En esta serie de artículos se analizan diferentes mecanismos de monitorización de OSNR en redes ópticas. Estas técnicas permiten realizar la gestión de los fallos de red sobre la capa física de una forma transparente.

Entre las ventajas de las redes ópticas podemos enumerar un mayor alcance, mayor tasa de transmisión, transparencia, etc. Sin embargo, estos beneficios se obtienen a costa de una mayor complejidad en las tareas de monitorización y gestión de fallos. Las redes transparentes requieren gestionar los fallos de red en la propia capa física, donde las técnicas de monitorización óptica de prestaciones deben encargarse de supervisar la calidad de múltiples canales WDM de alta velocidad y detectar sus posibles degradaciones. Las degradaciones de las señales en una red óptica pueden clasificarse en tres grandes grupos: ruido, distorsión y jitter. Entre los ruidos más típicos se encuentran el RIN o el ASE. A su vez, las señales pueden sufrir distorsión debido a la dispersión cromática, al chirp y a efectos no lineales tales como mezclado de cuatro ondas o scattering Raman. Finalmente, el jitter también supone una importante limitación para altas velocidades. En artículos anteriores hemos analizado en detalle los procedimientos de medida y caracterización de gran parte de estas degradaciones, presentando múltiples instrumentos de laboratorio que nos ayudan en estas labores.
Sin embargo, estos parámetros no suelen ser adecuados para monitorizar la calidad de las señales en tiempo real.
El parámetro clave a la hora de monitorizar las prestaciones de un sistema de comunicaciones digitales es la tasa de error o BER. Este parámetro fija en última instancia la calidad de la señal digital. Ahora bien, las medidas de BER requieren fotodetectar la señal en el caso de una red óptica. Por lo tanto, se necesita un parámetro alternativo, que presente correlación con la tasa de error, pero que a diferencia de ésta pueda monitorizarse en el dominio óptico y de una manera relativamente sencilla. Afortunadamente este parámetro existe y se conoce como OSNR (relación señal a ruido óptica). La relación entre dicho parámetro y la tasa de error viene dada por la siguiente expresión (documento IEC 61280-2-7):

Como la OSNR es una medida de potencia media, no puede revelar las degradaciones temporales que se producen en los datos, así como determinados errores de bit. No obstante, su correlación con la BER a través de la expresión anterior proporciona información preliminar sobre las prestaciones de la red, resultando un parámetro de gran utilidad para la monitorización en tiempo real de canales WDM y contribuyendo a la generación de señales de alarma que indiquen posibles degradaciones de la BER.

Definición y medida de OSNR mediante OSA
La OSNR se define como la relación entre la potencia media de señal y de ruido para un determinado canal óptico. Habitualmente, cada canal consiste en luz modulada prácticamente monocromática (señal) sobre una densidad de potencia de ruido que se distribuye en un gran ancho de banda. Este ruido proviene principalmente de los amplificadores ópticos (ruido ASE). En definitiva, se tiene un espectro óptico como el mostrado en la figura 1. La OSNR (en dB) puede entonces calcularse como:

donde S es la potencia media (lineal) de señal y N es la potencia media (lineal) de ruido en el ancho de banda equivalente del canal. Dado que el analizador de espectros (OSA) con el que se realiza la medida tiene un ancho de banda de resolución (RBW), en realidad las medidas tanto de señal como de ruido dependen de este valor concreto, por lo que
hay que tener en cuenta ciertas precauciones.
El ancho de banda de resolución se debe escoger lo suficientemente grande como para que la señal modulada entre dentro del mismo. Bajo estas condiciones, el valor de potencia de pico del canal incluirá la potencia total de señal más el nivel de ruido de fondo. Luego el valor de potencia de señal S (lineal) se obtendrá restando de este valor de pico el nivel de ruido. Para determinar el nivel de ruido se debe escanear a ambos lados del canal y a una distancia lo suficientemente grande como para que el ruido de fondo no se vea afectado por las faldas de la señal. El valor de ruido puede obtenerse entonces mediante interpolación cuadrática, tal y como se representa en la figura 2 en línea de trazos.

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Dado que las trazas se han obtenido con un determinado ancho de banda de resolución, los valores deben corregirse para el ancho de banda equivalente. Este cálculo consiste simplemente en multiplicar el valor (lineal) de OSNR medida para un ancho de banda RBW por el factor RBW/BW, donde BW se refiere al ancho de banda equivalente de ruido (normalmente el ancho de banda del canal).
La precisión que se obtiene con este procedimiento de medida es muy buena. Ahora bien, en el caso de redes DWDM donde el espaciado entre canales es bastante reducido, la medida resulta problemática. La figura 3 muestra el espectro óptico de varios canales DWDM con modulación RZ a 10 Gbit/s y espaciado ITU normalizado de 50 GHz (0,4 nm). Obsérvese que existe muy poco espacio espectral entre canales para la monitorización. Ello provoca que, cuando la OSNR es elevada, el nivel de ruido medido cerca de 1566 nm donde se ha desconectado uno de los canales sea muy distinto del nivel de potencia mínimo que aparece entre canales. En general, señales de 10 Gbit/s requieren un espaciado mínimo entre canales de 100 GHz para que el resultado de monitorización de OSNR pueda ser satisfactorio. Adicionalmente, el hecho de que los canales atraviesen un OADM o OXC también afecta a las medidas de OSNR, pues el fondo de ruido se ve afectado por la respuesta de los filtros ópticos y además los canales cambian de longitud de onda. Luego canales adyacentes pueden haber recorrido distintos caminos a través de la red y tener distintos niveles de ruido. De este modo, no sólo hace falta un espaciado mínimo entre canales, sino que también se necesita suficiente espectro para poder estimar los dos niveles de ruido independientes.

