Bacharel em Ciência da Computação pelo Centro de Ensino Unificado de Teresina - CEUT (2010/2).

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1 Redes Ópticas Passivas I: Multiplexação por Divisão no Tempo (TDM-PON) O principal problema das redes de telecomunicações atualmente é o gargalo de largura de banda nas redes de acesso. Para solucionar este problema e oferecer aos usuários acesso banda larga de baixo custo foram propostas as redes ópticas passivas (Passive Optical Network PON). As redes ópticas passivas são compostas por fibras ópticas e diversos dispositivos ópticos e sistemas, como ONUs, OLTs, filtros, divisores passivos e lasers. Uma de suas arquiteturas proporciona o acesso múltiplo através da técnica de multiplexação por divisão no tempo e é conhecida como TDM-PON. Essas redes têm se destacado no cenário mundial como uma possível solução capaz de suprir a demanda gerada por novos serviços que requerem alta capacidade de transmissão de dados. Esta série de tutoriais propõe uma investigação detalhada sobre as redes TDM-PON no que diz respeito à largura de banda, número de usuários, dispositivos, bem como outros detalhes para sua implementação. Os tutoriais foram preparados a partir da Monografia Redes Ópticas Passivas Baseadas em Multiplexação por Divisão no Tempo (TDM-PON), elaborada pelo autor, e apresentada como exigência parcial para obtenção do grau de Bacharel em Ciência da Computação, na área de concentração Redes Ópticas Passivas, à banca examinadora do Curso de Ciência da Computação, do Centro de Ensino Unificado de Teresina - CEUT. Foi orientador do trabalho o Professor e Mestre Guilherme Enéas Vaz Silva. Este tutorial parte I apresenta inicialmente um breve descrição dos tipos de redes de acesso, sejam eles baseados em cabos de cobre ou fibra óptica. Em seguida apresenta uma descrição das redes ópticas passivas (as redes PON), e finaliza apresentando a tecnologia de multiplexação por divisão no tempo, conhecida pela sigla TDM-PON. Rafael Jales Lima Ferreira Bacharel em Ciência da Computação pelo Centro de Ensino Unificado de Teresina - CEUT (2010/2). Atualmente cursa o Mestrado em Telecomunicações Redes Ópticas pela Universidade de São Paulo na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). rafael_jales@hotmail.com Categorias: Banda Larga, Redes Ópticas 1

2 Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 04/07/2011 2

3 Redes Ópticas Passivas I: Introdução Desde o surgimento da Internet, a demanda por serviços de alta velocidade vem aumentando, devido à popularidade da rede mundial. Linhas telefônicas começaram a ficar saturadas com o tráfego provocado pelo acesso discado à Internet, e o aumento do número de linhas, além de requerer grandes investimentos, não resolveria o problema (SAKURAY; SADOYAMA, 2004), (NASCIMENTO; TAVARES, 2002). Para transmitir sinais analógicos, o modem convencional utiliza a mesma banda do sinal de voz (4 khz). A taxa máxima para transmissão de dados pode chegar a 56 Kbit/s, isto sem considerar os atrasos provocados por ruídos e condições do fio (SAKURAY; SADOYAMA, 2004). A tecnologia DSL (Digital Subscriber Line) surgiu da necessidade de disponibilizar altas taxas de dados sobre o fio de cobre do Sistema de Telefonia Fixa Comutada (STFC). Esta tecnologia possibilita a integração de voz, dados, imagens e vídeo (FERNANDES, 1999). Atualmente o mercado de telecomunicações é caracterizado pela procura, cada vez mais frequente, por serviços que requerem uma alta capacidade de banda. Ou seja, os usuários passaram a exigir serviços que necessitam de uma grande capacidade de transmissão de dados. Comunicação em alta velocidade é atualmente uma necessidade real (DODD, 2000). Podemos classificar as redes de telecomunicações de acordo com a escala, em redes geograficamente distribuídas, WANs (Wide Area Networks), redes Metropolitanas MANs (Metro Area Networks) e redes locais LAN (TANENBAUM, 2003). Uma WAN abrange uma grande área geográfica, milhares de quilômetros englobando um país ou até um continente. As taxas de dados operadas neste tipo de rede variam de Gbit/s a Tbit/s. As MANs cobrem dezenas de quilômetros, cidades ou regiões metropolitanas, aonde suas taxas de transmissão chegam a 40 Gbit/s. Já as LANs são redes privadas contidas em um edifício ou em um campus universitário, sua distância máxima atinge apenas poucos quilômetros e, operam tradicionalmente a uma taxa de até 100 Mbit/s, em redes mais modernas ela alcança uma taxa de 10 Gbit/s (TANENBAUM, 2003). Entre as MANs e as LANs estão situadas as redes de acesso, que vão estar responsáveis pela conexão da central do provedor de serviço CO (Central Office) aos assinantes residenciais ou empresas. Esse tipo de rede atinge dezena de quilômetros e suas taxas variam de centenas de Kbit/s até poucos Mbit/s. Os assinantes residenciais vão estar ligados diretamente a essas redes, eles não precisam estar necessariamente incorporados a uma rede local. De acordo com as taxas das redes mostradas a cima, podemos observar que as redes de acesso são o maior problema de gargalo das redes de telecomunicações. As redes de acesso antigamente eram conhecidas como rede de última milha, mas devido a esse problema e à relevância que vem obtendo no últimos anos, elas passaram a ser chamadas de redes de primeira milha (SILVA; ROMERO, 2010). A primeira milha conecta o serviço prestador de serviços centrais de negócios e residenciais assinantes. Também conhecido como rede de acesso de assinante ou do loop local, que é a rede infraestruturas ao nível da vizinhança (KRAMER; PESAVENTO, 2002), (SUDHIR, 2003). A rede de acesso atual é predominantemente constituída de fios de cobre ou par trançado que foi considerado como tendo um dos mais importantes papéis no ato de prover serviços de transmissão de dados (TOLEDO, 2001). 3

