Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM

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1 Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM Júlio César R. F. de Oliveira *, Luis Renato Monte, Juliano R. F. de Oliveira, Roberto Arradi, Giovanni C. dos Santos, Alberto Paradisi Este artigo apresenta as funcionalidades, o desenvolvimento e as aplicações de um Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM). A construção do ROADM tem como base um módulo de chaveamento e demultiplexação com tecnologia Planar Lightwave Circuit (PLC), que permite a inserção e retirada de canais ópticos em um sistema WDM. Além da inserção e derivação de canais de forma transparente, o ROADM oferece mecanismo de proteção rápida, interfaces de gerência (proprietária serial e Ethernet e SNMP), além de empacotamento mecânico compacto. A utilização de ROADMs eleva substancialmente o nível de reconfigurabilidade das redes ópticas, pois aumenta (otimiza) a capacidade de transmissão e permite a reconfiguração ou até mesmo a ativação de novos circuitos ópticos por meio de comandos remotos, ocasionando uma redução significativa nos custos de manutenção e de operação das redes ópticas WDM. Palavras-chave: ROADM. DWDM. Reconfigurabilidade. Proteção óptica. Redes WDM. 1 Introdução Redes ópticas com roteamento de comprimento de onda (canais) proporcionam aos sistemas de comunicações um grande aumento em sua capacidade de transmissão por meio da otimização da utilização das fibras ópticas disponíveis nos backbones. Nesse tipo de rede, o provisionamento, a proteção e a restauração de caminhos ópticos são processos dinâmicos e automáticos. Essas funções são realizadas por meio de elementos capazes de promover a inserção e a remoção de sinais em determinados pontos da rede, proporcionando um elevado grau de reconfigurabilidade (OLIVEIRA et al., 2005). Na implementação de uma rede óptica com multiplexação de comprimentos de onda (redes WDM), o provisionamento e a reconfiguração das rotas que a compõem representam uma necessidade fundamental, principalmente no caso das redes metropolitanas, cujos serviços de transporte de alta capacidade voltados para as grandes áreas de negócios apresentam custos excessivos que, em sua maior parte, devem-se à configuração manual da rede. As operadoras da camada óptica necessitam do provisionamento de comprimentos de onda em seus anéis DWDM metropolitanos a um custo bem menor que o oferecido pela tecnologia atualmente disponível. Com base nessas considerações, algumas empresas fornecedoras de sistemas WDM trabalham no desenvolvimento de Multiplexadores Ópticos Deriva/Insere Reconfiguráveis (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer ROADMs), que apresentem preços acessíveis e um sistema de produção atrativo (em escala). Muitas empresas e especialistas não consideram alto o valor de mercado de um ROADM quando considerados os benefícios resultantes de sua implementação na rede e a possibilidade de amortização total em alguns meses. O ROADM permite que os servidores de serviços abram uma janela em um computador e provisionem uma conexão fim-a-fim de maneira simples e remota. Exemplos: uma conexão Gigabit Ethernet ou qualquer outra aplicação de alta velocidade de longa distância ou na área metropolitana. Semelhantemente à Virtual Private Network (VPN), a conexão é rapidamente estabelecida quando selecionamos a origem e o destino, sendo que, no caso do ROADM, a conexão é feita na camada óptica. Com a tecnologia DWDM instalada atualmente, que se baseia em sistemas ponto-a-ponto com Multiplexadores Ópticos Deriva/Insere Fixos (OADMs) entre os terminais, o cenário é bem diferente do descrito. Há a necessidade de configuração manual para cada serviço de nova conexão (mesmo inter-office), não só nos extremos do enlace, como em cada um dos OADMs. Para adequar as redes ópticas à dinâmica dos sistemas metropolitanos (metro ou regional), cujo tráfego é imprevisível, a reconfigurabilidade é imprescindível, uma vez que o tráfego previsto apresenta grande variabilidade em relação ao que realmente é utilizado. Essa reconfigurabilidade será o primeiro grande impacto (e mais imediato) causado pela utilização dos ROADMs. Na Seção 2, um subsistema contendo um ROADM é apresentado e são discutidas as diferentes tecnologias de fabricação. Na Seção 3, são abordadas as novas funcionalidades *Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: julioc@cpqd.com.br. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez. 2006