Por último, la relación de extinción óptica (Optical Rejection Ratio, ORR) de un OSA determina su capacidad para medir señales pequeñas cercanas a un pico. Se define como el cociente entre la potencia medida a una cierta distancia del pico y la potencia en el pico del filtro del OSA para una señal de entrada de ancho de banda estrecho (función delta equivalente de ancho de línea mucho menor que RBW). Las fabricantes de OSAs especifican este parámetro a 0,1, 0,2 y 0,4 nm de distancia del pico. Según se indica en el documento IEC 61280-2-9, se requiere una ORR al menos 10 dB superior al valor máximo de OSNR que se desea medir. De este modo, para medir por ejemplo una OSNR de 25 dB a 0,2 nm de un canal (equivale a 25 GHz a 1550 nm), se requiere un instrumento con una ORR de al menos 35 GHz, la cual aseguraría una imprecisión en la medida inferior a 0,42 dB. A modo de ejemplo, en la figura 4 se muestra el error que se comete en la medida de OSNR al utilizar un OSA con un valor de ORR limitado.

Otras técnicas de medida de OSNR
Además de la medida de OSNR basada en OSA, existen también otras técnicas que permiten medir el nivel de ruido en el interior del propio canal óptico. La dificultad en este caso se encuentra en poder discriminar el ruido de la señal, especialmente porque la señal de datos es aleatoria y presenta en muchos casos el aspecto de ruido. Para evitarlo, una de las técnicas se basa en utilizar la polarización de la señal óptica. En general, una señal óptica tendrá un estado de polarización bien definido, mientras que el ruido estará despolarizado. Por lo tanto, la relación de extinción de polarización es una medida de la OSNR. Sin embargo, desafortunadamente las señales ópticas sufren cambios de polarización en los enlaces de fibra debido a la PMD, los cuales habrá que compensar para que la técnica sea válida.

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Otra técnica para la medida intracanal de la OSNR se basa en capturar el espectro de amplitud de los datos y monitorizar en zonas específicas de dicho espectro donde la señal no está presente. Ello implica monitorizar a frecuencias bajas, a frecuencias altas o en determinados nulos del espectro. La monitorización de frecuencias bajas, no obstante, sufre los efectos de las colas del ruido de baja frecuencia, así como las fluctuaciones dependientes del patrón o los efectos de modulación cruzada de la ganancia en amplificadores ópticos. Adicionalmente, muchas fuentes de ruido (por ejemplo, el ruido de interferencia multicamino o MPI) poseen una fuerte influencia a bajas frecuencias que provoca que se sobreestime la medida de ruido. En cambio, a altas frecuencias estos ruidos se encuentran enmascarados por el ruido ASE que no depende de la frecuencia (ruido blanco). A dichas frecuencias, las medidas son más sensibles a efectos dispersivos que provocan desvanecimientos. En definitiva, estos métodos complican las tareas de gestión de los fallos de red, pues realmente no miden el ruido que transporta la señal, sino que extrapolan dicho ruido a frecuencias altas o bajas. La monitorización de subportadoras ópticas también se ha empleado para la medida directa de la OSNR y su correlación con la SNR eléctrica a la salida del receptor. La ventaja de esta técnica es que permite la monitorización real de la señal de datos que se propaga a través de la red.
Por último, las técnicas electrónicas de monitorización espectral basadas en la medición del ruido en el espectro de los datos son muy prometedoras para aplicaciones de gestión de fallos, pues permiten directamente la medida del ruido presente sobre los datos. Algunas de estas técnicas son: monitorización de tramas de señal SONET, anulación de señal homodina y análisis RF de banda estrecha a mitad de frecuencia de reloj. En artículos siguientes analizaremos más en profundidad algunas de estas técnicas, lo que permitirá valorar sus características y prestaciones. Conviene decir, no obstante, que el método más estándar de medida de OSNR es el presentado en este artículo, el cual implementan la gran mayoría de analizadores de espectro ópticos del mercado.
Como ejemplo, en la figura 5 se muestra una pantalla de resultados de uno de estos analizadores, donde se pueden observar las medidas de OSNR para dos de los canales WDM.

 

Documentos de referencia

IEC 61280-2-7: “Fiber-optic communication subsystem test procedures – Part 2-7: Data analysis of bit error ratio versus received power for digital fiber-optic systems”.
IEC 61280-2-9: “Fiber-optic communication subsystem test procedures – Part 2-9: Digital systems – Optical signal-to-noise ratio measurement for dense wavelength-division multiplexed systems.

 

Más información o presupuesto

 

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