Durante los últimos años, el mundo ha sido testigo de una oleada en el uso de Internet y de las innumerables aplicaciones surgidas a partir del mismo. Según algunas estimaciones, el ancho de banda usado por Internet se está duplicando cada 6-12 meses. Por primera vez, las capacidades de las redes de datos han sobrepasado a las capacidades de las redes de voz. Conforme crecen Internet y sus aplicaciones, también lo hace la demanda de conectividad y velocidades de red más rápidas. En respuesta a estas demandas, surgieron estándares como SONET (Synchronous Optical NETwork) y SDH (Synchronous Digital Hierarchy), los cuales continúan hoy día creciendo y evolucionando.

El principal medio de transmisión utilizado por estos estándares es la fibra óptica, lo cual les permite alcanzar elevadas velocidades de transmisión. Sin embargo, la mayoría de las redes utiliza tan sólo una pequeña fracción del ancho de banda de transmisión disponible en los enlaces de fibra óptica. Debe tenerse en cuenta que una fibra óptica estándar puede transportar de forma teórica una capacidad de hasta 10 Tbit/s. La utilización de la tecnología WDM permite aprovechar este ancho de banda disponible de una forma flexible y económica, conduciendo a cambios sustanciales en la arquitectura de las redes ópticas y en los dispositivos fotónicos utilizados.

En este artículo y en el siguiente se tratarán diferentes aspectos relativos a las redes ópticas basadas en el estándar SONET/SDH. En primer lugar se analizará la evolución de las redes digitales basadas en el estándar PDH hacia redes basadas en el estándar SONET/SDH. Después se estudiarán algunos aspectos relativos a la arquitectura de estas redes, para pasar finalmente a analizar la introducción de WDM y la evolución hacia redes completamente ópticas.

Evolución de PDH a SONET/SDH

Los primeros sistemas de transmisión digital que aparecieron se basaban en la llamada jerarquía digital plesiócrona (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH). La UIT-T definió dos tipos de jerarquía con diferentes tasas binarias para Europa y Norteamérica, ambas basadas en el entrelazado asíncrono de señales TDM. En la tabla I se resumen las tasas binarias PDH utilizadas en ambos casos. Los sistemas de transmisión digitales que implementan el estándar PDH en Europa y Norteamérica se conocen como portadores E y portadores T, respectivamente.

TABLA I. Tasas binarias PDH en Europa y Norteamérica.

Las señales correspondientes a un determinado nivel E ó T se obtienen multiplexando de forma asíncrona un determinado número de señales del nivel inmediatamente inferior. Así, por ejemplo, una señal de nivel T-3 se obtiene multiplexando 7 señales de nivel T-2, lo cual equivale a una tasa binaria de 44,736 Mbit/s capaz de transportar 672 canales de voz. Obsérvese que, en realidad, 7 señales T-2 equivalen a una tasa binaria de 7 x 6,312 = 44,184 Mbit/s. La diferencia de velocidad se explica por el hecho de que el multiplexado se realiza de forma asíncrona, ya que las diferentes señales a multiplexar provienen de distintos terminales cuyos relojes no se encuentran enganchados o sincronizados entre sí.

De este modo, resulta necesario añadir bits de relleno y bits de trama para acomodar las posibles variaciones de tasas binarias. Como consecuencia de ello, los procesos de multiplexado y demultiplexado de señales resultan costosos. Al mismo tiempo, las señales de nivel inferior no resultan accesibles en el interior de la trama de alta velocidad, por lo que el tráfico debe demultiplexarse completamente para poder acceder a los datos. Todo esto, unido a la reducida capacidad de gestión de los sistemas PDH, hizo que fueran siendo progresivamente sustituidos por el estándar SONET/SDH desde finales de los años 80.

El estándar SONET/SDH

Los esfuerzos para la creación del estándar SONET comenzaron por el ANSI en 1985. Siguiendo al desarrollo del estándar SONET, el CCITT comenzó la definición de un estándar síncrono que permitiera tratar el problema de la interconexión entre las jerarquías de transmisión europea y americana. El trabajo culminó en el año 1989 con la publicación del estándar SDH. En realidad, SDH es un estándar mundial, y como tal SONET puede considerarse un subconjunto de SDH.

