ϕc = 0 y la fc serádeterminada a partir de la caracterización en función de la frecuencia RF sobrela que se modula la información, la distancia y la anchura del particionado, comose mostrará posteriormente, para determinar los mejores valores para estas ca-racterísticas del sistema de tal manera que éste presente un buen comportamiento.

Esta modulación se hace con el fin de realizar la transmisión de la informaciónsobre una banda de frecuencia alta perteneciente a la banda de ondas milimé-tricas, que, como se ha mencionado anteriormente, este espectro es uno de losparámetros del sistema a diseñar en la realización del presente trabajo debido ala evolución hacia la quinta generación de las redes de telecomunicaciones.

3.1.4. Modulador Mach-Zehnder

Figura 3.6: Módulo del Modulador Mach-Zehnder.

Es un modulador de intensidad electro-óptico, pues tiene como entradas laseñal óptica con la frecuencia central del canal y la señal eléctrica previamentemodulada en amplitud con la información, y se basa en el principio de funcio-namiento del Interferómetro Mach-Zehnder, el cual consiste de dos acopladoresconectados por medio de dos guías de onda de igual longitud, y un nivel de voltajede la señal eléctrica aplicado del cual depende la intensidad de la señal de salidadel modulador.

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Figura 3.7: Modulador Mach-Zehnder.

3.2. Optical Network Terminal - ONT3.2.1. Fotodetector PIN

Figura 3.8: Módulo del Fotodetector PIN.

Este receptor óptico se compone básicamente de unas zona P y una zona Naltamente conductoras junto a una zona intrínseca I poco conductiva, y se en-carga de convertir la señal óptica que recibe en una señal eléctrica por medio delefecto fotoeléctrico [6], en el que los fotones entran en la zona intrínseca generan-do pares electrón-hueco, así, el diodo se polariza inversamente para acelerar lascargas presentes en la zona intrínseca que se dirigen a los electrodos, donde apa-rece como corriente. Estos diodos son mas utilizados en sistemas ópticos debidoa que, comparado con los diodos APD como fotodetectores, son mas económicos,con mayor tiempo de vida útil y menos sensibles a los cambios de temperatura.

Como parámetros principales de configuración en la simulación están la respon-sividad, que corresponde a la capacidad de generar electrones con respecto a losfotones incidentes, y la corriente de oscuridad, aquella que circula en el fotode-tector cuando no hay ninguna señal óptica a la entrada. De igual forma, segúnla demás configuración del módulo, la señal eléctrica de salida esta determinadapor la siguiente expresión [42].

i(t) = is(t) + ith(t) + id + ish(t), (3.3)

donde, is(t) es la señal óptica calculada acorde a la responsividad, ith(t) es lacorriente de ruido térmico de ruido calculada según la densidad de potencia es-pectral definida por el ruido térmico, id es la corriente de oscuridad, e ish(t) es lacorriente de ruido de disparo también calculada acorde a la densidad de potenciaespectral.

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3.2.2. Filtro Pasabanda de Bessel

Figura 3.9: Módulo del Filtro Pasabanda de Bessel.

Una vez se tiene la señal en el dominio eléctrico, es necesario filtrar la señalrecibida en el canal en la frecuencia sobre la que la información fue modulada.Para esto, se implementa el filtro pasabanda de Bessel, filtro lineal analógico quecuenta con respuesta plana en la banda de paso conservando la forma de onda dela señal. Los filtros de Bessel presentan la siguiente función de transferencia

H(s) = αdo

BN(s), (3.4)

donde α es el parámetro de pérdidas de inserción y BN(s) el polinomio de Bessel deorden N , siendo N así mismo el orden del filtro, en función de s, valor imaginarioconstituido por la frecuencia central del filtro y el ancho de banda; para efectosde la simulación el filtro es de orden N = 4 alrededor de la frecuencia RF, anchode banda del 15% de dicha frecuencia y pérdidas de inserción de 3 dB.

3.2.3. Demodulador en Amplitud Eléctrico - AM

Figura 3.10: Módulo del Demodulador en Amplitud Eléctrico.

Por último, teniendo la señal filtrada, es implementado el demodulador enamplitud para obtener de la señal en radiofrecuencia la señal original de infor-mación en banda base. La señal resulta demodulada de acuerdo a la siguienteexpresión

Vout(t) = [GVin(t) cos(2πfc t+ ϕc)]hlow(t), (3.5)donde Vin es la señal en radiofrecuencia a demodular, G es la ganancia, fc y ϕc

son la frecuencia y fase de la portadora respectivamente, y hlow es el tiempo derespuesta del filtro pasabajos, cuyos valores en la simulación son G = 1, fc sobrela frecuencia RF, ϕc = 0 y con frecuencia de corte del filtro pasabajo con fre-cuencia de corte cercana al 75% de la tasa de transmisión.

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3.3. Elementos adicionalesAdicionalmente, en el sistema hay otros componentes desde la fuente de luz

y a lo largo de la transmisión tales como el láser de onda continua, el AWG lafibra óptica y el amplificador óptico, cuyo funcionamiento y parametrización enla simulación sera explicada a continuación.

3.3.1. Láser de Onda Continua

Figura 3.11: Módulo del Láser de Onda Continua.

