Cómo Incrementar la Eficiencia Espectral

Publicado: 8 noviembre, 2011 en Tecnología
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El espectro que se puede utilizar en la fibra está limitado. Es decir, contamos con un conjunto determinado de frecuencias para transmitir la información.  La eficiencia espectral es un parámetro que define el número de bits por segundo que puedo transmitir por cada Hertzio. Si los hertzios que tengo para transmitir digamos que son constantes, y quiero seguir aumentando mi velocidad de transmisión, la única opción que me queda es aumentar el número de bits por segundo que puedo “meter” en cada hertzio del que dispongo. Es, decir, tengo que encontrar alguna manera de aumentar la eficiencia espectral.

 En Formatos de Modulación Coherentes, ya puse de manifiesto la necesidad de incrementar la eficiencia espectral si queremos seguir aumentando la velocidad de nuestros canales. Y para ello se pueden utilizar diferentes tipos de modulación y detección coherente. En esta entrada, se plantea un objetivo más concreto: aumentar la eficiencia espectral. ¿ Cuales podrían ser las diferentes alternativas para conseguir nuestro objetivo? Veamos algunas de ellas.

Por una parte, en lugar de enviar la información en una única señal, podríamos enviar la información multiplexada sobre 2 señales, que serían ortogonales para minimizar la interferencia entre ellas, y en polarización en el mismo canal. Esta técnica es la que utiliza la modulación denominada POLMUX, o DP-QPSK (Dual Polarization Quadrature  Phase  Shift  Keying),  que se  utiliza fundamentalmente en los sistemas de 40 Gbps de segunda generación y en los 100 Gbps. En este tipo de modulación, un láser de transmisión genera la señal de luz que se divide en cuatro componentes, dos para la polarización horizontal y dos para la polarización vertical. A continuación se gira una de las señales en relación con la otra. Después ambas señales se combinan para generar una única señal, de manera que en cada polarización hay una señal en fase y la otra en cuadratura de fase. Con esta alternativa obtendríamos una eficiencia espectral de 2, es decir 2 bits/s/Hz, o 2 bits por símbolo.

También podemos utilizar formatos de modulación más complejos, los denominados nQAM (Quadrature Amplitude Modulation). Modificando la amplitud y la fase de la señal obtendríamos una eficiencia espectral de n bits por símbolo. El inconveniente principal de estas modulaciones es que la distancia entre símbolos es menor, y tanto menor cuanto mayor es el índice n. Esto implica que presentan baja tolerancia a la OSNR (Optical Signal to Noise Ratio), lo que se convierte directamente en una disminución de los alcances. Podría utilizarse exclusivamente en entornos metro, quedando descartadas para redes de larga distancia y ultralarga distancia.

Por otra parte, podríamos someter a la señal a un filtrado considerablemente mayor, para que su ocupación espectral disminuya (Nyquist WDM). Esta técnica se denomina Prefiltrado Nyquist- WDM, y consiste en limitar la anchura espectral de los canales transmitidos, de manera que se incremente la capacidad total de la fibra, ya que podríamos incluir más canales. El prefiltrado Nyquist-WDM consiste el empleo de filtros ópticos con una función de transferencia aproximadamente rectangular, o bien, en un pre-procesado eléctrico de la señal de forma que la transmisión que se realiza sea un tren de señales sinc solapadas, obteniendo un espectro rectangular. Recordemos que la función sinc normalizada, que es la que se utiliza en procesado digital de la señal, se definía como  sinc (x)= sen(pi x)/pi x. En los sistemas WDM convencionales, se transmite con una distancia entre canales de 2 veces la tasa de símbolo. Aplicando estas técnicas podemos llegar a reducir la distancia hasta 1.1.

Por último, podrían utilizarse técnicas de solapamiento de señales logrando su ortogonalidad en espectro, es decir, aplicando OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), Multiplexación por división en frecuencias ortogonales. Esta técnica es la que se utiliza, por ejemplo, en la cuarta generación de redes móviles, LTE, o la que se utiliza en la familia DSL, sólo que allí se conoce como DMT (Discrete Multi Tone).  Divido el espectro en una serie de frecuencias, cuya distancia entre ellas hace que sean ortogonales, con lo que aún sin haber banda de guarda, no se producen interferencias, con la consiguiente eficiencia a la hora de usar el espectro. Para originar señales ortogonales se puede emplear un procesado eléctrico, óptico, o una combinación de ambos. Este procesado consiste normalmente en la implementación de un módulo iFFT (Transformada Rápida  de Fourier inversa) en el transmisor y un módulo FFT en el receptor, aunque en el caso de que el procesado fuera óptico, podríamos prescindir del módulo iFFT y utilizar señales portadoras espaciadas un ancho de banda equivalente a la tasa de símbolos. Es una modulación muy robusta que permite obtener la información de las diferentes portadoras aún existiendo diferentes retardos entre ellas y diferentes amplitudes.

 De cara a la implementación de los sistemas de ultravelocidad como los 400 Gbps o 1 Tbps, las técnicas OFDM son las que se posicionan como las favoritas, pero aún queda un largo trecho de investigación y experimentación para que estén afinadas. La disponibilidad a día de hoy de este tipo de interfaces se encuentra a nivel de prototipos en los laboratorios de las universidades punteras y de algunos suministradores.
 
La tecnología Gridless o rejilla flexible,  también consigue aumentar la eficiencia espectral, pero de una manera completamente diferente, no se trata tanto de meter más bits/s por hertzio, que es lo que hemos tratado en esta entrada, sino de optimizar los canales, adecuando el tamaño del canal al tamaño de la señal a transmitir, de manera que no se desperdicie ni un solo hertzio…o que se minimice el despilfarro. Aquí puedes encontrar un poco más de información al respecto.
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Comentarios
  1. [...] el número de bits por símbolo implica incrementar la eficiencia espectral, y eso no siempre es fácil ni puede pagarse el precio que puede [...]

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