4 A rede de acesso óptica apresenta uma largura de banda que chega a gigabits por segundo (Gbit/s), o que aumentará ainda mais com avanço tecnológico. Esta maior disponibilidade abre novas possibilidades de arquiteturas para prover serviços de faixa larga. Tomando a rede de acesso como parte mais importante na entrega dessa largura de banda é necessário colocar alguns equipamentos, nas imediações do cliente, para gerenciar ou controlar a quantidade de dados transmitidos sobre uma conexão de acesso (NETO, AMAZONAS, 2004).. O aumento crescente da oferta de serviços e aplicações, principalmente aqueles envolvendo transmissão de imagem (por exemplo, videoconferência, vídeo sob demanda e jogos online), estimula e justifica a implantação de redes ópticas de acesso (MAODE; YONGQING, 2002), (PORTNOI; MORAES; GIOZZA, 2005). Neste cenário, a utilização de fibras ópticas nas imediações do usuário já permite, a um custo competitivo, que se disponibilize a um número de clientes relativamente pequeno, uma capacidade de transmissão elevada (até 2,5 Gb/s por até algumas dezenas de quilômetros), tanto na descida quanto na subida dos dados (ITU-T G.984.1, 2003). As redes de fibras ópticas podem ser classificadas em duas categorias de acordo com a distribuição dos cabos ópticos, a arquitetura ponto-a-ponto e a ponto-multiponto. Na arquitetura ponto-a-ponto, o número de fibras vai ser igual ao número de usuários, já na arquitetura ponto-multiponto, diversos usuários compartilham uma única fibra até um nó remoto (RN), a partir do qual cada cliente poderá dispor do seu próprio enlace óptico. O RN pode ser passivo ou ativo, dependendo se é eletricamente alimentado ou não. Se o nó remoto precisar de suprimento de energia, a arquitetura é chamada de Rede Óptica Ativa (AON). Caso contrário, a arquitetura recebe o nome de Rede Óptica Passiva (PON) (SILVA; ROMERO, 2010). Além disso, comparadas às redes de fibra óptica ativas, as redes ópticas passivas (Passive Optical Networks - PONs), apresentam facilidade de instalação e atualização, baixo custo de operação e manutenção, confiabilidade, imunidade eletromagnética e cabos mais leves e compactos (LEE; SORIN, 2006), (NOWAK; MURPHY,2005). A maioria das redes PON instaladas no mundo têm arquitetura do tipo ponto-multiponto com um ou mais níveis de derivação de potência, via divisores ópticos passivos, para distribuição do sinal. O acesso ao meio na transmissão ascendente é feito através de multiplexação no tempo (TDMA), para evitar colisões no acoplador (ILYAS; MOUFTAH, 2003). Das duas tecnologias PON em implantação (Gigabit PON, GPON, padronizada pelo ITU G.984 (ITU-T G.984.1), e Ethernet PON, EPON, padronizada pelo EEE 802.3ah [(MAODE; YONGQING, 2002)), o GPON, oferece vantagens como taxas de tráfego ascendente e descendente mais altas, maior eficiência de banda e maior variedade de serviços (CALE; SALIHOVIC; IVEKOVIC, 2007). É importante notar que esta conexão de primeira milha não se limita à conexão de um usuário final com um provedor de acesso à internet. Ela também considera a conexão de um usuário ou assinante de qualquer serviço de redes de comutação de pacotes, como uma rede metropolitana, em um campo de universidade ou empresa corporativa. Nestas redes geralmente há um backbone de banda larga, com as conexões para os usuários finais bem mais lentas (PORTNOI; MORAES; GIOZZA, 2005). Essas tecnologias são as mais utilizadas atualmente mas as fibras ópticas surgem, então, como uma boa alternativa para atender o aumento de demanda das redes de acesso (ILYAS; MOUFTAH, 2003). Dentre as configurações presentes no cenário mundial atual, a rede óptica passiva (PON - Passive Optical Network) baseada em multiplexação por divisão no tempo (TDM-PON - Time Division Multiplexing) tem recebido grande destaque. 4

5 A maior parte da infraestrutura de redes de acesso utiliza tecnologia baseada em fio, empregando pares trançados e cabos coaxiais. Na próxima seção iremos abordar algumas das principais tecnologias para redes de acesso. Tutoriais Este tutorial parte I apresenta inicialmente um breve descrição dos tipos de redes de acesso, sejam eles baseados em cabos de cobre ou fibra óptica. Em seguida apresenta uma descrição das redes ópticas passivas (as redes PON), e finaliza apresentando a tecnologia de multiplexação por divisão no tempo, conhecida pela sigla TDM-PON. O tutorial parte II apresentará inicialmente o software utilizado como ferramenta de avaliação da tecnologia PON para a elaboração deste trabalho, procurará caracterizar um transmissor e um receptor óptico, e tratará do principal elemento de uma rede PON, o splitter. A seguir apresentará os resultados numéricos das simulações de um rede TDM-PON com várias taxas de transmissões, e as conclusões obtidas. 5