Una técnica elemental en el desarrollo del presente trabajo es el particionadoespectral para lo que se requiere una fuente de luz incoherente, es decir de ban-da ancha, permitiendo así, a partir de un solo dispositivo fuente, obtener varioshaces de luz a frecuencia distinta teniendo como resultado múltiples canales detransmisión; para el caso del presente diseño son 8 canales, 4 para downlink y4 para uplink. Para estos fines, se implementa un láser de onda continua (CWLaser) como fuente de luz óptica, el cual emite un haz de luz de forma continuay con potencia de salida estable.

En las pruebas se definen las propiedades del láser con frecuencia de emisiónen 193.1 THz, potencia de 40 dBm equivalente a 10 W y ancho de línea espectralde 100 GHz.

3.3.2. AWGComo se presentó anteriormente, el funcionamiento del AWG permite su im-

plementación en tres escenarios para el diseño del sistema de transmisión: en elparticionado del haz de luz incoherente, en la multiplexación de los 8 o 4 canalespara la transmisión a través de la fibra monomodo, y en la demultiplexación altérmino del enlace de transmisión para distribuir los canales a cada usuario finaly hacer el proceso de recepción de la señal y recuperar la información. Inicial-mente, se utiliza el AWG para el particionado de la señal de entrada, onda deluz del láser, es llevada por el acoplador de entrada del AWG hacia el arreglode guías de onda actuando como un prisma y proporcionando el cambio de fasede acuerdo a las longitudes de onda, de tal forma que el acoplador de salida di-rige cada longitud de onda por un puerto de salida; este comportamiento comodemultiplexor es también aplicado al final del enlace para obtener la señal corres-pondiente a cada canal y así realizar el proceso de recepción de la informaciónpara cada usuario final. Para el escenario de multiplexación de los canales, unavez la señal eléctrica que contiene la información es modulada con la portadora

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de luz, cada canal es asignado a un puerto de entrada y por medio del acopladorde entrada son llevadas a las guías de onda que por el funcionamiento del AWG,se obtienen todas las longitudes de onda hacia un puerto de salida del dispositivopara ser transmitidas por la fibra óptica. En las figuras a continuación se muestrael módulo en la simulación para cada escenario.

(a) Módulo del AWG para particiona-do espectral

(b) Módulo del AWG para multiple-xación

(c) Módulo del AWG para demultiple-xación

Figura 3.12: Escenarios del AWG en el Sistema.

Para la simulación, se configuran los parámetros de los AWG de la siguientemanera: la frecuencia central de referencia para el filtro en el primer puerto desalida en 193.1 THz para los AWGs de bajada y en 192.7 THz para los de subida,el espaciado de canal de 100 GHz, perdidas de inserción del dispositivo de 3 dB,filtro tipo Gaussiano de orden 2 para cada puerto de salida; adicionalmente, eltamaño del AWG es de 8 para los escenarios de particionado del espectro anchode la fuente de luz y para la multiplexación y demultiplexación de los canales enla dirección downlink, pues para la dirección de subida se utilizan AWGs de 4puertos para estas funciones, y como última propiedad de los AWGs se determinael ancho de banda de cada canal de 125 MHz para el particionado espectral y de100 GHz para los otros escenarios.

3.3.3. Fibra Óptica

Figura 3.13: Módulo de la Fibra Óptica.

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Para el enlace de transmisión se utiliza fibra óptica monomodo con parámetrosen la simulación que cumplan los estándares establecidos por la ITU. Así, dadoque el sistema trabaja en la tercera ventana de transmisión a 1550 nm donde seproduce menor atenuación ideal para sistemas FTTx y WDM, la fibra óptica esuna fibra bidireccional, para transmisión de información uplink y downlink concoeficiente de dispersión cromática de 16.75 ps/nm/km y atenuación de 0.2 dB.La distancia del enlace se determina, como ya se ha mencionado, a partir de lacaracterización.

3.3.4. Amplificador Óptico de Línea

Figura 3.14: Módulo del Amplificador Óptico.

Debido a la atenuación que afecta la señal a lo largo del enlace de transmisión,es apropiado implementar un amplificador óptico de linea al final del enlace paratener un mejor nivel de la señal en el proceso de recepción de la información. Enla herramienta de simulación este elemento se parametriza con ganancia sobre laseñal de 25 dB.

3.4. Caracterización del SistemaUna vez se tiene la composición elemental del sistema, se realiza una caracte-

rización sobre este esquema simple (Figura 3.15) para determinar tres parámetrossobre los que operará el sistema de transmisión. La caracterización se hará varian-do, como ya se mencionó, tres propiedades del sistema: la anchura de la bandade paso de cada canal en el AWG, la frecuencia RF sobre la que se modula lainformación, y la distancia de enlace de transmisión.

Figura 3.15: Esquema básico del sistema de transmisión para la caracterización.

Para el caso de la anchura de la banda de paso de cada puerto de salida delAWG, se toman tres valores: 125 MHz, 150 MHz y 175 MHz, de igual formapara la frecuencia RF se toman tres valores dentro del rango de frecuencias queesta siendo estudiado para las futuras redes de la Quinta Generación, 10 GHz,30 GHz y 60 GHz. Por último, la distancia del enlace se prueba desde 5 hasta 60

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km variando cada 5 km.

Para validar la calidad de la información luego de ser transmitida y obtenidaen banda base y por ende la calidad del enlace de transmisión, se toma comomedida de desempeño la tasa de error de transmisión, BER. Para ello se im-plementa el analizador de diagrama de ojo como herramienta de medición puespermite analizar la señal en el receptor con respecto a la señal inicialmente ge-nerada en la transmisión, y así arroja un valor mínimo de BER del sistema detransmisión. De esta manera, el criterio de aceptación del sistema, teniendo encuenta el estándar definido por la ITU, es un BER menor o igual que 10−10. Acontinuación se exponen los resultados de la caracterización tabular y gráfica-mente, para cada frecuencia RF con variación del ancho de la banda de paso delas salidas del AWG, y de la distancia del enlace.

