Desafiando la lógica convencional para maximizar la capacidad de los cables submarinos

Los cables de comunicación submarinos son un milagro de la ingeniería moderna. No sólo transportan más del 99,5% del tráfico internacional de Internet, sino que están diseñados para funcionar hasta 25 años en algunas de las condiciones más difíciles imaginables. Como era de esperar, un cable submarino más nuevo tiene normalmente mucha más capacidad de transporte que un cable más antiguo de aproximadamente la misma longitud. Y una vez desplegado un cable, lo único que podemos cambiar para aumentar su capacidad son los transpondedores situados en sus extremos. El resto del sistema permanecerá en el lecho marino durante el resto de su vida útil. Permítanme abordar estos puntos con más detalle, empezando por el hecho de que la tecnología de los cables submarinos ha evolucionado extraordinariamente en los últimos 30 años. Cuando hablo de la capacidad de los cables, me refiero a los cables transatlánticos, ya que es posible encontrar cables de distintas generaciones que tienen aproximadamente la misma longitud y hacer comparaciones.

Generaciones de cables submarinos

Figura 1: Evolución de los cables submarinos

A grandes rasgos, los cables submarinos pueden clasificarse en tres categorías principales, como se muestra en la Figura 1. Obsérvese que, entre otras diferencias, el número de pares de fibras por cable aumenta con el tiempo.

Cables gestionados por dispersión que fueron diseñados para transmisiones de 2,5 Gb/s y 10 Gb/s de detección directa. Se desplegaron desde principios de los 90 en adelante.
- Las técnicas de gestión de la dispersión analógica dentro del cable evolucionaron con el tiempo, con al menos dos enfoques distintos, pero el enfoque siempre consistió en asumir que no era necesaria la compensación de la dispersión en el transpondedor y maximizar la capacidad por par de fibra.
Cables no compensados que fueron diseñados para la transmisión coherente. Se desplegaron a partir de 2015.
- Estos cables operan normalmente con una alta ganancia del repetidor para permitir una modulación de alto orden y una alta eficiencia espectral. Suelen utilizar fibras de gran área efectiva con dispersión positiva que se acumula a lo largo de toda la longitud del cable y, gracias a estas dos propiedades, se minimizan las penalizaciones no lineales. La dispersión se compensa en el transpondedor coherente mediante procesamiento digital de señales (DSP). Los cables no compensados también buscan maximizar la capacidad por par de fibra.
Cables de multiplexación por división de espacio.
- Estos cables también están diseñados para la transmisión coherente con compensación de dispersión DSP y fibra de dispersión positiva, pero su filosofía de diseño se aleja de la maximización de la capacidad por par de fibras en favor de la maximización de la capacidad del cable en su conjunto. Los repetidores SDM funcionan a niveles de potencia más bajos, dentro del régimen lineal, y estos cables suelen utilizar tipos de fibra óptica más tradicionales y menos costosos. Ya existe una hoja de ruta en evolución para el SDM, con diseños de primera generación desplegados a partir de 2020 y que se extenderán a cables transatlánticos de capacidad multipetabit en los próximos 10 años.

Transpondedores coherentes: sabiduría convencional

Los transpondedores coherentes se comercializaron por primera vez alrededor de 2009 y ahora se encuentran en su quinta generación distintiva, con transpondedores comerciales que pueden ofrecer hasta 800 Gb/s por longitud de onda. Durante esta evolución, hubo dos direcciones claras de evolución: modulación cada vez más sofisticada y tasas de baudios más altas.

Mejora de las técnicas de modulación

Figura 2: Modulación de orden superior

Un transpondedor coherente envía datos mediante símbolos de modulación que contienen un número determinado de bits de datos. La figura 2 muestra cómo las constelaciones de modulación se han ido sofisticando con el tiempo y, a medida que esta evolución avanzaba, cada símbolo podía transportar más bits. Un símbolo PM-QPSK, por ejemplo, transporta 4 bits, mientras que un símbolo PM-64QAM transporta 12 bits. Al transportar más bits en cada símbolo, aumentamos la eficacia espectral (y, por tanto, la capacidad de la fibra) del sistema. La eficiencia espectral se ha triplicado en este periodo.

Desafortunadamente, llevar más bits por símbolo también tiene el efecto de reducir el alcance óptico de la transmisión, con una reducción de 30 veces en el alcance si comparamos PM-QPSK con PM-64QAM. En la última generación de transpondedores coherentes, hemos visto las primeras implementaciones efectivas de una técnica llamada conformación de constelación probabilística (PCS). La idea de PCS es bastante compleja de explicar, pero el resultado final es bastante sencillo. Puede aumentar el rendimiento óptico de un símbolo de modulación de dos maneras:

Ofrece una forma mucho más granular de transportar los bits frente a las constelaciones convencionales, por lo que es posible exprimir una calidad de señal adicional para una velocidad de datos de longitud de onda dada en un alcance óptico determinado.
Al reducir las probabilidades de utilizar los símbolos de modulación de mayor potencia (la potencia aumenta a medida que nos alejamos del origen), podemos conseguir un mejor rendimiento de la transmisión.

