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1 Cleiber Marques da Silva PON PASSIVE OPTICAL NETWORK Texto sobre a tecnologia de Redes ópticas passivas (PON) apresenta conceitos básicos, características e modelos existentes CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA PROFESSOR: MARCIO HENRIQUE DONIAK São José SC Julho / 2009

2 Sumário 1 Introdução p. 3 2 Características p. 4 3 Topologias de Rede p Topologia em Anel p Topologia em Árvore p Topologia em Barramento p. 6 4 Tecnologias p E-PON p G-PON p G-EPON p WDM-PON p. 10 Referências Bibliográficas p. 12

3 3 1 Introdução Atualmente as redes metálicas são as predominantes nos sistemas de telecomunicações, porém os avanços nas pesquisas na área de fibra óptica, cada vez mais tornam possível o uso desta tecnologia comercialmente. Hoje fibras ópticas apresentam diversas vantagens sobre as redes metálicas como: imunidade a interferência eletromagnética, menor perda de energia por quilômetro, maiores taxas de transmissão. A evolução da Internet, o aumento de usuários e aplicações interativas vem demandando maiores taxas de transmissão, hoje cada vez é mais comum a utilização de comunicação com fibras ópticas na ultima milha, para suprir estas necessidades. As redes ópticas passivas (PON) são uma opção para este tipo de comunicação. Pois, elas são extremamentes flexíveis devido a facilidade de derivação e questões de operacionalização.

4 4 2 Características Uma rede óptica passiva é uma arquitetura ponto-multiponto que permite que uma fibra óptica seja compartilhada por múltiplos pontos finais (WIKIPEDIA, 2009). Os elementos básicos de uma rede PON são (ver figura 2: Optical Line Terminal (OLT): provedor de serviço central que emite sinal aos usuários, localizado próximo as bordas de redes de transporte. Optical Network Terminal (ONU): utilizado para receber os sinais ópticos nos usuários e converte-los para sinais elétricos. Spliter: para atingir os usuários, utiliza-se divisores de fibra óptica, que são elementos passivos, pequenos e de baixo custo. Figura 2.1: Elementos de uma Rede PON O sinal óptico é transmitido pelo OLT por uma única fibra. A essa fibra são feitas derivações através do uso de divisores ópticos passivos para conectá-la às ONUs. Cada ONU transmite e recebe por um canal óptico idependente e provê aos usuários finais os dados. A solução PON fornece redes que têm um baixo custo de implementação e operação. Oferecem o compartilhamento da enorme capacidade de banda da fibra óptica para condomínios, sites e residências.

5 5 3 Topologias de Rede As topologias de rede utilizando fibras ópticas são: Ponto-Multiponto: Topologia em que as redes PON se enquadram, que viabiliza compartilhamento de uma única fibra entre usuários, não existindo elementos ativos entre o equipamento OLT e ONUs e desta forma provendo uma solução com economia de energia, operação, manutenção e instalação. Ponto-a-Ponto: com baixa penetração no mercado devido ao seu alto custo de infraestrutura quando comparada ao modelo de fibra compartilhada. Atualmente hoje as PONs em operação operam com até 64 ONUs por cada OLT, devido a atenuação com as derivações, este é um dos maiores problemas deste tipo de rede. Dentre as opções de topologias utilizadas podemos destacar as seguintes (TELECO, 2009). 3.1 Topologia em Anel A topologia em Anel as ONUs se interligam de forma serial, formando um barramento óptico, as ONUs das extremidades são interligadas ao OLT (ver figura 3.1). Onde cada ONU funciona como um derivador óptico ativo. A grande vantagem desta topologia é a questão da redundância.

6 6 3.2 Topologia em Árvore Figura 3.1: Topologia em Anel Nesta topologia as ONUs são conectadas a uma OLT por um único derivador, e o fator de derivação do derivador cria o número de sub-segmentos na fibra. Por exemplo, na figura 3.2 o fator é de 1:3. Esta topologia é empregada quando as ONUs estão distante da OLT ou estão agrupadas em uma mesma região. Figura 3.2: Topologia em Árvore 3.3 Topologia em Barramento Em uma topologia de rede em barramento as ONUs são conectadas a uma OLT através de um segmento de fibra óptica, que então recebe vários derivadores passivos com o fator de derivação de 1:2,como na figura 3.3. A utilização desta topologia se aplica de forma contrária a topologia em árvore, já que entre a OLT e a ultima ONU existem varias outras ONUs com distância relativamente curta entre uma e outra ONU.

7 7 Figura 3.3: Topologia em Barramento Uma rede PON em operação provavelmente utiliza um misto de topologias de acordo com a estratégia de implantação e com grande flexibilidade de arquitetura.

