Redes de acceso europeas: actualización del ancho de banda y la velocidad para 5G y nuevas tecnologías

Introducción

Las redes de acceso europeas cambian constantemente para satisfacer las necesidades cambiantes de sus usuarios finales. En los últimos años, los operadores de redes han pasado de emplear redes separadas para sus ofertas a brindar múltiples servicios a través de una red. Esta tendencia a gran escala hacia la convergencia significa que la infraestructura de fibra de las redes de acceso modernas ahora admite múltiples tecnologías como redes de acceso por radio (RAN), Wi-Fi, Metro Ethernet, red óptica pasiva (PON) y más. 

Con la convergencia y las crecientes demandas de los usuarios finales en torno a 5G e IoT, surge una mayor necesidad de actualizar la velocidad y la capacidad de las redes de acceso de Europa. La UE ya ha reservar 700 millones de euros para acelerar la investigación y la innovación en la tecnología 5G que se utilizará para una gran variedad de casos de uso. Sin embargo, actualizar las redes es un negocio desafiante. 

Desafíos técnicos de las redes de acceso óptico por encima de 10 Gbps

A diferencia de las redes troncales y metropolitanas, las redes de acceso tienen dos características clave:

1. Una amplia variedad de longitudes de enlace que conectan múltiples ubicaciones usando infraestructura de planta externa. Aunque una red de acceso puede tener longitudes de enlace que van de 10 a 120 km, la mayoría de los enlaces tienen una longitud de 40 a 60 km. 
2. Una gran cantidad de enlaces que aprovechan diversos protocolos y velocidades de datos. Esto se suma a la complejidad de la red en general. 
   

Como si operar redes de acceso no fuera ya complejo, actualizar el ancho de banda por encima de 10 Gbps trae su propio conjunto de problemas. Aquí están los 3 primeros:  

1. Presupuesto de enlace óptico

Cuando los operadores de red superan los 10 G por lambda, las consideraciones de presupuesto del enlace óptico se vuelven primordiales. En general, la cantidad de potencia óptica en el receptor del enlace debe estar por encima de la sensibilidad del receptor para obtener un enlace con éxito. A medida que las redes de acceso abarcan distancias más largas, la contabilidad de los presupuestos de enlace se vuelve cada vez más compleja. Aunque siempre se puede agregar ganancia óptica a un sistema con amplificadores como los EDFA, la amplificación adicional siempre genera un aumento en el ruido.  

2. Relación señal-ruido óptica

El hecho de que un receptor vea luz por encima de la sensibilidad no significa que los datos se estén transmitiendo correctamente. La relación señal-ruido óptica (OSNR) es la relación entre el nivel de señal real y el nivel de ruido en el sistema. Cuanto menor sea este número, más probable será que haya errores de bits en la transmisión. A medida que los enlaces pasan a esquemas de modulación de orden superior para obtener más bits por símbolo (es decir, PAM4 o QAM), se necesita mejor OSNR para distinguir los niveles de la señal. Los procesadores de señales digitales (DSP) y la corrección de errores de reenvío (FEC) se pueden usar para compensar los errores de bit, pero también agregan complejidad, potencia, latencia y problemas generales de interoperabilidad.

3. Dispersión cromática

Para redes con anchos de banda de 10 Gbps y superiores, la dispersión cromática tiene un impacto negativo en la sensibilidad del receptor del transceptor óptico. La dispersión cromática es un efecto en una señal óptica que hace que los pulsos se propaguen a medida que la señal viaja a través de la fibra. En los sistemas de señalización más lentos, un amplio tiempo entre símbolos significa que la propagación no crea un problema. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad en baudios, la propagación del pulso hace que los símbolos se superpongan entre sí, lo que da como resultado una interferencia entre símbolos (ISI). 

Con anchos de banda de 10 Gbps, la dispersión cromática limita los enlaces de red a aproximadamente 80 km. Pasados los 10 Gbps, a tasas de ancho de banda de 25 Gbps y más, la dispersión cromática comienza a limitar la distancia del enlace a 15 o 20 km. Esto no cumple con los requisitos de distancia de la mayoría de las redes de acceso actuales. Aunque existen módulos de compensación de dispersión (DCM), agregan niveles más altos de complejidad al sistema.  