6 Redes Ópticas Passivas I: Redes de Acesso Dial Up (Acesso Discado) Nos anos 90, quase todos os usuários residenciais acessavam a internet por meio de linhas telefônicas analógicas utilizando um modem discado. Atualmente usuários de países não desenvolvidos e de áreas rurais (onde o acesso à banda larga é indisponível) ainda têm acesso à internet discada (KUROSE; ROSS, 2003). Emprega-se o termo dial up porque o software do usuário na verdade disca (em inglês Dial) um numero de telefone do ISP (Internet Service Provider) e realiza uma ligação telefônica tradicional com o ISP (por exemplo, AOL). O computador é ligado a um modem discado que, por sua vez, é conectado à linha telefônica analógica da residência, onde essa linha telefônica é composta por cabos de cobre trançados e é a mesma linha telefônica utilizada para fazer ligações comuns. O modem da residência converte a saída digital do computador em um formato analógico apropriado para transmissão pela linha telefônica analógica. Na outra extremidade da conexão, um modem do ISP converte o sinal analógico em forma digital para inserir dados no roteador do ISP. O acesso discado oferece uma taxa máxima de 56kbit/s, enquanto um usuário utiliza o modem para navegar na internet, ninguém mais poderá realizar ou receber ligações nessa linha, porque o acesso discado bloqueia a linha comum do usuário (KUROSE; ROSS;2003). DSL Quando os modens discado atingiram o limite de capacidade de transmissão de dados da Rede de Telefonia Pública Comutada (RTPC), as empresas de telefonia foram compelidas a desenvolver outras tecnologias que permitissem acessar a internet em altas velocidades (SAKURAY; SADOYAMA, 2004). A tecnologia DSL, já está bem presente no mercado com capacidade de suportar comunicação digital em altas velocidades. De fato, a tecnologia DSL forma um conjunto de tecnologias, identificadas por uma letra prefixo (ADSL, VDSL, HDSL e SDSL). Frequentemente, nos referimos ao conjunto como xdsl, onde x pode ser substituído por Asymmetrical, Very high bit rate, High Bit Rate, Symetric (PALUDETTO, 2001). ADSL A primeira tecnologia do conjunto foi a Asymmetrical DSL (ADSL). Assim como o modem convencional, a tecnologia ADSL prove altas taxas de transmissão maiores (em bit/s) na direção de descida ou em downstream (da internet para o computador do usuário) do que na direção de subida ou upstream (do computador do usuário para internet). Esta é a razão dessa tecnologia ser denominada assimétrica. Contudo, diferentemente da assimetria dos modems convencionais, as especificações das implementações ADSL dividem de maneira desigual a largura de banda do canal local do usuário. (FOROUZAN) A ADSL pode ser usada em residências, pequenos escritórios e grandes organizações, devido à grande variedade de velocidades suportadas. Sua taxa de transmissão varia em função da distância entre o modem doméstico e o modem do ISP, da bitola da linha de par trançado e do grau de interferência eletromagnética. Em uma linha de alta qualidade, é possível atingir uma taxa de transmissão máxima de 8 Mbit/s, se a distância entre a residência do usuário final e o ISP for menor que três mil metros. Entretanto, a taxa de transmissão cai para aproximadamente 2 Mbit/s se a distância for de seis mil metros (KUROSE; ROSS, 2003). 6

7 A ADSL é limitada a localidades onde os usuários estejam a uma distância entre 2,7 e 5,5 km da central telefônica, ou seja, não se espera encontrar tal tecnologia fora de centros urbanos (KUROSE, ROSS, 2003). VDSL A tecnologia VDSL (Very high bit rate Digital Subscriber Line) usa modems especiais para aumentar a capacidade digital das linhas de telefones comuns em casa ou no escritório. A velocidade e a qualidade da transferência de dados dependem em grande parte da condição das linhas telefônicas e da distância entre o usuário final e a central telefônica. VDSL é também tecnologia assimétrica, ou seja, permite taxas de transmissão diferentes para upstream e downstream, assim como ADSL (BERNAL; SERGIO; FALBRIARD, 2002). Isso permite acessar a Internet com taxas mais rápidas para downstream e taxas menores para upstream. Atualmente, a tecnologia VDSL pode fornecer uma taxa de transmissão de até 50 a 55 Mbit/s para downstream e 1,5 a 2, 5 Mbit/s (ou mais) para upstream. Isso significa que o usuário final tem taxa de transmissão elevada disponível para todas as mídias digitais, incluindo vídeo de alta qualidade, constituindo-se num cenário residencial altamente sofisticado. É uma alternativa bastante similar a ADSL, entretanto, admite cabo coaxial, fibra óptica ou par trançado com meios de transmissão para comunicação a curtas distancias 300 a 1800m (BERNAL; SERGIO; FALBRIARD, 2002). HDSL A Tecnologia HDSL (High bit rate Digital Subscriber Line) foi a primeira tecnologia DSL a ser desenvolvida, no final da década de 80, como alternativa às linhas T1 (E1 na Europa). Estas linhas, apesar de oferecerem uma velocidade satisfatória T1 (1,544 Mbit/s) e E1 (2 Mbit/s). As linhas de HDSL são simétricas, o download e o upload possuem a mesma velocidade, e aproveita a infraestrutura utilizada pelos telefones comuns. O canal de conexão HDSL usa dois pares trançados para implementar o modo de transmissão full-duplex (TOLEDO; PEREIRA, 2001). SDSL A ADSL provê comunicação assimétrica. Embora esta característica atenda às expectativas da maioria dos usuários residenciais, ela não é apropriada para empresas, que geralmente enviam e recebem massas de dados em ambas as direções. A tecnologia SDSL (Symetric Digital Subscriber Line) foi desenvolvida para atender essas expectativas das empresas. Nela uma banda é dividida igualmente entre as direções de upstream e downtream, ela requer apenas um par metálico e sua taxa de dados varia entre 128 a 1024kbit/s a uma distancia de até 3,5 km (PALUDETTO, 2001). Modem a Cabo Atualmente, as operadoras de TV a cabo estão competindo com as companhias telefônicas pelos usuários residenciais que cada vez mais pedem banda para acessar a internet em alta velocidade. Como vimos, a tecnologia DSL permite acessos de alta velocidade aos usuários através da conexão telefônica local. Contudo, a tecnologia DSL utiliza pares trançados sem blindagem e, por isso, são muito susceptível a interferências. Isto reflete na conexão, modificando o limite superior da taxa de transmissão. Outra proposta é utilizar a rede de TV a cabo para acessar a Internet (FERNANDES, 1999). 7