Tabla 3.1: BER del Sistema para cada distancia y cada ancho de banda de pasodel AWG, con frecuencia RF de 10 GHz

Distancia(km) BWawg=125 MHz BWawg=150 MHz BWawg=175 MHz

5 0 0 7,27735× 10−52

10 0 0 5,39451× 10−46

15 1 1 116 1,83494× 10−158 8,83933× 10−158 1,83799× 10−46

20 1 1 121 0 0 7,18474× 10−53

25 1 1 126 0 0 3,52945×−53

30 1 1 131 1,2559× 10−275 5,20315× 10−236 1,74719× 10−42

35 2,93283−33 5,63665× 10−31 5,09462× 10−12

40 1 1 141 1,4281× 10−21 1,78046× 10−20 1,72275× 10−10

45 1 1 146 0 0 7,62337× 10−61

50 1 1 151 0 0 1,04115× 10−54

55 3,87304× 10−96 9,49112× 10−85 1,18856× 10−19

60 0 0 4,70392× 10−51

34

Figura 3.16: Caracterización del Sistema con frecuencia RF de 10 GHz.

Tabla 3.2: BER del Sistema para cada distancia y cada ancho de banda de pasodel AWG, con frecuencia RF de 30 GHz

Distancia(km) BWawg=125 MHz BWawg=150 MHz BWawg=175 MHz

5 1,80536× 10−72 4,56204× 10−72 2,79628× 10−65

9 5,26113× 10−84 1,00457× 10−83 4,49953× 10−49

10 1 1 115 3,02406× 10−90 1,20577× 10−89 1,27573× 10−46

19 0,00047053 0,00058487 0,001631720 1 1 124 3,58147× 10−127 5,5334× 10−127 4,61082× 10−37

25 1 1 129 2,72621× 10−295 2,75288× 10−295 1,37488× 10−44

30 1 1 135 1 1 136 2,26055× 10−68 7,62687× 10−68 4,74872× 10−35

40 1 1 141 0 0 6,80553× 10−56

45 1 1 147 0 0 1,50919× 10−43

50 2,15330× 10−78 6,64541× 10−78 5,53035× 10−64

55 1 1 156 1,50043× 10−152 2,31812× 10−150 2,19964× 10−33

60 5,73502× 10−200 2,18798× 10−199 4,43776× 10−116

35

Figura 3.17: Caracterización del Sistema con frecuencia RF de 30 GHz.

Tabla 3.3: BER del Sistema para cada distancia y cada ancho de banda de pasodel AWG, con frecuencia RF de 60 GHz

Distancia(km) BWawg=125 MHz BWawg=150 MHz BWawg=175 MHz

5 0,0102721 0, 01123160 0, 0100499010 5,33259× 10−95 1,14378× 10−92 3,08662× 10−38

15 1,18003× 10−05 1,01236× 10−05 2,41236× 10−05

20 0 0 2,66567× 10−67

25 4,164×−31 3,56614×−30 7,22355× 10−23

30 1,16093× 10−198 1,40814× 10−187 3,33152× 10−50

35 0 0 1,41077× 10−39

40 0 8,60933× 10−204 1,02079× 10−138

45 3,17994× 10−06 2,92273× 10−05 2,14434× 10−05

50 9,03263× 10−05 9,18691× 10−05 0,0004285555 0,0381524 0,03844820 0,0482413060 1 1 1

36

Figura 3.18: Caracterización del Sistema con frecuencia RF de 60 GHz.

Como se puede apreciar en las tablas 3.1, 3.2 y 3.3, hay distancias en las queal final del tramo no hay un nivel suficiente de la señal que permita en el receptorobtener la señal original de información, debido a la dispersión de la señal a lolargo de la fibra, y por ende no es posible obtener un valor de la tasa de errora esa distancia. Por lo tanto, a pesar de que se planeó hacer saltos en distanciade 5 km en el rango establecido, al no haber un valor BER definido para algunasdistancias, se evalúa el sistema en distancias alrededor de la variación de 5 km, talcomo se plasma en las tablas 3.1 y 3.2 para frecuencias RF de 10 y 30 GHz, res-pectivamente. En las pruebas realizadas con radiofrecuencia de 60 GHz los saltosde 5 km son suficientes para ver el desempeño del sistema en cada distancia, sinembargo si se realizaran saltos de 1 km, se evidenciaría el mismo efecto diferentesdistancias.

En cuanto a la variación del ancho de banda de paso de las salidas en el AWG,se evidencia igualmente de mejor manera en la tabulación que a medida que au-menta el ancho de banda de la portadora, es decir del canal, la calidad del enlacede transmisión disminuye pues aumenta la tasa de error de transmisión. Por otrolado, las gráficas 3.16, 3.17 y 3.18 muestran que el sistema cumple con el criteriode calidad del enlace en varias distancias comprendidas en el rango de interéspara las aplicaciones de las redes ópticas, entre 20 a 40 km; aún hay condicionesque permiten buen desempeño a 60 km de distancia, como se ve con las frecuenciaRF de 10 GHz y 30 GHz, sin embargo la ITU en la estandarización de la fibramonomodo establece la aplicabilidad de esta fibra en escenarios con distancias nomayores a 40 km, es decir en escenarios de acceso que han sido referencia para eldesarrollo de este trabajo.