Resolución de mayor ancho de banda en redes de acceso

Las ópticas Coherent y PAM4 son soluciones atractivas para redes de acceso en evolución para velocidades y ancho de banda más altos (hasta 400 G y más) al mismo tiempo que abordan los desafíos antes mencionados. Sin embargo, cada tecnología tiene sus propias limitaciones.

Óptica Coherente – Aunque las ópticas coherentes centradas en el acceso CFP, CFP2 y QSFP56-DD/OSFP permiten un largo alcance de enlace de más de 100 km (hasta miles de km para CFP y CFP2) a velocidades de datos de hasta 400 G, tienen mayores requisitos de espacio y energía. que otros tipos de transceptores utilizados dentro de la red de acceso de un operador. Como resultado, aprovechar la óptica coherente aumenta potencialmente los costos totales del operador, lo que representa un desafío para los operadores de red con presupuestos limitados.

PAM4 – El estándar PAM4 emplea cuatro canales de amplitud, cada uno con dos bits, lo que duplica la tasa de datos, lo que lo hace dos veces más eficiente que los modelos binarios heredados. En comparación con los requisitos de espacio y energía de la óptica coherente, PAM4 aprovecha los componentes que pueden caber en factores de forma más pequeños y comunes, como el modelo QSFP28. Como tal, ofrece importantes ventajas de ahorro de costos a los operadores de red que lo aprovechan. 

Sin embargo, la óptica PAM4 no está exenta de limitaciones. Superar los 100 Gbps en un alcance de enlace óptico de 5 km requiere amplificación, compensación de dispersión y/o corrección de errores de reenvío (FEC) en la línea óptica. Esto significa la instalación de equipos activos y un mayor gasto de energía, lo que podría mitigar la ventaja de bajo costo de PAM4. 

Nuevas tecnologías: adaptarse a la diversidad de casos de uso dentro de las redes de acceso

A pesar de sus inconvenientes, tanto la óptica coherente como la tecnología PAM4 jugarán un papel importante en impulsar el acceso y otras redes a 800G y más allá. Sin embargo, lo que falta en la discusión es una solución que pueda resolver el alcance más largo y la naturaleza más costosa de la óptica coherente y el alcance rentable pero limitado de las soluciones PAM4 disponibles.  

Las redes de acceso modernas sirven a muchos tipos diferentes de estructuras, desde torres de telefonía móvil, edificios empresariales y unidades de viviendas múltiples (MDU) hasta centros de datos, sitios de agregación, escuelas y estadios deportivos. La nueva tendencia en redes de acceso se centra en la transmisión de datos a distancias más cortas, a menudo menos de 40 km. Los requisitos de latencia extremadamente baja también están agregando una dimensión nueva e interesante a la red de acceso, especialmente a medida que continúan los despliegues de 5G. 

Rápidamente se hace evidente que los operadores de redes de acceso necesitan una solución que cumpla con los tres requisitos siguientes:

1. 1. 1. Permite DWDM de 100 G para que los operadores puedan tener la velocidad y la capacidad que necesitan para cumplir con los requisitos actuales y futuros de los usuarios finales.

      2. Aprovecha un factor de forma de transceptor común, como QSFP28, para una interoperabilidad perfecta y ahorro de costos

      3. Permite la transmisión de datos a una distancia razonable de 40 km sin requerir ninguna equipos de transporte externo, amplificadores, filtros, etc.

Conclusión

A medida que avanzamos hacia 2021, una cosa está clara: el futuro de la red de acceso óptico en Europa es brillante. Dado que los gobiernos continúan invirtiendo en implementaciones de 5G y los operadores de redes individuales compitiendo por una posición, la tendencia hacia la convergencia y la necesidad de velocidades y ancho de banda más altos solo se está calentando. Los fabricantes de equipos de redes ópticas tienen un importante papel que desempeñar para hacer realidad las redes del futuro. Aunque las soluciones coherentes y PAM4 existentes ayudan a los operadores a superar los desafíos de actualizar el ancho de banda hasta cierto punto, todavía hay margen de mejora. Afortunadamente, ese momento ha llegado y los operadores de red europeos pueden esperar un futuro audaz mientras trabajan para cumplir con los requisitos de sus usuarios finales.