8 Rede HFC Com o passar dos anos, o sistema de televisão cresceu, e os cabos entre as várias cidades foram substituídos por fibra óptica de alta largura de banda, de forma semelhante ao que aconteceu no sistema telefônico. Um sistema com fibra nas linhas principais e cabo coaxial nas ligações para residências é chamado HFC (Hybrid Fiber Coaxial) Sistema híbrido de cabo coaxial e fibra. Outra possibilidade de acesso residencial que se observa é a linha híbrida de cabo de fibra óptica e cabo coaxial. A rigor, essa tecnologia utiliza a infraestrutura de TV a cabo para transmissão de dados até 30 Mbit/s (KUROSE, ROSS, 2003). A tecnologia modem a cabo, diferentemente das outras tecnologias de acesso residencial, é um meio de transmissão compartilhado. Cada pacote enviado pelo provedor trafega por todos os enlaces até todas as casas. Isso faz com que os pacotes enviados simultaneamente por duas casas diferentes colidam e se destruam. Portanto, a taxa efetiva de transmissão, depende do número de usuários ativos. Uma possível vantagem da tecnologia ADSL sobre a modem a cabo reside justamente no fato de ADSL ser uma linha dedicada e não compartilhada. Entretanto, uma rede HFC bem dimensionada provê taxa de transmissão maior que a do ADSL (KUROSE, ROSS, 2003). Opcionalmente, HFC permite utilizar um Interactive Set-Top-Box, cuja principal função é a de disponibilizar um maior número de canais de TV, sobre a mesma banda passante. O Set-Top- Box cria um canal de retorno que permite ao usuário navegar pela Internet e receber os resultados na tela da TV. Serviços como voz sobre IP, quando bem dimensionados, podem ser implantados com alta qualidade. Redes sem Fio As redes sem fio possuem o menor custo de implantação dentre as categorias citadas e são representadas pelas tecnologias Wi-Fi (IEEE Standard ) e WiMAX (IEEE Standard ). Alguns dos principais padrões de Wi-Fi utilizados atualmente são: b, que utiliza uma frequência de 2.4 GHz e transmite 11 Mbit/s a um alcance de 100m, a, que utiliza frequência de 5 GHz e em 50 m atinge uma taxa máxima de 54Mbit/s, e g, que alia as vantagens dos dois padrões anteriores alcançando taxas de 54Mbit/s a distâncias de 100 m. Onde as distâncias podem variar de acordo com os obstáculos. A implementação desse tipo de rede está se tornando cada vez mais comum, não só nos ambientes domésticos e empresariais, mas também em locais públicos (bares, lanchonetes, shoppings, livrarias, aeroportos, etc.), devido ao curto alcance ela se torna restrita a pequenos nichos (LARRY; DAVIE, 2003), (SILVA; ROMERO, 2010). Com a tecnologia Wi-Fi, é possível implementar redes que conectam computadores e outros dispositivos compatíveis (telefones celulares, consoles de videogame, impressoras, etc.) que estejam próximos geograficamente. Essas redes não exigem o uso de cabos, já que efetuam a transmissão de dados através de radiofrequência. Esse esquema oferece várias vantagens: permite ao usuário utilizar a rede em qualquer ponto dentro dos limites de alcance da transmissão por não exigir que cada elemento conectado use um cabo, permite a inserção rápida de outros computadores e dispositivos na rede. Por outro lado, tecnologia WiMAX definida em abril de 2002 provê uma taxa de 70 Mbit/s em um raio de 5 8

9 km. No Brasil, esta tecnologia foi implantada em algumas regiões, como, por exemplo, na cidade de Mangaritiba (Rio de Janeiro) e Parintins (Amazonas) (TERRA, 2009), (CPQD, 2009). Apesar das implementações recentes terem obtido sucesso, o WiMAX não tem tido um grande desenvolvimento em grandes centros urbanos devido à concorrência com o DSL e modem a cabo. A tendência é que a tecnologia fixe seu nicho em zonas rurais, onde o cabeamento não seja viável economicamente. Alguns detalhes sobre a camada física e o controle de acesso ao meio do padrão WiMAX podem ser encontrados na Ref. (EKLUND; STANWOOD, 2002). Apesar da vantagem econômica apresentada pelas redes sem fio descritas acima, elas não possuem largura de banda suficiente para oferecer suporte a aplicações de vídeo, como HDTV (High Definition Television), já que são ponto-multiponto, ou seja, a taxa é compartilhada por vários usuários, em alguns casos até cerca de centenas deles. Vale observar que, como já mencionado, as redes sem fio se constituem em alternativas propícias apenas para aplicações específicas (SILVA; ROMERO, 2010). Fibra Óptica A transmissão via fibra óptica oferece virtualmente largura de banda ilimitada, e é amplamente considerada como uma possível solução para fornecer acesso de banda larga à primeira milha, onde se encontra o principal gargalo provocado pelo envio de serviços de alta velocidade. Não obstante, precisa-se uma nova infraestrutura de rede para suportar as novas aplicações que vão surgindo e para as que se preveem no futuro. Esta infraestrutura deverá permitir primeiramente mais largura de banda, rápido fornecimento de serviços, e garantias de QoS (qualidade de serviço) a um custo efetivo e de maneira eficiente. As topologias que estendem a fibra óptica através da arquitetura de acesso de última milha são: FTTH (Fiber To The Home - até a casa), FTTB (Fiber To The Building - Fibra até o prédio), FTTCab (Fiber To The Cabinet - Fibra até o gabinete), e FTTC (Fiber To The CURB - Fibra até a calçada), assim como podemos observar na figura 1. Todas essas topologias oferecem um mecanismo que habilita suficiente largura de banda para o envio de novos serviços e aplicações (LIN, 2006). As PONs podem assumir as topologias descritas acima. No esquema FTTH permite que a fibra chegue até o usuário, porém é uma solução que apresenta custos mais elevados, Uma redução de custo pode ser obtida por meio do compartilhamento da ONU por vários usuários. As configurações FTTB, FTTC e FTTCab realizam esse compartilhamento sendo, portanto, mais atraentes em termos de custos em comparação à FTTH. Essas arquiteturas são sistemas híbridos que utilizam trechos longos em fibra e trechos curtos em cobre. As ONUs operam com um multiplexador mais complexo, já que atendem vários usuários (ORENCIA, 2007). Uma variação da FTTC é a arquitetura de fibra até o gabinete, que reduz o número de ONUs empregadas mediante a utilização de trechos de cobre mais longos e em maior quantidade. Em FTTB a fibra chega ao prédio e a partir daí são empregados vários enlaces para o compartilhamento do acesso, pois normalmente essas instalações são ocupadas por vários usuários ou empresas. Em FTTCab e FTTC a fibra está um pouco mais distante dos usuários e utiliza acesso xdsl para compartilhar a conexão, sendo a tecnologia VDSL mais recomendável para utilizar a largura de banda disponível (ORENCIA, 2007). As configurações FTTC e FTTCab apresentam os custos de investimento iniciais mais baixos. Porém, a arquitetura FTTH está sendo utilizada no Japão (um milhão de assinantes até 2003) e alguns países da Europa (Suécia, Itália) (GREEN, 2004). 9

