En la actualidad existe una gran actividad en relación con el desarrollo y estandarización de los futuros productos y dispositivos 100 Gigabit Ethernet. En este artículo comentaremos algunas de dichas iniciativas

El espectacular aumento en los requisitos de ancho de banda de las redes, motivado en gran medida por Internet (Web 2.0) y las aplicaciones de vídeo bajo demanda (IPTV), está provocando la continua actualización de los routers de los proveedores de servicio con nuevos interfaces 10G. De hecho, se están ya desplegando interfaces a 40 Gb/s y algunos routers DWDM de larga distancia ya transportan canales 40G. Sin embargo, la necesidad de 100 Gigabit Ethernet (100GbE) es cada vez más evidente (figura 1). La tasa de 100 Gb/s supone la extensión natural de la jerarquía Ethernet (10M/100M/1G/
/10G) que ha tenido gran éxito durante las últimas décadas. Si bien hay quienes opinan que 100GbE llega tarde. Se trata de aquellos que han estado trabajando con vendedores que poseen soluciones propietarias a 100 Gb/s y consideran que los estándares 100GbE debieron finalizar mucho antes. Los dos principales organismos de estandarización que han participado en estas tareas son el IEEE (802.3 Higher Speed Study Group, HSSG) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU-T). Sin embargo, existen también una serie de alianzas y asociaciones que han estado involucradas en el proceso de especificación del estándar 100GbE, como son: Alliance for Telecommunication Industry Solutions (ATIS), Optical Internetworking Forum (OIF), Ethernet Alliance, Road to 100G Alliance, Optoelectronics Industry Development Association (OIDA). Uno de los puntos más delicados del proceso de estandarización es el relativo a la definición de la especificación 40GbE, pues como es sabido, hoy en día los routers de mayor capacidad se desarrollan con puertos a 40 Gb/s y se necesita compatibilidad entre Gigabit Ethernet y la jerarquía SONET/SDH cuyas tasas de bit normalizadas se definen utilizando múltiplos de cuatro. Este es posiblemente uno de los mayores puntos de discusión en la actualidad, a lo que se une el hecho de que Gigabit Ethernet sí que está preparado para manejar tráfico asíncrono, pero SONET/SDH no resulta el medio más eficiente para manejar el actual volumen de tráfico IP. En este artículo comentaremos las iniciativas de estandarización que están llevándose a cabo hoy en día en relación con 100GbE, al tiempo que presentaremos algunas de las tecnologías que se van a utilizar en la implementación de los primeros dispositivos comerciales.

Actividades de estandarización
El grupo IEEE 802.3 HSSG ha participado activamente en la definición de los parámetros de la capa MAC y de las especificaciones del interfaz físico LAN del estándar 100GbE. Dicho proceso de estandarización resulta clave para asegurar la correcta interconexión de los equipos Ethernet de las empresas y centros de datos con los sistemas de transporte WAN. La red de transporte óptica (Optical Transport Network, OTN) es la futura plataforma para el intercambio de todo tipo de información digital. La ITU-T ha estandarizado la OTN a través de la serie G de recomendaciones: estructuras de trama (G.709), arquitecturas (G.872) y funciones de gestión (G.798). Concretamente, consiste en una jerarquía multiplexada de unidades ópticas de datos (optical data units, ODUs) que se organizan en el interior de unidades de transporte óptico (optical transport units, OTUs), las cuales constituyen la base de los servicios de datos GFP-Framed o GFP-Transparent. Los contenedores OTU se nombran del 1 al 4 y se corresponden con las siguientes tasas de bit:

1 – OTU1/ODU1: 2,5 Gb/s
2 – OTU2/ODU2: 10 Gb/s
3 – OTU3/ODU3: 40 Gb/s
4 – OTU4/ODU4: 120 Gb/s