2 Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM apresentadas no cenário das redes ópticas ágeis. Em seguida, a Seção 4 apresenta o desenvolvimento da solução ROADM e as funcionalidades do módulo adquirido, assim como o plano de comunicação utilizado, a gerência e o mecanismo de proteção óptica. Por fim, é apresentada a conclusão. 2 Evolução das redes ópticas Os ROADMs são considerados um avanço tecnológico e não uma opção de substituição dos sistemas Sonet/SDH. Por meio dos multiplexadores, o método de organização do Sonet/SDH é modificado, ou seja, em apenas um par de fibra é possível, de forma transparente, utilizar 32 ou 40 canais entre quaisquer pontos de acesso do anel, sem a predefinição de canais ou qualquer reconfiguração manual. A Figura 1 ilustra o elemento ROADM inserido em um sistema óptico de nova geração, composto por Canal de Supervisão (OSC), Módulo Compensador de Dispersão (DCM), transponders, ROADM e amplificadores ópticos na entrada e saída do nó (METCONNEX, 2006). O ROADM realiza as funções de inserção e retirada dos canais, assim como o controle de atenuação por canal (equalização). Os benefícios resultantes da utilização dos ROADMs serão apresentados em etapas. A contribuição mais imediata está relacionada à equalização das perdas entre os comprimentos de onda do anel, reduzindo assim a necessidade de equipamentos capazes de elevar a potência de saída (amplificadores ou transponders) dos canais do sistema. Em um segundo momento, com o aumento da demanda por serviços para suporte de redes de armazenamento (Storage Area Networks SANs) e outras aplicações (office-to-office), a reconfigurabilidade torna-se imprescindível. As diferentes tecnologias utilizadas na fabricação dos ROADMs Planar Lightwave Circuit (PLCbased), Integrated Wavelength Selectable Switch (IWSS), entre outras apresentam certa flexibilidade, tornando possível a utilização dos ROADMs nas mais diversas configurações de uma rede óptica. As topologias, como rede em anel, em barramento ou rede em malha, são suportadas pelos ROADMs sem a necessidade de conversão óptica-elétrica-óptica. A tecnologia necessária para a implementação de ROADMs baseia-se em componentes discretos conhecidos como atenuadores ópticos variáveis, splitters, chaves ópticas, multiplexadores e demultiplexadores, existentes no mercado há algum tempo. No entanto, a dificuldade de integração desses componentes a um produto compacto e com a possibilidade de produção em escala eleva substancialmente o custo dos ROADMs, tornando-os inicialmente inviáveis para muitas operadoras. Em poucos anos, a tecnologia de fabricação evoluirá significativamente, e o problema de compactação e produção em escala terá melhorado substancialmente em razão de tecnologias como a PLC (ELADA et al, 2006). Por meio dessa tecnologia, todos os componentes ópticos necessários de uma placa (wafer) de silício são integrados e interligados, possibilitando a manufatura confiável e em grande escala. Outras tecnologias, como as que se baseiam em MEMs (Micro-Electro-Mechanical Systems) e bloqueadores de comprimento de onda, encontram sérias barreiras relacionadas à confiabilidade e ao processo de manufatura. 3 Redes ópticas ágeis (AONs) Fonte: Metconnex Figura 1 ROADM em um nó de uma rede óptica O cenário atual no mundo das comunicações ópticas apresenta cada vez mais a tendência de reconfigurabilidade das redes. O conceito de reconfigurabilidade não se refere somente a ROADMs, mas abrange a idéia de uma rede inteiramente reconfigurável, composta por transponders sintonizáveis, amplificadores com controle de ganho e supressão de transientes, entre outros. Esse tipo de rede permite reduzir custos por meio da otimização do desempenho das redes e da utilização da infra-estrutura de fibras ópticas existente. Nesse contexto, o termo redes ópticas ágeis (Agile Optical Networks AONs) compreende uma rede (D)WDM reconfigurável dinamicamente, projetada para acelerar os serviços triple play e habilitar aplicações avançadas na camada óptica (comprimento de onda) com significativa redução de custos. De acordo com relatórios de mercado (OVUM, 2006), o mercado para os ROADMs principais elementos das AONs superará o mercado dos OADMs ainda neste ano e alcançará um crescimento de mais de 40% ao ano. 72 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez. 2006