10 O componente principal de uma PON é o dispositivo divisor óptico (splitter) que será explicado na próxima seção. Dependendo da direção da luz, ele divide o raio entrante distribuindo-o para múltiplas fibras, ou combinando-os na direção oposta dentro de uma única fibra. Quando a PON se inclui numa arquitetura FTTH/B, a fibra vai desde a CO (central do fornecedor de serviços de telecomunicações) até um divisor óptico localizado dentro da casa do assinante ou empresa. Na arquitetura FTTCab, a fibra vai desde a CO até o divisor óptico que se localiza em um gabinete na vizinhança atendida tipicamente a uma distância aproximada de 300m do usuário. Figura 1: Redes Ópticas de Acesso 10

11 Redes Ópticas Passivas I: Conceitos Nos últimos anos as operadoras de telecomunicações tem mostrado um grande interesse em fornecer aos clientes residenciais diversos serviços que requerem grande largura de banda, dentre eles um serviço denominado triple-play, ou seja, vídeo, voz e dados na mesma rede. Para isso, é necessário utilizar fibras ópticas. Nesta seção apresentaremos as topologias e tecnologias existentes para as redes ópticas passivas (PON). Arquiteturas de Redes PON Componentes das Redes PON As redes ópticas passivas são compostas por fibras ópticas e diversos dispositivos ópticos e sistemas, como ONUs, OLTs, filtros, divisores passivos e lasers. Assim como podemos observar na figura 2. Figura 2: Rede Óptica Passiva Os principais componentes que caracterizam as redes PON são: OLT: Terminal de Linha Óptica. Ele está localizado na central, constituindo-se em porta de enlace entre a rede de acesso e a rede metropolitana. A OLT controla e administra a transmissão das ONUs, precisando de um receptor que opere em modo rajada (volumes esporádicos de tráfego). Rajadas são conjuntos de bits vindo de uma determinada ONU. Portanto, é preciso controlar os diferentes níveis de amplitude do sinal, já que as ONUs estão localizadas em distâncias diferentes do OLT (KRAMER; PESAVENTO, 2002) (GUTIERREZ, et. all, 2005). ONU: Unidade de Rede Óptica. A sua função principal é fornecer acesso aos usuários concentrando o tráfego até que possa transmiti-los. A ONU está localizada em distâncias longas ou curtas do usuário final, como na configuração FTTCab e FTTC, respectivamente, e na locação do usuário final, como na configuração FTTH e FTTB. Nestas duas últimas, a ONU recebe a denominação de terminal de rede óptica (optical network terminal-ont). Além disso, quando a OLT envia mensagens em broadcast, as ONUs reconhecem apenas mensagens destinadas a ela e ignoram as demais. Outra funcionalidade importante é a conversão do sinal óptico em elétrico para os dispositivos padrões, como telefones, computadores e outros equipamentos de aplicação do usuário final (SANTOS; ROSSI; CÉSAR, 2009). 11

12 Divisor Passivo (Splitter): É um dispositivo passivo capaz de combinar e dividir o sinal óptico: Em sentido downstream este dispositivo irá dividir o sinal de entrada e o direciona para todas as portas de saída que estão ligadas com as ONUs, assim como mostra a figura 3 (CARMEN; CARRASCO, 2007). Figura 3: Tráfego no sentido downstream No sentido upstream este dispositivo combina todos os sinais enviados desde as ONUs em direção ao OLT. Cada ONU estabelece comunicação direta com o OLT, mas não com as outras ONUs conforme mostrado na figura 4 (CARMEN; CARRASCO, 2007). Figura 4: Tráfego no sentido upstream Os dispositivos utilizados nas redes PON, como divisores/combinadores, reduzem significativamente o custo de implantação da fibra óptica nas redes de acesso, mas a arquitetura da rede também desempenha um papel fundamental neste objetivo. A utilização de componentes passivos reduz bastante os custos na infraestrutura e manutenção da rede óptica (CARMEN; CARRASCO, 2007)., (SANTOS; ROSSI; CÉSAR, 2009). Topologias das Redes PON As redes ópticas passivas podem ser implementadas por três topologias físicas: em anel, barramento ou árvore. Cada topologia apresenta características distintas, sendo implementadas conforme a necessidade. Algumas destas características são resumidas a seguir (KRAMER; PESAVENTO, 2002), (GILLESPIE, 12

13 1997). Topologia em Barramento A topologia em barramento, a OLT é interligada a diversas ONUs por meio de um segmento de fibra óptica que conecta vários divisores passivos (splitters) com fator de derivação 1:2. Estes splitters criam dois segmentos, um para a conexão à ONU e outro para o próximo divisor, assim como pode ser observado na figura 5. Essa topologia é útil para aplicações FTTC, na qual segmentos de fibras são instalados nos gabinetes de distribuição, localizados geralmente em armários ou postes, onde estão os divisores e/ou ONUs, que fazem a conectividade via fibra óptica, cabo coaxial ou sem fio para usuários finais. (LAGE; OLIVEIRA, 2006) (KRAMER; MUKHERJEE; PESAVENTO, 2005). Topologia em Anel Figura 5: Topologia em barramento. Na topologia em anel, duas ONUs são conectadas a uma OLT criando dois segmentos de transmissão. As demais ONUs são conectadas de forma serial, formando um barramento óptico, mostrado na figura 6. A principal vantagem é a proteção, pois caso ocorra um rompimento da fibra, o tráfego da rede circula na outra direção (LAM, 2007). Topologia em Árvore Figura 6: Topologia em Anel. Na topologia em árvore, uma OLT é conectada a um divisor óptico passivo por meio de uma fibra. A partir deste divisor, as ONUs são interligadas à OLT, como é apresentado na figura 7. Essa topologia no sentido downstream (OLT para ONUs)ela é ponto- multiponto (P2MP point-to-multipoint), já no sentido upstream (ONU para a OLT) ela é ponto-a-ponto (P2P - point-to-point). Uma grande vantagem dessa topologia se dá 13

