“Arquitecturas y Nuevas Funcionalidades para Redes OFDM de Acceso Óptico”

En los últimos años ha habido un gran aumento en el despliegue de redes de acceso ópticas de fibra hasta el hogar (FTTH, del inglés fibre-to-the-home). FTTH es una solución flexible, una tecnología de acceso de futuro que permite proporcionar tasas de datos del orden de Gbit/s por usuario. Diversos estudios indican que FTTH se convertirá en la diferencia clave entre los operadores más importantes. Además, FTTH es la única tecnología capaz de crear nuevas fuentes de ingresos de aplicaciones de alta velocidad, como por ejemplo entretenimiento de alta definición (vídeo y juegos de alta definición…). Desde el punto de vista del operador, una de las ventajas importantes que proporciona FTTH es que permite una mayor eficiencia operativa en comparación con otras tecnologías de acceso, principalmente por la reducción de costes de mantenimiento y de operación. Además, FTTH reduce los requisitos de los equipos de las centrales. Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo extender estas ventajas más allá del concepto FTTH mediante la integración de la red óptica de distribución desplegada dentro del hogar así como el enlace radio final de corto o medio alcance inalámbrico. Esto proporciona una arquitectura de red FFTH integrada de extremo a extremo. De este modo, los beneficios de la reducción de costes operativos y mayor eficiencia se extienden hasta el usuario final de la red.

En esta Tesis Doctoral, se propone una arquitectura de acceso integrada óptica-radio basada en la multiplexación por división ortogonal de frecuencia (OFDM, del inglés orthogonal frequency division multiplexing) para proporcionar diferentes servicios al usuario como Internet, teléfono/voz, televisión de alta definición, conexión inalámbrica y seguridad en el hogar. Las señales OFDM se utilizan en muchos estándares inalámbricos como las señales de banda ultra-ancha (UWB, del inglés ultra-wide band), WiMAX, LTE, WLAN, DVB-T o DAB. Estos formatos aprovechan las características intrínsecas de la modulación OFDM como su mayor inmunidad ante desvanecimiento multi-camino. Esta tesis incluye la propuesta y la demostración experimental de la transmisión simultánea y bi-direccional de señales OFDM multi-estándar en radio-sobre-fibra proporcionando servicios triple-play basados en OFDM como UWB para televisión de alta definición, WiMAX para datos de Internet, y LTE para el servicio telefónico. Utilizando esta técnica se consigue un aumento de la capacidad general del sistema con el suministro de múltiples servicios simultáneos. Además la transmisión radio-sobre-fibra permite usar dispositivos estándar en ambos lados de la arquitectura como receptores UWB de bajo coste, dispositivos móviles con LTE y equipos de datos como portátiles con receptores WiMAX integrados.

Para ello, se proponen diferentes arquitecturas de red para la transmisión radio-sobre-fibra basada en señales OFDM. Esto permite una arquitectura de red centralizada que permite la compensación de los efectos de la transmisión así como la gestión de red que se llevarán a cabo sólo en la oficina central, simplificando de esta manera el equipamiento necesario en casa del usuario. Con este método no se necesitará compensación adicional, ni regeneración o conversión de la señal. Esta técnica evita la necesidad de diversas etapas de conversión proporcionando así reducción de coste, de espacio y ahorro de energía.

Además, la transmisión de flujo de audio y vídeo se ha convertido en una de las principales aplicaciones de la tecnología UWB. La oportunidad de mercado que ha encontrado la tecnología UWB radio es el remplazo de los cables de conexión entre dispositivos de redes de área personal inalámbrica mediante WUSB (del inglés, wireless universal serial bus). Como UWB ofrece una gran capacidad de datos y puede coexistir con otros servicios inalámbricos dada su baja emisión de potencia, UWB se está convirtiendo en un fuerte candidato para la conexión de dispositivos de alta velocidad (por ejemplo, discos duros externos) y para la provisión de flujos de vídeo de alta definición en redes para el hogar. Por estos motivos, también la viabilidad de la transmisión UWB-sobre- fibra se investiga en esta Tesis Doctoral, teniendo en cuenta la arquitectura extremo a extremo incluyendo la red óptica dentro del edificio y la transmisión inalámbrica en casa del usuario. 

En esta Tesis también se proponen distintas técnicas fotónicas para mejorar el rendimiento de la transmisión radio-sobre-fibra. La transmisión de señales basadas en OFDM usando multiplexación en polarización se estudia para aumentar la capacidad de la red. Esta técnica se demuestra experimentalmente con la transmisión de señales UWB y WiMAX en coexistencia. 

Para la gestión de pico-celdas se estudia la distribución de señales UWB-sobre fibra en redes ópticas dentro del edificio (del inglés in-building) mediante fibra monomodo y multimodo. Además se propone una técnica óptica basada en conversor analógico a digital fotónico (o photonic analog-to-digital converter) que se demuestra para la detección del espectro radioeléctrico de banda ancha (hasta 10 GHz). La localización y gestión de pico-celdas UWB usando esta técnica también se investiga en esta tesis.

Como la transmisión radio-sobre-fibra de varios servicios inalámbricos en coexistencia a través de la misma red óptica requiere moduladores electro-ópticos con un excelente margen dinámico y un gran régimen lineal, esta Tesis también estudia técnicas de linealización para los moduladores. Las señales multi-portadora como las señales multi-banda OFDM-UWB tienen una gran relación potencia pico-potencia media PAPR (del inglés peak-to-average power ratio), que junto con el gran ancho de banda de cada canal UWB (528 MHz) son las principales limitaciones de los sistemas de modulación de intensidad óptica. En este caso, se ha evaluado experimentalmente el comportamiento y la mejora alcanzada con nuevos moduladores desarrollados por la empresa Photline Technologies, basados en arquitecturas en forma de Y acopladas y en un modulador dual-drive para aplicaciones radio-sobre-fibra.

Después de esto, se proponen diferentes arquitecturas para la distribución conjunta de las señales OFDM de forma simultánea proporcionando servicios triple-play: (i) una arquitectura reflectiva basada en el dispositivo R-EAT (reflective electro-absorption transceiver) para evitar el uso de láseres de alta potencia en casa del usuario, y (ii) una arquitectura bi-direccional basada en multiplexación por longitud de onda CWDM (del inglés coarse wavelength division multiplexing) utilizando moduladores Mach-Zehnder con una longitud de onda de subida y otra de bajada. En estas redes se obtendrá el alcance de fibra máximo que se puede alcanzar con los diferentes servicios OFDM en coexistencia. Además, también se considera la integración del enlace inalámbrico después de la red de acceso y de diferentes medios ópticos para redes ópticas dentro del hogar para obtener el máximo alcance radio que se puede conseguir con las diferentes señales.

Por último, se propone y estudian técnicas de compensación de los efectos de la transmisión radio-sobre-fibra de señales multi-formato OFDM. En esta Tesis se propone un subsistema de compensación basado en el uso de portadoras adicionales en la porción libre de espectro entre los diferentes servicios. Estas portadoras sirven para extraer la información del canal de la red que se aplicará a las señales OFDM mediante pre-distorsión.

El uso de estas técnicas en los diferentes niveles de la red óptica es interesante para la evolución adecuada de la Sociedad de la Información, que es el objetivo principal de esta Tesis Doctoral.