37

A partir de esta caracterización es posible determinar los valores para estos tresparámetros claves en el diseño del sistema. En primer lugar, dado que es uno delos objetivos del proyecto diseñar el sistema de transmisión para bandas milimé-tricas, se opta por hacer la transmisión de las señales de radiofrecuencia sobre60 GHz, debido a que, a pesar de que con 30 GHz también se tiene muy buencomportamiento del sistema a varias distancias, este espectro sin licencia es lla-mativo para las telecomunicaciones y de gran interés en los estudios y desarrollosque se están llevando a cabo para la implementación de la futura generación. Ensegundo lugar el ancho de banda del canal se define en 125 MHz pues es con el quemejor valores de tasa de error se obtienen, como plasman las tablas, al aumentarel ancho de banda de paso del AWG aumenta el BER del enlace. Por último seopta por una distancia del tramo de transmisión, sobre 60 GHz y con ancho decanal de 125 MHz, de 40 km pues, a pesar de que las redes GPON usualmente tie-nen tramos al rededor de 20 km, evaluar el sistema con mayor exigencia permiteanalizar el alcance del mismo en las aplicaciones de telecomunicaciones ópticas;por ejemplo, tramos de 40 km pueden ser aplicados en las futuras arquitecturasC-RAN que se quieren desplegar en la quinta generación.

3.5. Simulación del Sistema de TransmisiónUna vez se tienen todos los parámetros y propiedades del sistema, consignados

en las siguiente tablas,

Tabla 3.4: Parámetros de configuración del Láser de Onda Continua.

CW LaserFrecuencia de emisión 193.1 THzPotencia 40 dBmAncho de línea 10 THz

Para la transmisión downlink se definen los parámetros de los AWG de mul-tiplexación y demultiplexación como se tabula a continuación,

Tabla 3.5: Parámetros de configuración de los AWGs de Particionado, Multiple-xación y Demultiplexación en bajada.

AWG de Particionado AWG Mux/DemuxTamaño 8 Tamaño 8Frecuencia 193.1 THz Frecuencia 193.1Ancho de banda 0.125 GHz Ancho de banda 100 GHzEspaciado 100 GHz Espaciado 100 GHzPérdidas de inserción 3 dB Pérdidas de inserción 3 dB

Y para la transmisión en sentido ascendente los AWGs deben ser únicamentede 4 puertos y la frecuencia de referencia para el primer puerto de salida cam-bia conforme la frecuencia portadora del primer canal de subida, por lo que seconfiguran de la siguiente manera,

38

Tabla 3.6: Parámetros de configuración de los AWGs de Multiplexación y Demul-tiplexación en subida.

AWG Mux/DemuxTamaño 4Frecuencia 192.7Ancho de banda 100 GHzEspaciado 100 GHzPérdidas de inserción 3 dB

Tabla 3.7: Parámetros de configuración de la Fibra Óptica.

Fibra ÓpticaLongitud 40 kmAtenuación 0.2 dB/kmDispersión 16.75 ps/nm/km

Tabla 3.8: Parámetros de configuración del Amplificador Óptico.

Amplificador ÓpticoGanancia 25 dB

Tabla 3.9: Parámetros de configuración del Filtro Pasabanda de Bessel.

Filtro Pasabanda de BesselFrecuencia central 60 GHzAncho de banda 9 GHzPérdidas de inserción 3 dBOrden 4

Tabla 3.10: Parámetros de configuración del Fotodetector PIN.

Fotodetector PINResponsividad 1 A/WCorriente de oscuridad 10 nA

Con esto se realiza la simulación del sistema planteado: Un sistema de trans-misión de señales de radiofrecuencia en la banda de ondas milimétricas sobre fibraóptica, aplicando particionado espectral a una fuente de luz de banda ancha paraobtener 8 canales y así utilizar 4 canales para transmisión downlink y 4 parauplink, de tal manera que cuando se tienen las 8 portadoras en cada puerto de

39

salida del AWG de particionado, solo 4 se modulan con la información y las otrascuatro portadoras se transmiten vacías hacia el terminal, para ser utilizadas enlas transmisión uplink.

El diseño esta pensado para ser un sistema bidireccional, como puede eviden-ciarse, pero se debe tener en cuenta que los módulos del software de simulacióntienen limitaciones para implementarse con esta modalidad, pues para el caso delAWG y de la fibra bidireccionales, estos operan simultáneamente las señales desubida y de bajada; sin embargo, debido al diseño del sistema hay un instantede tiempo en el que en la dirección de subida no habrá ninguna señal y por endedichos módulos no operarán de manera correcta. Es por esto que en el diagramadel sistema mostrado en la figura 3.19 se muestran diferentes módulos AWGspara el tramo de bajada y el tramo de subida al igual que se utilizan dos módulosde fibra óptica unidireccional para simular cada dirección de transmisión, dondeel recuadro señala la parte del sistema dedicada a la transmisión en subida.

Figura 3.19: Esquema del Sistema implementado en la simulación conforme aldiseño.