14 pela redução de custos na estrutura da rede, porque ela utiliza menos componentes passivos que as demais topologias (LAM, 2007), (ARBIETO, 2007). Figura 7: Topologia em árvore. Vários aspectos são considerados ao se instalar uma determinada topologia. Uma delas é a simplicidade da topologia que permita a instalação e ampliação, sendo a topologia em árvore a mais adequada. Outra consideração é a distribuição geográfica dos usuários que serão atendidos. A topologia em árvore se adequa mais quando os usuários estão agrupados e as outras topologias quando eles estão mais dispersos (CARMEN; CARRASCO, 2007). A seguir serão apresentadas as técnicas de acesso múltiplo mais utilizados em redes PON. Técnicas de Acesso Múltiplo Nas redes PON é necessário controlar o acesso múltiplo ao canal na transmissão upstream, em razão de todas ONUs compartilharem a mesma fibra. A técnicas mais utilizadas são TDMA, WDMA, OCDMA, SCMA (KRAMER; MUKHERJEE; PESAVENTO, 2005). TDMA A técnica de acesso múltiplo por divisão no tempo (TDMA) divide a largura de banda total do enlace em vários canais. A distribuição de banda por esses canais é feita pela atribuição de um intervalo de tempo, denominado time slot (PERROS, 2005). O esquema TDMA permite que cada ONU utilize um timeslot fixo ou variável explorando toda a largura de banda do canal. A largura de banda disponibilizada para cada ONU pode ser estabelecida com base na necessidade, que é verificada periodicamente, ou baseada em contratos de serviço (Service Level Agreement - SLA). O SLA é um contrato de caráter legal, no qual a prestadora de serviços se compromete a prestar o serviço a uma empresa sob certas condições, indicando os requisitos mínimos aceitáveis para o serviço proposto (RAMASWAMI; SIVARAJAN, 1998). Os quadros upstream de diferentes ONUs são transmitidos de tal forma que alcancem o OLT de forma sequencial, o que requer uma sincronização cuidadosa das transmissões, considerando o período de tempo que leva a propagação do sinal de cada ONU até o OLT, para evitar colisão dos sinais. O controle da transmissão normalmente é realizado na central pelo OLT, indicando o instante em que a ONU deve enviar seus dados. Como este esquema utiliza um mesmo comprimento de onda para a transmissão, é necessário só um tipo de transceptor para todas as ONUs, facilitando a operação e manutenção do sistema. Consequentemente, os custos são menores que as outras técnicas (LAGE; OLIVEIRA, 2006) (ARBIETO, 2007). 14

15 WDMA O esquema de acesso múltiplo por divisão de comprimento de onda (WDMA-Wavelength Division Multiple Access) permite compartilhar o meio, disponibilizando um comprimento de onda diferente para cada ONU (BORELLA, et. all, 1997) (CISCO SYSTEMS, 2001). Desta forma, todas as ONUs podem transmitir pacotes simultaneamente na mesa direção utilizando toda largura de banda disponível, sem a necessidade de compartilhamento. Ao contrario do TDMA, que necessita de algoritmos para sincronização na transmissão upstream o WDMA é assíncrono. Nesta técnica, cada ONU deve operar com um comprimento de onda específico, e cada nova ONU adicionada deve operar em um comprimento de onda diferente dos que já foram registrados. Além disso, a OLT deve estar equipada com um conjunto de transmissores (KOONEN, 2006), (LEE; WAYNE; KIM, 2007). SDMA O esquema SCMA (Subcarrier Division Multiple Access) modula o sinal de cada ONU em diferentes frequências de portadora elétrica, modulando, subsequentemente, a intensidade da luz do diodo laser (KOONEN, 2006). O termo multiplexação por sub-portadora é utilizado para diferenciar esta técnica, que utiliza sub-portadora elétrica e portadora óptica, do esquema WDM. Neste esquema, cada ONU transmite basicamente na mesma frequência óptica, já que há uma mínima diferença entre elas. Portanto, o desempenho de uma rede SCMA é seriamente degradado pela interferência de batimento óptico (Optical Beat Interference - OBI), que é ocasionado quando a frequência óptica de um transmissor é muito próxima à frequência de outro, a diferença entre elas pode resultar em ruído de batimento no fotodetector do receptor (LEE; SORIN; KIM, 2006) (YAMAMOTO, et, all, 1999). OCDMA A técnica OCDMA (Code Division Multiple Access) identifica cada ONU por meio de uma palavra de código, a qual está representada em domínio óptico por uma determinada sequência de pulsos, onde todos os usuários podem transmitir ao mesmo tempo, utilizando toda faixa de frequência disponível. Este esquema não apresenta um limite fixo do número de usuários que podem ser suportados como os esquemas anteriores (KARAFOLAS; UTTAMCHANDANI, 1996). A limitação acontece de forma estatística, proporcionalmente ao aumento do número de usuários no sistema, resultando no aumento na interferência entre os canais. Uma desvantagem deste esquema está associado à necessidade de os dispositivos ópticos terem que manipular sinais ópticos em taxas muito mais elevadas que a taxa de dados do usuário, sendo necessário equipamentos mais sofisticados e de custo mais elevados (KOONEN, 2006, FOULI; MAIER, 2007). Esquemas Híbridos Também é possível implementar soluções PON híbridas (HPON) (GUTIERREZ, et. all, 2005). As técnicas WDM e TDM podem ser combinadas quando um subconjunto de ONUSs compartilharem um comprimento de onda comum. Essa arquitetura mantém a escalabilidade já que novos usuários podem ser adicionados a cada grupo sem a necessária adição de novo hardware ao OLT. A HPON foi proposta para tornar mais simples, flexível e com melhor custo- beneficio a migração da tecnologia TDM para WDM (CARMEN; CARRASCO, 2007) (LEE; SORIN; KIM, 2006). A tabela 1 mostra um comparativo entre de cada tecnologia de acesso múltiplo citada acima. Tabela 1: Vantagem e desvantagens tecnologias de acesso múltiplo redes PON ACESSO VANTAGENS DESVANTAGENS MÚLTIPLO 15