El desarrollo de la especificación del contenedor OTU4 está actualmente en marcha en el grupo de trabajo ITU-T SG 15, y constituye el modelo de referencia de 100 Gb/s en el grupo IEEE HSSG. Los contenedores OTU4 podrán transportar de forma transparente 9 señales 10GbE, o bien una única señal 100GbE. Las actividades complementarias del IEEE y de la ITU-T relativas al estándar 100GbE se resumen en la tabla I.
En la figura 2 se muestra esquemáticamente un modelo de arquitectura 100GbE MAC, denominada 100GE, con 10 subcapas I/O de codificación física 10G para 10 km de fibra óptica monomodo (SMF). El reto a la hora de estandarizar este tipo de aplicaciones es conseguir desarrollar transceptores de primera generación utilizando la tecnología actual, y posteriormente ir mejorando en coste, potencia y tamaño conforme aparezcan nuevas posibilidades tecnológicas. En cualquier caso, la elección de las longitudes de onda de funcionamiento debe ser acorde con las tecnologías tanto actuales como futuras.

Tecnologías 100GbE
A la hora de analizar la tecnología optoelectrónica de los sistemas 100 GbE podemos diferenciar entre dos tipos de aplicaciones. La primera de ellas se refiere a redes LAN a 100 Gb/s sobre SMF, mientras que la segunda se corresponde con el caso de fibra multimodo (MMF). En ambos casos se puede hablar de dos generaciones tecnológicas: la tecnología actual y la que será necesaria en 8 ó 10 años.
Los sistemas 100 Gb/s LAN SMF pueden implementarse utilizando diversas alternativas: tecnología existente 10G LAN NRZ sobre canales WDM, modulaciones avanzadas sobre una única portadora óptica y técnicas de compensación de dispersión, o nuevas tecnologías NRZ a 25 Gb/s sobre canales WDM. En todos los casos, tanto a 1310 nm como a 1550 nm. La especificación 10GBASE-ER soporta 40 km a 1550 nm, lo que equivale a unas pérdidas de 8 dB en el balance de potencias, frente a los 16 dB a 1310 nm. En cambio, 10GBASE-LR soporta 10 km a 1310 nm, lo que equivale a unas pérdidas de 4 dB. Las mayores pérdidas a 1310 nm se contrarrestan con el hecho de no necesitar compensación de dispersión, por lo que pueden emplearse láseres con modulación directa. La tasa de bit de 100 Gb/s se forma a partir de 10 canales WDM de 10 Gb/s, por lo que se nombra habitualmente como 10x10G. Cualquiera de las tecnologías 10GBASE anteriores puede utilizarse para implementar este tipo de sistemas. Por ejemplo, CyOptics and Cray han desarrollado un transceptor a 1550 nm utilizando la ventana CWDM de 20 nm.
Como se comentaba anteriormente, otra de las alternativas es el empleo de esquemas de modulación óptica avanzados tales como QPDSK o DQPSK (CONECtrónica, número 114, pp. 8-12, febrero 2008). En este caso, la tasa de símbolo se reduce a la mitad, resultando dos canales de 50 Gb/s que pueden colocarse en el interior de un único canal DWDM. Adicionalmente, mediante el empleo de polarizaciones ortogonales, se puede conseguir una nueva reducción de la tasa de símbolo y obtener cuatro canales ortogonales de 25 Gb/s. '

Por último, la tercera alternativa consiste en la multiplexación WDM de cuatro señales NRZ de 25 Gb/s (4x25G). Esta opción resulta especialmente atractiva dado que características tales como coste, consumo de potencia, tamaño y fiabilidad mejoran con la reducción del número de canales, por lo que se obtienen ventajas frente a la opción 10x10G. El esquema es bastante similar al del estándar 10GBASE-LX4, aunque en este caso para fibras SMF. El diagrama de bloques de la arquitectura de transceptor 4x25G se representa en la figura 3. La conexión con el interfaz eléctrico se realiza empleando señales de 10 Gb/s, tasas de entrada/salida típicas de las principales tecnologías CMOS utilizadas para la capa MAC.