40

4. ResultadosComo se puede ver en el esquema de la figura 3.19, y dada la configuración del

AWG para el particionado espectral de 8 longitudes de onda portadoras (figura4.1), se usan las frecuencias bajas, de 192.7 THz a 193 THz, como canales para latransmisión en dirección ascendente, y las frecuencia altas, de 193.1 THz a 193.4THz, para la transmisión en bajada, y son usadas como portadoras ópticas en lamodulación de la señal de radiofrecuencia que contiene la información, realizadapor medio del modulador Mach-Zehnder, figura 4.2.

Figura 4.1: Portadoras ópticas generadas con el particionado espectral.

Tabla 4.1: Asignación de Frecuencias para cada canal

λn FrecuenciaBajada

λ1 193.1 THzλ2 193.2 THzλ3 193.3 THzλ4 193.4 THz

Subidaλ5 192.7 THzλ6 192.8 THzλ7 192.9 THzλ8 193 THz

41

Figura 4.2: Señal multiplexada de cuatro canales modulados para TxDL y cuatroscanales vacíos para TxUL

Para la transmisión uplink, una vez se tienen las portadoras de los canales desubida en el terminal del usuario, estas pueden ser moduladas con la informaciónque se desea transmitir hacia el terminal de linea, ser multiplexadas para la trans-misión en la fibra (figura 4.3) y posteriormente realizar el proceso de recepciónde la información en el terminal de linea.

Figura 4.3: Señal multiplexada de los cuatro canales modulados para TxUL

Una vez se recibe la señal y se tiene la información en el dominio eléctrico enbanda base, por medio del analizador de BER se evalúa la calidad del sistema

42

para cada canal con la tasa de error de transmisión como criterio. Sin embar-go, debido a la limitación del software para los grandes anchos de banda hayun impedimento en el que debido al tiempo de ventana y a la tasa de muestreodefinidos como parámetros globales de la simulación, no es posible visualizar elespectro completo de algunos canales y por ende la señal de información en elreceptor, una vez en banda base, no está completa, y al hacer la superposiciónen el analizador de BER con la señal de información generada originalmente, losvalores de tasa de error que arroja para estos canales no puede ser determinanteen cuanto al desempeño del sistema de transmisión.

Por este motivo, a continuación se muestran los resultados obtenidos en el ana-lizador de BER para canales en los que es posible conformar la señal al final delenlace y tener valores de tasa de error correspondientes a la calidad del sistema;de igual forma, se debe tener en cuenta que el objetivo es comprobar el funciona-miento de los conceptos implicados en la arquitectura del sistema, por lo tantoes suficiente mostrar el comportamiento de un canal de transmisión downlinky un canal de transmisión uplink, dadas las limitaciones con la herramienta yadescritas. Los canales menos afectados son aquellos que se encuentran en el cen-tro del rango de visualización, λ1 de bajada a 193.3 THz y λ8 de subida a 193THz. En las figura 4.4 se muestra el diagrama de ojo obtenido para cada canal,respectivamente.

(a) Diagrama de ojo para el canal 1 - Ba-jada

(b) Diagrama de ojo para el canal 8 -Subida

Figura 4.4: Diagramas de ojo para los canales 1 y 8.

Y en la tabla 4.2 se tabulan la tasa de error de bit, BER, y otros parámetrosque evalúan la calidad del sistema para cada canal de transmisión.

43

Tabla 4.2: Resultados arrojados por el analizador BER para Canal 1 y Canal 8

λn Frecuencia BER Factor Q Apertura de ojoλ1 193.1 THz 5,69881× 10−61 16.423 0.00237349λ8 193 THz 5,41444× 10−151 26.1348 0.00624478

Se puede ver que tanto para el canal de bajada como el de subida se obtienenvalores de BER que cumplen con el criterio de calidad del sistema de transmisiónaun muy superiores al límite de aceptación, esto se debe a que a pesar de que laseñal sufre degradación en los niveles de potencia a lo largo del sistema a causa dela inserción de los dispositivos y de la atenuación en el hilo de fibra, la amplifica-ción que se realiza al final de cada tramo permite tener altos niveles de potenciade la señal transmitida sobre cada portadora óptica, por encima de los -10 dB.También los valores de BER obtenidos en este sistema de ocho canales aumentancomparado a los valores obtenidos en la caracterización que se realizó con un solocanal de bajada, debido a que al aumentar las portadoras en el enlace de trans-misión aumenta así mismo la interferencia entre canales reduciendo la calidad dela señal, y también en el sistema completo se añaden dispositivos, comparado conel esquema básico usado para la caracterización, que añaden pérdidas a lo largode la transmisión.

Un fenómeno que reduce la calidad del sistema es el efecto de supresión de porta-dora en el que las dos bandas laterales, generadas en la modulación AM (Figuras4.2 y 4.3), sufren un retardo diferente al de la portadora óptica con respecto ala portadora óptica. Al realizar la detección de la señal, la amplitud resultantees la suma de las dos bandas, que depende del desfase relativo entre ellas. Sieste desfase es de π radianes se presenta una interferencia destructiva que anulala señal recibida. A partir de la función de transferencia eléctrica del efecto desupresión de portadora (ecuación 4.1)

HRF (Ω) = cos(1

2β2LΩ

2), (4.1)

donde β2 es la dispersión de la fibra, L la longitud y Ω es la frecuencia angularde la señal en RF [44]. Para mejorar el desempeño del sistema de tal manera quesea más transparente a la distancia y a la frecuencia de la portadora óptica seimplementa en el sistema un filtro óptico rechazabanda de Bessel con frecuenciacentral en la frecuencia portadora del respectivo canal, cuyo efecto se ve en lafigura 4.5 en donde se suprime la portadora óptica y resulta en la señal únicamentelas bandas laterales que contienen la información; seguido del fotodetector paraobtener la señal en el dominio eléctrico y posteriormente un filtro pasabajos, consu respectiva configuración de parámetros como se muestra en las tablas 4.3 y4.4, para recuperar la señal de información, como se muestra en la figura 4.6. Coneste esquema se debe modificar la tasa de muestreo en la simulación puesto quecon tasas altas se produce una sobremodulación que no permite que se rechace laportadora.