16 TDMA WDMA SCMA OCDMA Permite cada ONU utilizar uma fração da capacidade de comprimento de onda; Na OLT é necessário somente um transceptor independentemente dos número de ONUs; Consequentemente, os custos são menores. Fornece uma largura de banda alta; a implementação é muito simples; o esquema WDM pode utilizar um separador de comprimento de onda (Arrayed Waveguide Grating - AWG) em lugar do divisor de potencia (LEE; SORIN; KIM, 2006). Portanto, não são necessárias ferramentas de segurança para a transmissão na direção downstream, já que outras ONUs na PON não tem acesso a outros comprimento de onda downstream. Implementações Simples Não estabelece um limite fixo no número de usuários; provê segurança. Necessita de um gerenciamento mais complicado que o esquema WDM; as ONUs devem estar sincronizadas. Os altos custos dos equipamentos requeridos encarecem ainda mais o emprego destas soluções; Uma vez que uma ONU é adicionada ao sistema, também deve ser atualizada a infraestrutura do OLT (novo transceptor), a não ser que haja uma quantidade de transmissores de reserva. Estes inconvenientes tornam o esquema WDMA caro e momentaneamente inviável ou restrito. O sinal é degradado pela inferência de batimento óptica; utiliza-se um receptor no OLT de largura de faixa elétrica de pelo menos 2 vezes o agregado das N taxas de transmissão dos canais A interferência entre os comprimentos de onda aumenta com o numero de usuários; os componentes físicos devem operar a taxas maiores que a taxa de dados dos usuários. Fonte: CARMEN; CARRASCO, 2007 As diferentes técnicas de acesso ao meio citadas acima, a mais empregada tem sido a técnica TDM, porque nos permite uma infraestrutura economicamente mais viável (KOONEN, 2006), (LEE; SORIN; KIM, 2006). É importante ressaltar que este fato não impede que posteriormente possam ser atualizadas para utilizar WDM. Tecnologias TDM-PON As tecnologias TDM-PON mais em uso atualmente são: Broadband PON (BPON) (ITU G.983 Recommendations). Ethernet PON (EPON) (IEEE Standard 802.3ah). Gigabit PON (GPON) (ITU G.984 Recommendations). APON/BPON 16

17 Em julho de 1995, um consórcio de mais de 20 operadores de telecomunicações em todo mundo desenvolveu uma especificação e definiu um sistema de comunicação capaz de suportar uma vasta gama de serviços. Esta iniciativa, conhecida como Full Services Access Network (FSAN) (FSANWEB, 2010), especificou a APON (ATM PON), utilizando ATM (asynchronous transfer mode) como protocolo de camada MAC (Media Access Control). O nome APON, em referência ao protocolo ATM, poderia induzir usuários a acreditar que apenas serviços baseados em ATM poderiam ser suportados, e a terminologia foi trocada para BPON (Broadband PON). Em 2001, a União Internacional das Telecomunicações (ITU) definiu o padrão G.983 (ITU, 2010) para a rede BPON. Este primeiro padrão especifica a arquitetura BPON com taxa de transmissão assimétrica de 622 Mbit/s downstream e 155 Mbit/s upstream e simétrica de 155Mbit/s (ITU-T Recommendation G.983.3, 2002). Em 2002, esta especificação foi melhorada, aumentando a taxa de transmissão simétrica para 622 Mbit/s (ITU-T Recommendation G.983.3, 2002). Os padrões para BPON especificam desde a camada física até as tarefas de operação, administração, manutenção e provisionamento (Operation, Administration, Maintenance and Provisioning OAM&P) (GUTIERREZ, et. all, 2005). A BPON já pode ser considerada uma tecnologia legada tendo em vista que poucos provedores de serviço do Estado Unidos ainda a utilizam e, em breve, estas empresas mudarão suas arquiteturas e tecnologias para EPON ou GPON (CISCO, 2010). EPON Em novembro de 2000, o IEEE anunciou um grupo de estudos chamado Ethernet na primeira milha (EFM), que tinha como objetivo estender a Ethernet para a área de acesso do usuário. Os resultados deste grupo de estudos foram ratificados em junho de 2004, tornando-se o padrão IEEE 802.3ah (o EPON) (GUTIERREZ, et. all, 2005). Esta rede trabalha com pacotes de tamanho variável, diferentemente da rede anterior, o que permite grande eficiência no tratamento de tráfego IP. A EPON provê taxas de 1 Gbit/s nos dois sentidos usando o comprimento de onda 1490 nm para downstream e 1310 nm para upstream. O comprimento de onda 1550 nm é reservado para serviços adicionais, como o broadcast de vídeo analógico. Considerando que a cada OLT se conectam, tipicamente, 16 ou 32 ONUs, a largura de banda média para cada usuário seria em torno de 60 ou 30 Mbit/s, respectivamente. Em termos de evolução da EPON, o IEEE lançou a força tarefa P802. 3av para considerar a possibilidade de prover 10 Gbit/s no sentido downstream, e entre 1 e 10 Gbit/s para upstream (LEE; WAYNE; KIM, 2007). GPON Em 2001, o grupo FSAN começou o projeto para especificar um padrão mais flexível que suportasse taxas de transmissão mais elevadas em redes PON. A arquitetura GPON foi elaborada e aprovada pela ITU-T entre os anos de 2003 e 2004, resultando nas seguintes especificações (ITU-T G.984.x): a G detalha as características gerais do sistema; a G984 especifica os requisitos para a camada física e a G especifica a camada de enlace de dados. A GPON permite operar com taxas de 1,25 Gbit/s e 2,5 Gbit/s na direção downstream e 155 Mbit/s, 622 Mbit/s, 1,5 Gbit/s e 2,5 Gbit/s na direção upstream. A encapsulação é feita utilizando um protocolo genérico de formatação de quadros (Generic Framing Protocol - GFP), sendo 17

