Doctor Gerardo Antonio Castañón Ávila
Profesor Investigador, Centro de Electrónica y Telecomunicaciones. División de Tecnologías de Información y Electrónica. ITESM
e-mail: gerardo.castanon@itesm.mx
http://homepages.mty.itesm.mx/gerardo.castanon
En la actualidad la fibra óptica forma parte de la mayoría de las redes de comunicaciones, ya sean de larga distancia (terrestres y submarinas), metropolitanas y redes de acceso. Las redes de larga distancia interconectan ciudades, países, y continentes; las metropolitanas interconectan puntos de tráfico en una ciudad, y las de acceso interconectan al usuario directamente. Las redes de acceso se denominan de esa manera porque dan acceso a los usuarios directamente a un medio de comunicación.
Un ejemplo muy sencillo de una red de acceso es la de telefonía con cable de alambre de par trenzado, donde el usuario tiene acceso al sistema de comunicación de voz y actualmente a la Internet por medio de ADSL (“Asymmetric Digital Subscriber Line”). Otro ejemplo es la red de acceso de televisión, a través de cable coaxial, donde el usuario tiene acceso a canales de televisión, Internet y en algunos casos al servicio de voz.
MERCADO MULTIMILLONARIO
El crecimiento de las comunicaciones ópticas es un fenómeno mundial, del cual México es parte. Por ejemplo, el mercado en Europa de instalación y venta de componentes y equipo óptico en el año 2010 ascenderá a 8,000.00 millones de dólares. La fibra óptica es el medio de comunicación de preferencia para redes de comunicación por su gran ancho de banda (que significa mayor cantidad de información transmitida), y baja atenuación (que se traduce en una gran distancia de transmisión). La fibra óptica se utiliza en un 100 por ciento de las redes submarinas, en 95 por ciento de las redes terrestres de larga distancia, y en 90 por ciento de las redes metropolitanas.
Adicionalmente, el precio actual de la fibra óptica es comprable a la del cable coaxial, medio comúnmente utilizado en redes de acceso para servicio de televisión, Internet y voz. Debido a esto, la fibra óptica se está instalando con mayor frecuencia en redes de acceso en nuevos fraccionamientos o desarrollos urbanos, para dar prácticamente todos los servicios, como televisión, telefonía y acceso a Internet con la ventaja de tener redes de acceso de gran capacidad que en un futuro serán necesarias.
Tener una red de acceso de alta capacidad brinda la ventaja de poder acceder a múltiples servicios que requieren un ancho de banda amplio, como son comprar películas a través de la Internet, música, y videoconferencias, televisión a través del Protocolo de Internet, etcétera. Debido a lo antes mencionado la siguiente etapa de crecimiento en instalación de fibra óptica será en redes de acceso, llámense fibra a la casa, fibra a los edificios y redes de área local.
Otro fenómeno que se vislumbra en el futuro es la interconexión de estaciones base de comunicación móvil, con fibra óptica. El tamaño de célula de las comunicaciones móviles tiende a disminuir, debido a que el ancho de banda que se utiliza es bastante reducido y reducir el tamaño de célula tiene como finalidad aumentar el número de usuarios a través de una técnica conocida como re-uso de frecuencias. Se vislumbra que en un futuro esas miles de estaciones bases de comunicación móvil también estarán interconectadas por fibra óptica por su gran ancho de banda y porque podrá llevar todos los servicios, como comunicación móvil, WIFI, WIMAX, monitoreo de la ciudad y monitoreo de personas en puntos de seguridad, monitoreo del tráfico, control de semáforos, etcétera, así como servicios de voz sobre IP (Internet Protocol) y televisión sobre IP.
INVESTIGACIÓN EN COMUNICACIONES ÓPTICAS
Recientemente, el Tecnológico de Monterrey inició una cátedra de investigación en comunicaciones ópticas, con tres avenidas principales en que debe centrarse la investigación en esta área: (1) Generación de propiedad intelectual; (2) Investigación aplicada a problemas que habilitarán el desarrollo de redes ópticas; (3) Generación de negocio.
Se debe mencionar que la investigación por sí misma es difícilmente autosustentable. Para lograrlo a largo plazo, tiene que generar propiedad intelectual (patentes) o empresas. Como es sabido, la economía del conocimiento se basa en la generación de ideas innovadoras que generen riqueza para los propietarios legales de dichas ideas. En este caso, se beneficiarán la universidad, empresa o grupo que auspicie esta investigación, y los autores de dichas patentes.