44

(a) Señal antes del filtro rechazabanda.

(b) Señal a la salida del filtro rechazabanda.

Figura 4.5: Supresión de portadora.

Tabla 4.3: Parámetros de configuración del Filtro Óptico Rechazabanda de Bessel

Filtro Rechazabanda de Bessel

Frecuencia central Frecuencia de laportadora óptica del canal

Ancho de banda 10 GHzPérdidas de inserción 3 dBOrden 4

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Tabla 4.4: Parámetros de configuración del Filtro Pasabajos de Bessel

Filtro Pasabajos de BesselFrecuencia de corte 933.12 MHzPérdidas de inserción 3 dBOrden 4

(a) Composición del Optical Network Terminal con supresión deportadora óptica.

(b) Esquema del Sistema implementado en la simulación, con supresión de portadora óptica.

Figura 4.6: Modificación del sistema con supresión de portadora óptica.

Con este nuevo esquema para el sistema se realiza nuevamente la simulación,y se obtienen los siguientes diagramas de ojo para los canales 1 y 8 en la figura4.7.

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(a) Diagrama de ojo para el canal 1 - Ba-jada

(b) Diagrama de ojo para el canal 8 -Subida

Figura 4.7: Diagramas de ojo para los canales 1 y 8 aplicando supresión de por-tadora óptica.

Y de igual forma, en la tabla 4.5 se tabulan la tasa de error de bit, BER, y otrosparámetros que evalúan la calidad del sistema para cada canal de transmisión conla modificación realizada.

Tabla 4.5: Resultados arrojados por el analizador BER para Canal 1 y Canal 8con supresión de portadora óptica

λn Frecuencia BER Factor Q Apertura de ojoλ1 193.1 THz 0 87.8209 0.00361494λ8 193 THz 0 404.313 0.0404898

Es evidente la mejora en el desempeño del sistema en términos de la tasade error de transmisión obteniendo incluso valores ideales que permiten llevarel sistema a exigencias mayores con el fin de poder evaluar el alcance de estediseño final del sistema en términos de distancia del enlace. Para este análisis delcomportamiento del BER respecto a la distancia, se varía a partir de los 40 kmque tiene el sistema y se aumenta cada 10 km, evaluando los cambios de la tasade error de transmisión para los dos canales que se han tomado como referenciapara el análisis del sistema, canal 1 - bajada y canal 8 - subida. Estos valores,junto con los demás parámetros del diagrama de ojo, se resumen en las tablas 4.6y 4.7.

47

Tabla 4.6: Variación de BER respecto a la distancia para el sistema final para elcanal 1 - bajada (λ1)

Distancia(km) BER Factor Q Apertura de ojo

40 0 87.7904 0.0036135750 0 55.0235 0.0021774860 2,29902× 10−297 36.8377 0.001288270 2,1438× 10−128 24.0776 0.0007409980 2,11122× 10−49 14.7286 0.00040463590 2,14538× 10−22 9.66388 0.000207271100 3,15895× 10−11 6.53595 9,53206× 10−05

Tabla 4.7: Variación de BER respecto a la distancia para el sistema final para elcanal 8 - subida (λ8)

Distancia(km) BER Factor Q Apertura de ojo

40 0 309.392 0.044599450 0 70.9704 0.017870760 0 44.1932 0.0071862270 7,49244× 10−287 36.1677 0.0027321480 2,85998× 10−115 22.7808 0.0010023190 7,9581× 10−48 14.4605 0.000352633100 8,02629× 10−27 10.6299 0.000119847

Figura 4.8: Variación del BER respecto a la distancia del enlace para canal 1 ycanal 8

48

La variación se realizó hasta los 100 km debido a que con distancias mayoreslos valores de BER no garantizan la calidad del servicio en el sistema. Se puedeapreciar que a partir de 80 km de distancia se pueden ver cambios significativosen el analizador BER y los valores de la tasa de error de transmisión, pues sonsimilares a los obtenidos en el primer diseño del sistema, comportamiento vistode manera gráfica en la figura 4.8. Sin embargo el criterio de aceptación de unBER menor que 1 × 10−10 se sigue cumpliendo hasta los 100 km de distancia,pero con los demás parámetros del diagrama de ojo es evidente una degradacióndel mismo, como se ven en la figura 4.9.

(a) Diagrama de ojo para el canal 1 - Ba-jada con distancia del enlace de 100 km

(b) Diagrama de ojo para el canal 8 -Subida con distancia del enlace de 100 km

Figura 4.9: Diagramas de ojo para los canales 1 y 8 aplicando supresión de por-tadora óptica.

