OCDMA es un claro ejemplo de extrapolación al dominio óptico de una tecnología ampliamente utilizada en los sistemas inalámbricos actuales. Concretamente, analizaremos su capacidad para aumentar el ancho de banda y mejorar la privacidad de las comunicaciones en redes de área local sobre fibra óptica.

  Avances recientes en tecnologías tales como WDM y TDM han potenciado el despliegue de redes ópticas de alta velocidad en los entornos MAN y WAN. Sin embargo, las redes de área local se caracterizan por una serie de requisitos que no pueden cumplirse fácilmente por WDM y TDM. A su vez, los sistemas WDM y TDM imponen el uso de protocolos y hardware en los nodos de distribución que añaden complejidad y encarecen innecesariamente la red de área local. En un sistema de acceso TDMA, el volumen total de tráfico se encuentra limitado por el producto entre el número de usuarios y sus respectivas tasas de transmisión, puesto que sólo uno de ellos puede transmitir en un momento dado. Por ejemplo, si 100 usuarios desean transmitir a 1 Gbit/s, necesitaríamos un equipamiento capaz de sostener una capacidad de 100 Gbit/s. Adicionalmente, los sistemas TDMA muestran latencias significativas, dado que se requiere una gran coordinación desde el nodo central para asignar los slots de tiempo en que se permite transmitir a cada usuario. A diferencia de TDMA, un sistema de acceso WDMA permite transmitir a cada usuario a la tasa máxima del hardware de la red, puesto que cada canal se transmite sobre una longitud de onda reservada. Un sistema WDMA puede soportar fácilmente una capacidad de 1 Tbit/s, pero desafortunadamente, resulta difícil construir un sistema WDMA para un grupo de usuarios dinámico. En este caso, los canales de control y los esquemas de detección de colisiones requerirían una cantidad de ancho de banda significativa.

Afortunadamente existe una alternativa a los esquemas de acceso TDMA y WDMA, los sistemas OCDMA (optical code-division multiple access), los cuales no requieren ningún tipo de sistema de gestión del tiempo o la frecuencia. OCDMA funciona de forma asíncrona, sin un control centralizado, y además no se producen colisiones de paquetes. Como consecuencia de ello, los sistemas OCDMA se caracterizan por unas latencias inferiores a las de TDMA o WDMA. Adicionalmente, dado que no se necesita asignar de forma individualizada los slots de tiempo y frecuencia (longitud de onda) a cada usuario, se consigue una mejora de prestaciones con la multiplexación. En definitiva, los sistemas OCDMA son la mejor opción para el despliegue de redes ópticas de área local de alta velocidad. En este artículo describiremos los fundamentos básicos de los sistemas OCDMA y presentaremos algunas arquitecturas para su implementación práctica.

Códigos ortogonales

El funcionamiento de un sistema OCDMA se basa habitualmente en la utilización de técnicas de espectro ensanchado y códigos ortogonales, mediante los cuales se pueden discriminar las señales de datos de cada uno de los usuarios de la red. Básicamente, OCDMA es similar al esquema CDMA utilizado en radiofrecuencia, con la única particularidad de que utiliza unos códigos especiales. Sin lugar a dudas, las propiedades de dichos códigos determinan las características y prestaciones de la red. El esquema del sistema se muestra en la figura 1 para el caso particular de 2 usuarios. Como se puede ver, cada uno de ellos emplea un código distinto para codificar las señales a transmitir. Posteriormente, éstas se combinan y se transmiten sobre el mismo medio (fibra óptica). En recepción, las señales recibidas se discriminan empleando decodificadores basados en correlación, cada uno adaptado al código de un usuario concreto.