Buenas patentes pueden generar ingresos económicos, por regalías, a las universidades, empresas y grupos de investigación que las desarrollen. Por otro lado, una empresa de tecnología en telecomunicaciones tiene altas probabilidades de rentabilidad. Existen otras posibilidades de ingresos para una unidad de investigación, como por ejemplo la consultoría y cursos de extensión. Personalmente, considero que aunque son buenas alternativas, debido a su naturaleza aleatoria, un grupo de investigación difícilmente puede auto-sustentarse únicamente en base a ellas.
En el caso específico del Tecnológico de Monterrey, el grupo de investigadores de la cátedra en comunicaciones ópticas funciona como unidad de investigación e innovación donde la finalidad primordial es generar patentes. Adicionalmente y como actividad también muy importante, está la divulgación de ese conocimiento. De esta forma operan los centros de investigación de los grandes corporativos y compañías que tienen como visión prioritaria la innovación.
INVESTIGACIÓN APLICADA
El segundo punto en que debe basarse el desarrollo de las comunicaciones ópticas en nuestro Estado y país, es la generación de investigación básica y aplicada y su interacción con otros medios, como comunicaciones inalámbricas. Las áreas donde ya se cuenta con una muy buena experiencia y donde se han generado resultados importantes son las siguientes:
1. Diseño, planeación, y optimización de redes.
2. Redes de alta velocidad.
3.Redes transparentes: tecnología y metodología necesaria para realizarlas.
4. Arquitectura de enrutadores ópticos, cross conectores ópticos, y ROADM (“reconfigurable optical add/drop multiplexers”).
5. Redes de paquetes o lo que se conoce como redes de “Internet Protocol” (IP) sobre “wavelength division multiplexing” (WDM).
6.Redes de acceso para Radio sobre Fibra.
7. Seguridad en redes ópticas.
A continuación se describen en forma breve y resumida las áreas en las que se recomienda centrar la investigación básica y aplicada en el área de comunicaciones ópticas. Los problemas que se mencionan en la lista son áreas de oportunidad para realizar dicha investigación. Para generar esta lista, el autor del presente artículo ha realizado una revisión exhaustiva de la tecnología en comunicaciones ópticas existentes y ha considerado que la investigación en los tópicos que aquí se proponen desembocará en la tecnología clave que mejorará las redes ópticas actuales y habilitará las redes del futuro.
1. Extracción óptica del reloj de una señal. Ésta es una de las funciones primordiales de un receptor o regenerador. Los receptores digitales requieren saber la posición en tiempo donde deben hacer el muestreo de la señal recibida y después decidir si la señal en ese tiempo de muestreo es un 1 o un 0. Los receptores opto-electrónicos hacen esta extracción del reloj de la señal electrónicamente. El reto de este problema de investigación es extraer el reloj ópticamente. La extracción óptica de reloj tiene aplicaciones en regeneradores ópticos, receptores y monitores ópticos.
2. Regeneradores ópticos. Son dispositivos que mejoran la calidad de la señal. Hay varios tipos de regeneración. A una señal se le puede regenerar la forma del pulso, regenerar el nivel del pulso y se puede regenerar la posición en el tiempo del pulso. Esta área de investigación se enfoca en revisar y buscar nuevas formas de regenerar señales ópticamente para formatos de modulación utilizados en comunicaciones ópticas. El impacto de negocio de una buena patente en esta área es bastante grande. El autor del presente artículo tiene una patente en trámite actualmente, en esta área de investigación.
3. Memorias ópticas. Ésta es una de las tecnologías claves que habilitará las redes ópticas de paquetes y redes transparentes. Hasta el momento, nadie ha inventado una memoria completamente óptica que tenga almacenamiento permanente y tiempos ultra rápidos de grabado de la información y extracción de la información grabada. Estas memorias son un verdadero reto para la comunidad científica. La invención de este tipo de memoria tendrá implicaciones mayúsculas en el desarrollo de las redes ópticas del futuro.
4. Formatos de modulación de alta eficiencia espectral. La definición de eficiencia espectral es la división de la razón de bit por la separación entre canales en un sistema multicanal. Por ejemplo, si se transmite a 40 Gbps y la separación entre canales es de 100 GHz. la eficiencia espectral es de 0.4 bit/s/Hz. Formatos de modulación que tengan una eficiencia espectral mayor a 0.4 bit/s/Hz son de interés para la industria de las comunicaciones ópticas. Lo que se puede patentar aquí son los sistemas de transmisión de la señal y los demoduladores de la señal.