Por otro lado, puesto que se quiere llevar el sistema a condiciones semejantes alas redes comerciales de comunicación, se modifica el esquema de tal manera quese implemente la topología empleada en aquellas redes para distribuir los serviciosa muchos usuarios finales. Es por esto que se implementa el sistema propuertosobre la topología de red en estrella desplegada especialmente en las redes dedistribución de acceso añadiendo un splitter óptico luego de la fuente de luz debanda ancha, para aprovechar los altos niveles de potencia configurados en elláser de onda continua y aumentar la capacidad de la red en cuanto al número deusuarios finales. Estos divisores de potencia comercialmente pueden tener hasta256 ramas de salida, sin embargo el tamaño 1:n del splitter se simula aumentandon conforme a los valores existentes comercialmente, desde n = 2 hasta un númerode ramas de salida que permitan al sistema cumplir con el criterio de calidadsegún el BER obtenido en cada canal de cada rama. Cabe recalcar que segúnla estandarización de la ITU para redes GPON, tecnología de referencia para eldesarrollo de este trabajo, es sugerida una división de hasta 64 ramas pero quegarantice la calidad del servicio en la red para los usuarios. La adición del splitteróptico se hace sobre el esquema mostrado en la figura 4.5 y como se muestra enla figura 4.10

49

Figura 4.10: Esquema del sistema añadiendo divisor óptico de potencia.

Como parámetros de configuración del splitter en la simulación se tienen elnúmeros de puertos de salida y las pérdidas, las cuales dependen del tamaño deldivisor donde cada etapa de división añade aproximadamente 3.5 dB de pérdidasen las señales de salida, como se muestra en la tabla 4.8.

Tabla 4.8: Pérdidas del splitter según el tamaño

Relación de Split1:n

Pérdidas(dB)

1:2 3.61:4 7.21:8 111:16 141:32 17.51:64 201:128 23.5

Los valores obtenidos que determinan la calidad de la transmisión se tabulanen la tabla 4.9, plasmando en el BER de la rama con peor desempeño.

50

Tabla 4.9: Variación de BER respecto al tamaño del divisor óptico con 40 km dedistancia de cada enlace

Relación de Split1:n

BERCanal DL

BERCanal UL

1:2 0 01:4 0 01:8 1,86712× 10−110 01:16 1,76383× 10−13 01:32 2,93934× 10−02 01:64 1,18892× 10−01 1,07337× 10−41

1:128 1 3,61501× 10−20

Como se puede ver, con 16 ramificaciones se llega a tener un valor de BERpara algunas ramas muy cercanos al máximo aceptable y el diagrama de ojo comose aprecia en la figura 4.11

(a) Diagrama de ojo para el canal de Ba-jada con relación de split 1:16

(b) Diagrama de ojo para el canal deSubida con relación de split 1:16

Figura 4.11: Diagramas de ojo para canal de bajada y de subida con relación desplit 1:16.

Por esto, aumentar el tamaño del divisor a 1:32, 1:64 o 1:128 causa que no sepueda garantizar la calidad de la transmisión en toda la red y los diagramas deojo para estas relaciones de split muestran la mala calidad de la red para estostamaños de divisor (figuras 4.12,4.13 y 4.14).

51

(a) Diagrama de ojo para el canal de Ba-jada con relación de split 1:32

(b) Diagrama de ojo para el canal deSubida con relación de split 1:32

Figura 4.12: Diagramas de ojo para canal de bajada y de subida con relación desplit 1:32.

(a) Diagrama de ojo para el canal de Ba-jada con relación de split 1:64

(b) Diagrama de ojo para el canal deSubida con relación de split 1:64

Figura 4.13: Diagramas de ojo para canal de bajada y de subida con relación desplit 1:64.

52

(a) Diagrama de ojo para el canal de Ba-jada con relación de split 1:128

(b) Diagrama de ojo para el canal deSubida con relación de split 1:128

Figura 4.14: Diagramas de ojo para canal de bajada y de subida con relación desplit 1:128.

Este comportamiento se debe a que al aumentar el número de ramificacionesdel sistema, el nivel de potencia de la señal utilizada como fuente de luz paracada rama (la señal a la salida de cada puerto del divisor) disminuye y a lo largodel enlace las señales transmitidas presentan pérdidas disminuyendo aún más losniveles de potencia, de tal manera que en el receptor parte de la señal con lainformación tiene niveles de potencia muy bajos que no permite recuperar porcompleto la señal original, por lo que la tasa de error de transmisión del sistemaaumenta. Para los canales de transmisión en dirección de subida el sistema pre-senta mucho mejor desempeño porque en todo el trayecto, la señal pasa por dosetapas de amplificación que compensan muy por encima las pérdidas a lo largode la transmisión.

Para las relaciones de split que permiten garantizar la calidad de la transmi-sión en la red se desea relacionar el tamaño del splitter con la distancia máximade enlace que se puede implementar aumentando la distancia desde los 40 kmhasta la distancia en la que se siga manteniendo el desempeño de la red dentrodel criterio de aceptación, obteniendo el comportamiento ilustrado en la figura4.15 para cada relación de división.

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(a) Relación del BER con respecto a la dis-tancia del enlace para la relación de divi-sión 1:2

(b) Relación del BER con respecto a la dis-tancia del enlace para la relación de divi-sión 1:4

(c) Relación del BER con respecto a la dis-tancia del enlace para la relación de divi-sión 1:8

(d) Relación del BER con respecto a la dis-tancia del enlace para la relación de divi-sión 1:16

Figura 4.15: Relación del BER con respecto a la distancia del enlace para cadarelación de división.