Un código ortogonal es una familia de secuencias de datos con buenas propiedades de autocorrelación y de correlación cruzada. Éstos se definen para obtener un nivel máximo de autocorrelación (código del usuario, señal útil) y un nivel mínimo de correlación cruzada (códigos de otros usuarios, interferencias). Supongamos dos códigos representados por C1 = {0, 1, 4} (mod 13) y C2 = {0, 2, 7} (mod 13), es decir, sendas secuencias de chips (0, 1) de longitud 13 y donde existen 3 chips a "1" en las posiciones indicadas. Dichos códigos y sus funciones de correlación se muestran en la figura 2. Se observa que la autocorrelación proporciona un nivel de salida máximo de amplitud 3, mientras que la correlación cruzada de ambos códigos siempre proporciona valores de amplitud 1 como máximo. Resulta pues sencillo discriminarlos colocando simplemente un detector de umbral ajustado a una amplitud de 2. De este modo, en el transmisor cada bit de información se codifica con una trama de 13 chips con el código correspondiente (C1 ó C2). En este caso, en el transmisor del Usuario 1 un bit "1" se codifica con la secuencia {0, 1, 4} (mod 13) donde cada chip a "1" representa un pulso óptico, mientras que un bit "0" se codifica con ausencia de pulsos ópticos. En recepción, la correlación de la secuencia de entrada con sendos códigos producirá pulsos ópticos por debajo del umbral, excepto en el caso de que se haya transmitido un bit a "1" y coincida con el código empleado, obteniéndose un pulso óptico que superará el umbral. Esto permite que cada receptor pueda sintonizarse en código para recibir las señales de datos de un usuario determinado, evitando que la señal transmitida por otro usuario pueda causar interferencias. El proceso puede extenderse de forma similar para más de 2 usuarios. En la tabla I se listan toda una serie de códigos ortogonales óptimos.

  Tabla I: Códigos óptimos de distintas longitudes.

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Generación y detección óptica de señales OCDMA

Hasta la fecha se han propuesto multitud de arquitecturas y técnicas para la generación de señales OCDMA. Nuestro objetivo no es realizar un análisis exhaustivo de las mismas, sino explicar los fundamentos de una de las más típicas.

Desafortunadamente, las técnicas basadas en fuentes de luz coherentes para la generación de pulsos ultracortos son bastantes costosas y no resultan competitivas en el mercado. Por ello, desde que M. Kaevhrad propusiera en 1995 un sistema OCDMA no coherente, la tecnología de codificación de amplitud espectral no coherente ha recibido gran interés, a lo que se une el hecho de que las redes de Bragg sobre fibra (FBG) sean el dispositivo ideal para realizar este tipo de procesado de señal. En este caso, los FBGs actúan como filtros ópticos que, de forma selectiva (spectrum slicing), reflejan porciones espectrales de un pulso óptico incoherente de gran ancho de banda. El transmisor de la técnica se representa de forma esquemática en la figura 3. Cada usuario emite un pulso de banda ancha con la información a transmitir ("1" ó "0") que se dirige hacia un codificador basado en FBGs, el cual tiene impreso el código de dicho usuario. Este código indica qué longitudes de onda del espectro serán reflejadas y, por lo tanto, transmitidas por la fibra. Para un código de longitud N, se requieren codificadores compuestos de N FBGs en cascada, que producirán a su vez una secuencia de N chips centrados a longitudes de onda (l1, l2, ..., lN). En este ejemplo, se utiliza una secuencia de N = 13 chips con 4 de ellos activos. La longitud de onda de cada FBG puede ajustarse mediante el uso de dispositivos piezoeléctricos (figura 4), que son los que realmente configuran el código. Posteriormente, a la salida de cada uno de los codificadores se conecta un acoplador en estrella que inyecta las señales en la fibra óptica de la red de área local. Como se puede observar, la señal resultante es igual a la suma de todas las señales generadas, por lo que resulta complicado discriminar a simple vista los datos transmitidos por cada usuario.

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En recepción (figura 5), el proceso de decodificación es muy similar, donde ahora los FBGs se encuentran sintonizados a un código concreto, obteniéndose a su salida un pulso de gran amplitud en el caso de que el código coincida (autocorrelación) y se haya transmitido un "1" y diversos pulsos de menor amplitud en el caso de las señales de datos de otros usuarios (correlación cruzada). Evidentemente, las prestaciones de la técnica dependerán del número total de usuarios, M, y de la longitud de los códigos, N. En general, la tasa de error aumentará con M, siendo necesarios valores mayores de N conforme M aumenta.

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Fuente: www.radioptica.com