8 8 4 Tecnologias Existem alguns tipos diferentes de modelos de redes que utilizam a arquitetura básica de PON, e é necessário ter interoperabilidade entre os diferentes equipamentos, por isso algumas tecnologias são especificadas (UFRJ, 2009). A seguir algumas tecnologias serão explicadas brevemente ressaltando as principais características de cada uma. 4.1 E-PON O modelo Ethernet PON (E-PON) é padronizado pela IEEE e é especificado na norma IEEE 802.3AH (PAPERS, 2009). Como ilustrado na figura 4.1 este modelo tem as seguintes características: Downstream de dados: comprimento de onda 1490 nm, taxa de transferência de 1GB/s; Upstream de dados: comprimento de onda 1310 nm, taxa de transferência de 1 Gb/s; O OLT, que fica do lado do servidor, envia os pacotes em rajadas e a ONU faz leitura se o pacote for destinado a ela; A ONU, que fica do lado do cliente, sincronizadamente para evitar colisões e a OLT faz o reconhecimento de cada pacote por meio de um identificador no pacote. O gerenciamento da rede é feito pelo protocolo MPCP, que é responsável por incluir novas ONUs, alocar banda e medir o tempo de resposta de cada ONU.

9 9 Figura 4.1: Topologia da E-PON 4.2 G-PON A Gigabit PON (G-PON) é normatizada pela ITU-T nas séries de normas G.984, foi criado depois do E-PON. Como ilustrado na figura 4.2 este modelo tem as seguintes características (EFFENBERGER et al., 2007): Downstream de dados: comprimento de onda 1490 nm, taxa de transferência de Gb/s; Downstream de vídeo: comprimento de onda 1550 nm; Upstream: comprimento de onda 1310 nm, taxa de transferência de Gb/s. Figura 4.2: Topologia da G-PON A G-PON possui então 3 fluxos de informação em comprimentos de onda distintos. Desse modo, os dados não disputam por banda. Há uma freqüência reservada somente para vídeo para

10 10 aplicações dedicadas G-EPON Tecnologia desenvolvida para alcançar até 10Gb/s, a especificação IEEE 802.3av. Foi desenvolvida para manter a compatilibilidade com a E-PON já existente. Para garantir essa compatibilidade é usado um comprimento de onda no sentido dowstream acima do utilizado para vídeo, de modo que o sinal possa ser recebido pelas ONUs dos clientes sem que haja necessidade de substituição do dispositivo. No sentido upstream, uma multiplexação no domínio do tempo garante a coexistência entre a E-PON atual e a 10G, ou seja, cada ONU fala de uma vez e o OLT chaveia o sinal recebido para o equipamento apropriado. Esse modelo de PON pode ser implementado em modo simétrico, 10 Gb/s downstream e upstream, ou assimétrico, 10 Gb/s downstream e 1 Gb/s upstream. E o mesmo protocolo utilizado no E-PON o MPCP é utilizado nesta tecnologia. Downstream de dados: comprimento de onda 1590 nm para distâncias curtas e de 1577 nm para longas distâncias. Taxa de transferência de 10 Gb/s; Upstream de dados: comprimento de onda 1310 nm, o mesmo da E-PON, taxa de transferência de 1 ou 10 Gb/s. 4.4 WDM-PON Esta tecnologia emprega o Wavelenth Dimension Multiplexing ao PON (WDM-PON), desta forma múltiplos comprimentos de ondas podem ser enviados e/ou recebidos. Neste caso cada ONU tem um comprimento de onda reservado para se comunicar com o OLT. Diferente de outras tecnologias vistas anteriormente que utilizam o tempo. As implementações da tecnologia WDM-PON pode ser feitas basicamente de duas formas, serão descritas e ilustradas na figura 4.4 a seguir: Broadcast: o OLT emite todos os comprimentos de ondas em uma fibra, através de divisores passivos, todas as ONUs recebem o sinal, mas fazem uma filtragem para ler apenas a freqüência destinada a ela (ver figura 4.4a).

11 11 Arrayed Waveguide Grating (AWG): equipamento passivo que funciona como um roteador de comprimentos de onda, ele recebe um sinal com vários comprimentos de onda e os separa em diferentes saídas. Nesse esquema o AWG faz o encaminhamento dos comprimentos de onda para a ONU correspondente (figura 4.4b. Figura 4.3: Métodos do WDM-PON

12 12 Referências Bibliográficas EFFENBERGER, F. et al. An introduction to PON technologies. IEEE Communications Magazine, p. S18, PAPERS, W. Ethernet Passive Optical Networks Disponível em: <http://www.iec.org/online/tutorials/epon/topic05.asp>. TELECO. Tutorial PON Disponível em: <http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialpon>. UFRJ. Passive Optical Network (PON) Disponível em: <http://www.gta.ufrj.br/ensino/eel879/trabalhos_vf_2008_2/rafael_ribeiro/e-pon.html>. WIKIPEDIA. Passive optical network Disponível em: <http://en.wikipedia.org/wiki/passive_optical_network>.

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