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Las conversiones de 10 Gb/s a 25 Gb/s y viceversa se consiguen mediante el empleo de circuitos serializadores 10:4. En transmisión, las señales se modulan empleando 4 láseres con moduladores de electroabsorción (EML), los cuales generan 4 longitudes de onda diferentes que se multiplexan sobre la misma fibra. Para alcances inferiores a 4 km, puede emplearse tanto segunda como tercera ventana. Existe también la posibilidad de utilizar 4 láseres con modulación directa, pero en este caso a 1550 nm se requieren técnicas de compensación de dispersión. En recepción se realiza el proceso inverso, los 4 canales ópticos WDM se demultiplexan y se fotodetectan con sendos receptores compuestos de un fotodiodo PIN y un amplificador de transimpedancia (TIA). Los espaciados de los canales WDM admiten distintas posibilidades que se enumeran a continuación: rejilla IEEE LX-4 de 25 nm, rejilla CWDM ITU G.694.2 de 20 nm, o rejillas DWDM ITU G.694.1 de 400 a 800 GHz (2 a 4 nm). Las dos primeras permiten la utilización de láseres sin control de temperatura.

Por último, simplemente comentar que dado que las pérdidas de potencia son mayores a 1310 nm, se requiere el empleo de amplificadores ópticos de semiconductor (SOA) en el caso de redes metropolitanas (alcances inferiores a 40 km). Si bien éstos pueden sustituirse también por láseres de alta potencia en transmisión y fotodetectores de avalancha (APD) en recepción. En el caso de 1550 nm, las técnicas de control de la dispersión que suelen utilizarse son: pre-chirping
en los transmisores, fibras compensadoras o circuitos de compensación electrónica de la dispersión (EDC).
Las aplicaciones 100 Gb/s LAN MMF se centran fundamentalmente en conexiones internas entre racks sobre distancias inferiores a los 100 m. Dichos enlaces sobre fibra multimodo suelen construirse empleando láseres VCSEL a 850 nm (CONECtrónica número 91, pp. 8-10, octubre 2005). La tecnología VCSEL funciona relativamente bien hasta 10 Gb/s, pero a mayores velocidades se necesitan corrientes de polarización elevadas que terminan por degradar considerablemente el tiempo de vida del dispositivo. Así pues, la única opción en este caso consiste en emplear un esquema 10x10G para generar la señal de 100 Gb/s. De forma similar al estándar 10GBASE-SR, se propone utilizar fibra multimodo del tipo OM3 que posee un ancho de banda nominal de 2000 MHz/km a 850 nm de tal forma que para 100 m la dispersión que sufre una señal NRZ de 10 Gb/s es mínima. En cambio, modelos de fibra más antiguos como por ejemplo el tipo OM1 definido en la especificación 10GBASE-LRM no son adecuados.

La figura 4 muestra la arquitectura de un transceptor 10x10G MMF. El interfaz eléctrico de entrada/salida maneja señales de 10 Gb/s, al igual que en el caso de los transceptores SMF, por lo que pueden intercambiarse fácilmente. En realidad, la arquitectura incluye 12 canales, de tal modo que puedan soportarse otras aplicaciones además de 100GbE, como por ejemplo InfiniBand. Para el interfaz óptico se emplea un conector MPO de 24 fibras (12 en transmisión y 12 en recepción), que puede sustituirse también por sendos conectores MPO de 12 fibras cada uno. La conexión de las 24 fibras debe alinearse cuidadosamente con los transmisores VCSEL y con los fotodiodos PIN, de forma similar a como ocurre con los transceptores POP4 y QSFP. Esto suele ser más complicado y costoso que en el caso del alineamiento de 12 fibras por separado (similar a los módulos SNAP12), si bien se consigue una mayor densidad y un manejo más simple del cable. En la figura 5 se muestran fotografías de los dos tipos de conectores MPO.
Todo este tipo de tecnologías que se acaban de presentar son las que entrarán a escena en el desarrollo de los primeros productos comerciales basados en el estándar 100GbE. No obstante, con el paso del tiempo se espera que todo ello evolucione y en unos 8-10 años se disponga ya de dispositivos de segunda generación, donde aspectos clave como la fabricación de PICs (photonic integrated circuits) a gran escala, el uso de buses de 4 canales, interconexiones de corto alcance sobre cobre, modulación óptica DP-QPSK, o VCSELs a 25 Gb/s, sean los motores del cambio. Incluso se empieza a oír hablar ya de 10 Terabit Ethernet, para lo que evidentemente tendremos que esperar todavía unos años.

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Francisco Ramos Pascual. Doctor Ingeniero de Telecomunicación.
Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Valencia.