5. Sistema ultra-rápido de monitoreo de redes multicanal para redes transparentes. La idea de las redes transparentes inició aproximadamente en 1994, después del descubrimiento de los amplificadores ópticos en 1985. La idea fundamental es la reducción de costo de las redes ópticas. Un gran porcentaje del costo de una red óptica se concentra en el equipo opto-electrónico, como enrutadores o cross-conectores. Para reducir su costo, se requiere que las señales ópticas pasen a través de éstos sin ser detectadas y transmitidas; es decir, que no haya conversión de la señal óptica a señal electrónica. Debido a que el concepto de redes transparentes trata de eliminar receptores y transmisores en los cross-conectores no se sabe realmente el estado de la señal en nodos intermedios donde pasa transparentemente. Debido a esto, uno de los mayores retos de las redes transparentes es conocer la calidad de la señal en nodos intermedios y poder localizar de una forma rápida el o los componentes que no funcionan bien, en caso de una falla o un ataque a la red. Se requiere el diseño de sistemas multicanal ultrarrápidos de monitoreo, que indique de forma exacta qué canal no funciona bien y cuáles son las posibles fallas o ataques.
6. Redes ópticas para señales de radio sobre fibra. En este tipo de redes, las señales analógicas (radio) se trasmiten a través de redes de fibra óptica desde una central que controla todas las estaciones base. Este tipo de transmisión se vislumbra en el futuro en donde se requerirán redes de fibra óptica que interconecten miles de estaciones base de comunicación móvil.
7. Seguridad, confiabilidad, disponibilidad y calidad de servicio de redes ópticas. La seguridad en redes es un tema de interés actual debido a aplicaciones masivas, como: e-comerce, web-surfing, e-mail, voice over IP, TV over IP, que dependen completamente de redes ópticas. Éstas deben brindar a los usuarios la más alta seguridad, confiabilidad y disponibilidad.
8. Arquitectura de cross-conectores, enrutadores ópticos, y ROADM. En esta área existe la oportunidad de innovación y crear patentes, debido a que han surgido nuevos componentes ópticos con nuevas funcionalidades. La combinación de una forma inteligente de estos componentes ópticos puede dar como resultado nuevos enrutadores y crossconectores dinámicos patentables, y así tener propiedad intelectual en sistemas ópticos que son el corazón de las redes de comunicación óptica.
9. Redes ópticas de acceso. Debido a que en la actualidad el precio de la fibra óptica es comparable al del cable coaxial, la siguiente etapa de crecimiento de instalación de fibra óptica es en redes de acceso, llámense fibra a la casa, fibra a los edificios y redes de área local.
10. Enrutamiento y asignación de canales en redes ópticas. Éste es un problema en redes conocido como NP-complete. Es decir, no se puede resolver óptimamente a través de algoritmos o heurísticas. Es un problema para ser resuelto con nuevos y más eficientes algoritmos, ya sea a través de la mejora de algoritmos ya publicados, o de algoritmos novedosos, algoritmos inteligentes, como algoritmos enjambre, algoritmos genéticos, redes neuronales, recocido simulado, técnica tabú, etcétera.
11. Esquemas de protección y restauración en redes (Figura 1). Éste es otro problema conocido como NP-complete. Es decir, imposible de resolver de forma óptima con algoritmos o heurísticas. Muchos de estos algoritmos de optimización en esquemas de protección son dependientes de la topología. El problema es que requiere de programación compleja que tome en cuenta muchos aspectos de las redes a optimizar.
GENERACIÓN DE NEGOCIO
El tercer y último punto sobre la investigación y desarrollo de comunicaciones ópticas es la generación de negocio en el área. Las oportunidades se centran en el diseño, desarrollo e implementación de redes de acceso, principalmente, debido a las tendencias de crecimiento futuras, y redes de transmisión actuales, para el mejoramiento y optimización del costo de las redes.
En México existen amplias oportunidades de inversión y desarrollo de negocio en comunicaciones ópticas, debido a las tendencias de crecimiento del área. En un futuro cercano se requerirán compañías capaces de diseñar y optimizar redes actuales y futuras. Y debido a que no existen muchas compañías mexicanas capaces de proveer los servicios requeridos, se esperan atractivas utilidades para los inversionistas que decidan participar en esta arena.