A partir de la figura 4.15, para las relaciones 1:2 y 1:4 se puede evidenciar que adistancias superiores de los 80 km se sigue cumpliendo con el criterio de aceptacióncon respecto al BER, sin embargo el patrón del diagrama de ojo, a partir de los90 km de longitud del enlace (figura 4.16), se degrada significativamente lo cualindica un deterioro en la señal transmitida.

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(a) Diagrama de ojo para canal de baja-da con relación de división 1:2 a 90 km delongitud de los enlaces

(b) Diagrama de ojo para canal de baja-da con relación de división 1:4 a 90 km delongitud de los enlaces

Figura 4.16: Degradación del patrón del diagrama de ojo a partir de los 90 kmde longitud de los enlaces.

Para las relaciones 1:32, 1:64 y 1:128, como se puede ver en la tabla 4.9, a 40km de longitud de los enlaces la red no tiene calidad de servicio en la transmisión;sin embargo se evalúan distancias desde los 10 km aumentando cada 10 km paradeterminar el rango de distancias en las que estas relaciones de división se puedenimplementar en la red. La relación del BER con respecto a la distancia para unadivisión de 32 ramas con 20 km de distancia en el hilo de fibra, el sistema cumplecon el criterio de aceptación del sistema, figura 4.17. Sin embargo, al hacer larelación con los tamaños 1:64 y 1:128 se tiene que aún a 10 km de longitud de losenlaces de fibra no se logran valores de BER mínimos para garantizar la calidadde la transmisión (tabla 4.10).

Figura 4.17: Relación del BER con respecto a la distancia del enlace para larelación de división 1:32.

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Tabla 4.10: BER para las relaciones de división 1:64 y 1:128

Relación de Split1:n

BERCanal DL

1:64 0.0006375381:128 0.0631403

La incorporación del sistema a esta topología de red permite evaluar el alcancedel diseño en la capacidad de número de usuarios, pues, a nivel de la simulaciónrealizada de 4 canales por rama y teniendo 16 ramas con el splitter óptico, esposible tener en la red capacidad para 64 terminales o sitios para una longituddel enlace de 40 km; o teniendo 32 ramas pero con distancia de enlace de 20 km,se tiene capacidad para hasta 128 terminales. Comprobando que por medio deldivisor de potencia es posible aumentar la capacidad de la red sin depender deltamaño de los AWGs, los cuales representan un mayor costo en la implementación.

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5. ConclusionesEn el diseño del sistema de transmisión presentado en este trabajo se lograron

comprobar el funcionamiento y aplicabilidad de conceptos base de la arquitecturadel sistema y que son de interés para la implementación en redes emergentes, latransmisión de señales de radiofrecuencia sobre fibra óptica, en bandas de fre-cuencia de ondas milimétricas, bajo la implementación del particionado espectralde una sola fuente de luz incoherente para obtener 8 portadoras ópticas, compor-tándose como 8 fuentes de luz diferentes, para modular la señal de informaciónen el OLT de la red óptica, siendo solución costo-efectiva ante las actuales arqui-tecturas de los sistemas de transmisión.

Por medio del modelamiento del sistema se lograron validar los parámetros de ca-lidad de las señales transmitidas obteniendo tasas de error de transmisión muchomenores al criterio de aceptación de 10−10 gracias a la amplificación implemen-tada al final de cada tramo de fibra, que permite tener niveles de potencia de lasseñales transmitidas suficientemente altas para que en el receptor sea posible larecuperación de la señal de información.

La modificación en la manera de recibir la información suprimiendo la porta-dora óptica logra mejorar significativamente el desempeño de todo el sistemaalcanzando en el modelamiento valores ideales de BER, lo cual permite aumentarla longitud del enlace de transmisión hasta 80 km de distancia.

Para tener un modelo de red semejante a las redes desplegadas por operado-res en la actualidad, se implementa el sistema propuesto sobre una topología enestrella con la adición de un divisor de potencia óptico a la salida de la fuentede luz de banda ancha para tener varias ramas en la red de distribución y asíaumentar la capacidad y la cobertura de la red, dos factores que se configuranconforme los requerimientos del escenario al que se vaya a aplicar la arquitectura,puesto que la red puede tener grandes longitudes de hasta 80 km de distanciapero solo 24 terminales finales; o bien puede tener 128 sitios en la distribuciónpero a una distancia máxima de 20 km.

Los alcances del sistema hacen que sea una solución atractiva para los opera-dores de redes de telecomunicaciones pues permiten su aplicación en diferentesescenarios donde existe una red, tanto en la etapa de transmisión (oficina centra- núcleo de la red), como en la etapa de red de acceso (oficina central - usuariofinal). Por otro lado, con las distancias que se pueden implementar y con lasramificaciones que permite el splitter óptico, es una solución que puede ser des-plegada para el nuevo concepto de Cloud-RAN de las quinta generación, juntocon la transmisión de la información sobre bandas de ondas milimétricas. Ademássin olvidar los beneficios económicos para CAPEX y OPEX de los operadores,gracias al particionado espectral.

A pesar de las limitaciones que tiene la herramienta de simulación OptiSystempara grandes anchos de banda y altas tasas de transmisión, fue posible configurar

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parámetros de la red, que si bien no son los mas exigentes, son semejantes a losvalores aplicados en sistemas reales y valores comerciales. Esto, haciendo referen-cia a la tasa de transmisión de 1,24416 Gbps que cumple con la estandarización,de igual forma el ancho de banda de paso de los puertos de salida del AWGde particionado cuyo valor es semejante al comercial, junto con las pérdidas deinserción configuradas en los dispositivos del esquema.

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