Las tramas y señales de los distintos niveles de la jerarquía SONET se obtienen mediante multiplexado síncrono a nivel de bytes. Estas señales se conocen con el nombre de STS-n (señal de transporte síncrona de nivel n) donde n = 1, 3, 12, 48, 192. Por otro lado y en el caso de SDH, las señales se conocen con el nombre de STM-n (módulo de transporte síncrono de nivel n), donde n = 1, 4, 16, 64. Los niveles estándar de las jerarquías SONET y SDH se resumen en la tabla II. En este caso, una señal STS-n (STM-n) se obtiene por entrelazado de bytes de n señales STS-1 (STM-1) en un único paso, sin necesidad de multiplexado recursivo como ocurría con PDH. Dado que todos los terminales de la red disponen de una referencia de reloj estable, no son necesarios ningún tipo de bits de relleno o de trama durante el multiplexado de señales. Esto aumenta la eficiencia, ya que la tasa binaria de una señal STS-n (STM-n) es exactamente n veces la tasa binaria de una señal STS-1 (STM-1). Al mismo tiempo, las señales STS-1 (STM-1) pueden extraerse directamente sin necesidad de tener que demultiplexar la señal STS-n (STM-n) completa.

TABLA II. Jerarquías SONET/SDH.

Sin embargo, todo lo comentado con anterioridad no impide que el sistema SONET/SDH pueda acomodar aplicaciones con velocidades diferentes (incluso el transporte de señales PDH). Por ejemplo, la señal STS-1 está pensada específicamente para proporcionar el transporte de una señal T-3. Por otro lado, las señales de menor velocidad como T-1 y T-2 pueden transportarse en el interior de una trama STS-1 destinando una porción de la misma que se conoce como tributario virtual (virtual tributary, VT). En la tabla III se indican tres tamaños posibles de VTs.

TABLA III. Tributarios virtuales.

Para acomodar diferentes tipos de VTs de una forma eficiente, la trama STS-1 se divide en siete secciones. Cada una de estas secciones puede contener un VT-6, tres VT-2s o cuatro VT-1.5s. Gracias a la información proporcionada por unos punteros, se puede acceder a estos VTs de forma individual e independiente en el interior de la trama STS-1. Un puntero colocado en una determinada posición de la trama STS-1 identifica la posición del primer byte del VT. Para poder compensar las desviaciones presentes en los relojes de los sistemas PDH, los VTs pueden desplazarse independientemente en la trama STS-1. No obstante, su posición exacta queda siempre determinada por el correspondiente puntero. Por lo tanto, esta mejora en la accesibilidad facilita las labores de conmutación y de extracción de los niveles VT más finos. Finalmente, SONET también permite la concatenación de varias tramas STS-1 para proporcionar la capacidad de transporte demandada por otras señales de alta velocidad tales como DBDQ, ATM o FDDI. La concatenación se realiza en múltiplos de STS-3c o STS-12c (el sufijo se coloca para realizar esta diferenciación).

Las altas velocidades de transmisión del sistema SONET/SDH son posibles gracias a la utilización de fibra óptica como medio de transporte. Los equipos terminales SONET/SDH convierten una señal eléctrica STS-n (o la correspondiente señal STM) en una señal óptica OC-n (optical carrier) con la misma velocidad. La señal OC-n se transmite entonces sobre fibra óptica monomodo, pudiendo viajar unos 40 km sin necesidad de regeneración o amplificación. Una conexión de fibra extremo a extremo entre dos terminales SONET se puede descomponer en tres capas jerárquicas: la capa de ruta (path layer), la capa de línea (line layer) y la capa de sección (section layer).  Los elementos de terminación de ruta (Path Terminating Element, PTE) delimitan una ruta. Esta ruta está compuesta de varias líneas situadas entre diferentes nodos de red. Por último, cada una de estas líneas consta de diferentes secciones de repetición colocadas entre regeneradores o amplificadores.