18 flexível tanto para o atendimento de tráfego em rajada quanto para tráfego em taxa de bit constante (Constant Bit Rate - CBR) (GUTIERREZ, et. all, 2005). O sistema GPON pode operar em modo de quadros Ethernet, em modo de células ATM ou em modo misto (KOONEN, 2006). O GPON combina as vantagens de QoS de ATM e a eficiência de Ethernet. O padrão ITU-T G.984 define algumas classes de redes PON de acordo com a potência enviada, sensibilidade do receptor, perda na fibra. Para a Classe A, por exemplo, a perda total na rede de distribuição irá variar na faixa de 5,0 a 20,0. Dessa forma a rede TDM-PON simulada em 20 km pode se enquadrar nesta classe. A potência máxima de um transmissor no OLT a uma taxa de 1,25 Gbit/s definida para esta classe é de +1dBm, assim como podemos observar na tabela 2. Tabela 2: Parâmetros de interface óptica de 1,25Gbit/s no sentido downstream (ITU G.984 Recommendations) ITENS UNIDADE ESPECIFICAÇÃO Attenuation range db Class A: 5-20 Nominal bit rate Mbit/s 1244,16 Operating wavelength nm Line Code - NRZ Modulation - QPSK Class B: Class C: Mean launched power dbm Class A: -4, Class B: +1 Class C: +5 MIN Mean launched power dbm Class A: +1 Class B: +6 Class C: +9 MAX Minimum sensitivity dbm Class A: -25 Class B: -25 Class C: -26 As principais características de padrões das redes PON são listadas na tabela 3 (ABRAMS, et. all, 2005). Tabela 3: Principais características das redes APON/BPON, EPON e GPON ARQUITETURAS APON/BPON EPON GPON Padrão ITU G.983 IEEE 802.3ah ITU G.984 Tamanho de células do pacote de dados 53 bytes Variável de 64 bytes até 1518 bytes Variável de 53 bytes até 1518 bytes Largura de banda Máxima 622 Mbit/s 1Gbit/s 2,5 Gbit/s Protocolo ATM ETHERNET GEM/ATM Comprimento de onda downstream Comprimento de onda upstream 1480 nm 1500 nm 1260 nm a 1360 nm 1490 nm ou 1510 nm 1480 nm a 1500 nm 1310 nm 1260 nm a 1360 nm Usuários na PON 32 16/

19 Largura de banda média por usuário 20 Mbit/s 60 Mbit/s/ 30 Mbit/s 40 Mbit/s Custos relativos Baixo mais baixo médio Eficiência 72% 49% 92% 19

20 Redes Ópticas Passivas I: Considerações finais Este tutorial parte I procurou apresentar inicialmente um breve descrição dos tipos de redes de acesso, sejam eles baseados em cabos de cobre ou fibra óptica. Em seguida apresentou uma descrição das redes ópticas passivas (as redes PON), e finalizou apresentando a tecnologia de multiplexação por divisão no tempo, conhecida pela sigla TDM-PON. O tutorial parte II apresentará inicialmente o software utilizado como ferramenta de avaliação da tecnologia PON para a elaboração deste trabalho, procurará caracterizar um transmissor e um receptor óptico, e tratará do principal elemento de uma rede PON, o splitter. A seguir apresentará os resultados numéricos das simulações de um rede TDM-PON com várias taxas de transmissões, e as conclusões obtidas. Referências ABRAMS, M; BECKER, P. C; FUJIMOTO, Y; O BYRNE, V; PIEHLER, D. FTTP Deployments in the United State and Japan-Equipament Choices and Service Provider Imperatives, Journal of Lightwave Technology, vol. 23, n.1 pp. 236, Acesso em: 15 agosto AGRAWAL, G. P. Fiber-Optic Communication Systems, Joinery & Sons, Inc, second edition, ARBIETO, C. O. C. Alocação dinâmica de largura de banda em redes EPON, dissertação de mestrado da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, BERNAL; SERGIO, P, M; FALBRIARD, C. Redes banda larga. São Paulo: Érica, p. BORELLA, M. S; JUE, J. P; BANERJEE, D; RAMAMURTHY, B; MUKHERJEE, B. Optical components forwdm lightwave networks. Proceedings of the IEEE, Vol. 85:pp: , August CALE, I; SALIHOVIC, A; IVEKOVIC, M. Gigabit Passive Optical Network - GPON, Proccedings of the ITI Int. Conf. on Information Technology Interfaces, Cavtat, Croácia, pp.25-28, junho CARMEN, O; CARRASCO, ARBIETO. Alocação Dinâmica De Lagura De Banda em Redes EPON, Simpósio Brasileiro de Telecomunicações SBRT 2007, pp. 1-6, CISCO SYSTEMS. Introduction to dwdm for metropolitan networks. Cisco Systems, Inc., pages available online at last accessed , June Décibel vs Percentagem. Comunicação Óptica Abel Costa Feup (DEEC). BARROS, M.R.X; ROSSI, S.M; REGGIANI, A.E; AGUIAR, J.G. D; DINI, D.C.,, M.R. Salvador, R. Bernardo, R.F. Silva, M. P Mokarzel, R.A.Moreira, V. Corso, Avaliação de Topologias para Redes GPON com Distribuição Assimétrica, CPqD Cadernos de Tecnologia, V.3, N. 2, artigo 5, DERICKSON, D. Fiber Optic Test and Measurement, Prentice Hall, New Jersey, DODD, Annabel Z. O guia essencial para telecomunicações. 2. ed. Rio de Janeiro: Campus, p. EKLUND, C. R.B; STANWOOD K.L. A technical overview of the wirelessman air interface for 20