Sabiduría convencional: Los PCS siempre entregarán la capacidad-alcance óptima

Aumento de la tasa de baudios

La tasa de baudios es la velocidad a la que enviamos los símbolos de modulación. Para una señal de 800 Gb/s que utilice una constelación PM-64QAM completa (12 bits por símbolo), por ejemplo, necesitaríamos una velocidad mínima de 84 gigabaudios. Esto permite transmitir no sólo la carga útil de 800 Gb/s, sino también la sobrecarga del encuadre y la corrección de errores hacia adelante. Pero aumentando la velocidad en baudios se puede aumentar el alcance óptico de una velocidad de datos dada.

Figura 3: Transmisión a 800 Gb/s: velocidad en baudios y PCS

La figura 3 muestra el impacto de velocidades de transmisión más altas. En azul muestro una señal PM-64QAM de 84 Gbaudios con un factor de alcance nominal de 1. Dado que se utiliza la constelación 64QAM completa sin PCS, el alcance sería muy corto. Aumentando la velocidad de transmisión a 96 Gbaudios (en verde), un aumento relativamente pequeño, cuadruplicamos el alcance porque podemos “reducir” el número de bits por símbolo a 10,5 utilizando PCS. El gráfico 3D muestra una distribución de probabilidad gaussiana tridimensional en la que los símbolos más alejados se envían con menor probabilidad.

Aumentar aún más la velocidad de transmisión a 100 Gbaud multiplica por cinco el alcance, porque hemos reducido aún más el PCS para transportar sólo 10 bits por símbolo.

Sabiduría convencional: Operar siempre con la tasa de baudios más alta para lograr una capacidad de alcance óptima.

¿Por qué desafiar la sabiduría convencional?

La sabiduría convencional es sumamente convincente en las redes terrestres, donde el aprovisionamiento de cientos de servicios a través de múltiples rutas en una red de larga distancia en malla tiene que ser un proceso de “línea de producción” con una intervención manual mínima. Pero en un cable submarino, la capacidad es tan valiosa que merece la pena personalizar las configuraciones de los transpondedores para exprimir hasta el último gigabit por segundo.

Por ejemplo, si diseñáramos un transpondedor con un excelente PCS granular, pero tal vez sólo con ajustes “alto” y “bajo” para las tasas de baudios, perderíamos la oportunidad de esa optimización, porque a menudo nos encontraremos con que una determinada longitud de onda podría soportar, por ejemplo, 626 Gb/s o 642 Gb/s. En otras palabras, tenemos mucha granularidad, pero los clientes Ethernet que utilizan esta longitud de onda trabajan en bloques de 100 Gb/s o 400 Gb/s. Se suponía que la Ethernet de velocidad de datos flexible (FlexE) iba a resolver este problema, pero no está muy extendida y, aunque lo estuviera, a los operadores submarinos les resultaría difícil vender un servicio flexible.

Si reducimos la señal a 600 Gb/s y disminuimos un poco la velocidad en baudios respecto a la tasa máxima, veremos que el ancho espectral de la señal se estrecha y, si disponemos de suficientes canales en la banda, podemos introducir canales adicionales para utilizar la capacidad “varada”. Hemos comprobado que de este modo podemos extraer hasta un 25% más de capacidad de un cable moderno no compensado o SDM.

Del mismo modo, hay tipos de cable en los que el PCS no siempre ofrece el mejor resultado, especialmente los cables más antiguos y con grandes penalizaciones no lineales. El PCS pierde su encanto con una eficiencia espectral PM-QPSK o inferior, y nos parece que es mejor desconectarlo y utilizar modulaciones fijas no PCS con características especiales que se adapten a estas condiciones de la fibra. En algunos cables difíciles, hemos extraído hasta un 50% más de capacidad que con una implementación sólo PCS.

En conclusión

Los transpondedores coherentes modernos disponen de una amplia selección de herramientas digitales que les ayudan a extraer la máxima capacidad de los cables submarinos. Pero a veces hay que olvidarse de la sabiduría convencional y pensar con originalidad, y hay que hacerlo en el momento en que se diseñan los chips del motor óptico, porque no se pueden cambiar las funciones básicas una vez grabadas en un ASIC. Pero utilizando estas técnicas es posible prolongar la vida económica de todo tipo de cables submarinos en todo el mundo.

Por Andrés Madero, Infinera