Aunque el estándar SONET/SDH para redes ópticas fue establecido hace más de 10 años, la tecnología y la velocidad de las redes ópticas ha ido evolucionando constantemente. Así, se puede hablar ya de señales OC-768 (40 Gbit/s), OC-1536 (80 Gbit/s) o incluso OC-3072 (160 Gbit/s), que no se encontraban definidas inicialmente en el estándar. De hecho, existen equipos comerciales que operan a algunas de estas velocidades, por lo que no se puede establecer todavía dónde se encuentra el límite de velocidad.

Una importante característica del estándar SONET/SDH es su capacidad de monitorizar la integridad de las señales digitales que alcanzan los nodos de la red. Aunque el mecanismo de monitorización es intrusivo y requiere conversión optoelectrónica, detecta y aisla rápidamente posibles fallos en la red. Al mismo tiempo, durante una pérdida de señal, de trama, o cualquier otro fallo, SONET/SDH proporciona ancho de banda adicional para el transporte de señales de alarma que puedan restaurar la situación. Dada la gran cantidad de tráfico que circula por las fibras ópticas, cualquier corte de la línea o fallo de un nodo sería catastrófico si no fuera porque la rápida restauración del servicio es una parte integral de las estrategias de diseño y operación de la red. SONET/SDH también mejora la gestión de la red proporcionando canales de datos OAM&P (Operations, Administration, Maintenance and Provisioning). En definitiva, todas estas medidas contribuyen a reducir los desplazamientos de personal de mantenimiento y de este modo reducir grandes costes a los operadores de servicio.

Arquitectura de red SONET/SDH

Los elementos básicos de una red óptica SONET/SDH son: sistemas ópticos de línea, multiplexores terminales, add-drop multiplexers (ADMs) y digital cross-connects (DXCs). Los sistemas ópticos de línea están formados por fibras ópticas, amplificadores y regeneradores, entre otros, y proporcionan la capacidad de transmisión de la red SONET/SDH. Por otro lado, los multiplexores terminales se encargan de multiplexar el tráfico de los diferentes servicios a través de interfaces normalizados. Los ADMs ofrecen las mismas funcionalidades que los multiplexores terminales, si bien permiten además acceder a una porción del tráfico que los atraviesa para realizar labores de inserción/extracción (add/drop) de canales. Por último, los DXCs se encargan de realizar funciones de conmutación. Así, un DXC permite conexiones sin bloqueo entre cualesquiera de sus puertos de entrada y de salida. Por lo tanto, los DXCs son los elementos que permiten la mayor flexibilidad en relación con la gestión de red.

La forma de conexionar entre sí los anteriores elementos de red proporciona la topología de la red SONET/SDH, la cual puede ser muy variada. De este modo, se pueden tener topologías en anillo, malla, estrella o árbol-rama. De entre todas ellas, las más comunes son el anillo y la malla. En el caso de la malla, cada nodo de red puede conectarse con cualquier otro por medio de DXCs. Esta topología permite gran número de rutas alternativas en caso de caída de algún elemento de red o de corte de alguna fibra. Suele utilizarse en el núcleo de la red. Por otro lado, el anillo consiste en una concatenación de ADMs, cada uno de los cuales se encarga de insertar/extraer tráfico en/de el anillo desde/hacia una determinada área. Suele utilizarse como red de acceso y dispone de mecanismos de gestión de ancho de banda y de protección frente a cortes de fibra o fallos de los equipos. En el siguiente artículo se describirán en detalle las principales arquitecturas de anillo utilizadas en las redes SONET/SDH, así como sus mecanismos de protección.

Todas estas topologías de red pueden combinarse y enlazarse entre sí para formar arquitecturas de red más complejas. Así, por ejemplo, varios anillos pueden enlazarse entre sí por medio de un anillo mayor utilizando DXCs para enrutar el tráfico en los puntos de unión de dos de los anillos. Varios anillos SONET/SDH se encargan de recoger el tráfico de diferentes usuarios (Customer Premises Equipment, CPE) por medio de ADMs y encaminarlo por medio de DXCs hacia una o varias redes metropolitanas. Asimismo, estas redes metropolitanas disponen de enlaces con redes de largo alcance (backbone) basadas en DWDM y que suelen tener una estructura de malla. Estas redes deben caracterizarse por una buena escalabilidad para poder acomodar los incrementos de ancho de banda de las redes metropolitanas.