3 Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM Rede fixa AON Reconfiguração Ajuste OADM fixo Instalação de transponder Ajuste ganho do amplificador Caracterização do enlace Ajustes finais e teste do enlace Reconfiguração Clique Figura 2 Aprovisionamento de um novo comprimento de onda: rede fixa e AON A natureza da reconfiguração dinâmica das AONs oferece vantagens de custo e competitividade únicas, pois possibilita aos provedores de serviços de comunicações usar de maneira mais eficiente e com maior escalabilidade a capacidade da rede, por meio de um mecanismo rápido e fácil de provisionamento e da possibilidade de modificação da topologia da rede com o uso de simples comandos no seu sistema de gerenciamento. A Figura 2 ilustra uma comparação entre o provisionamento em uma rede fixa convencional e em uma AON. Na rede fixa, é necessário seguir os diversos passos e realizar manualmente os procedimentos em diferentes localidades. Nas redes AONs, baseadas em transponders sintonizáveis e ROADMs, a reconfiguração é realizada remotamente e em sua totalidade, de modo que todas as etapas manuais da reconfiguração em rede fixa podem ser eliminadas. A reconfiguração remota é realizada por meio do aplicativo de gerência, que deve ser instalado em um computador conectado à rede TCP/IP (DCN) da operadora detentora do sistema óptico utilizado. A reconfiguração em si é realizada por meio da gerência, que se comunica com os módulos de inserção e retirada de canais por meio de um canal de comunicação Ethernet (até o ROADM) e I2C (internamente ao ROADM). Na interface disponibilizada com o usuário, a gerência executa qualquer reconfiguração de tráfego ou mudança de topologia da rede óptica em qualquer ROADM conectado. Grandes empresas têm adequado seu portfólio de produtos às necessidades das AONs, permitindo que os serviços em comprimento de onda se adaptem à demanda de tráfego de forma remota e eficiente, suportando, a um custo compatível, o desenvolvimento de novos serviços. Neste sentido, o primeiro passo para promover a migração de redes fixas para redes reconfiguráveis é a inserção de ROADMs nas redes fixas existentes. Os benefícios de reconfigurabilidade e proteção proporcionados pelo ROADM continuarão válidos, mesmo se utilizados na infra-estrutura das redes fixas tradicionais. Dessa maneira, o ROADM pode ser utilizado tanto como upgrade das redes fixas existentes quanto na implementação das AONs. 4 Solução ROADM em desenvolvimento Como resposta à demanda crescente por reconfigurabilidade na camada óptica, alguns fabricantes de sistemas e componentes apresentam soluções que viabilizam a construção de ROADMs. Essas soluções encontradas no mercado se baseiam, em sua maioria, nos módulos capazes de realizar a inserção e retirada dos canais, com variações nas funcionalidades de equalização, possibilidade de proteção e a otimização para cada tipo de topologia de rede. Entretanto, as etapas da construção do produto ROADM, como firmware de controle, placa de circuito impresso com suporte a controle e equalização, mecanismo de proteção, gerência e empacotamento mecânico, são realizadas por quem os adquire. Dessa maneira, a construção do produto ROADM é de responsabilidade das áreas de desenvolvimento das operadoras ou empresas de sistemas. Para posicionar e atender as operadoras e o mercado nacional de sistemas WDM, o CPqD desenvolve uma solução ROADM, que provê, além da inserção e retirada de canais, um mecanismo de proteção rápida (< 50 ms), gerência SNMP, gerência proprietária com interfaces serial e Ethernet, além de topologia otimizada para operação em redes do tipo anel (2-D leste e oeste), que constitui a maior parte da rede, mas também com suporte para redes em Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez

4 Ethernet/Serial Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM barramento (linha reta). Quanto ao módulo responsável pela inserção e retirada de canais, optamos pela tecnologia PLC em virtude da alta densidade de componentes que proporcionam um compacto empacotamento, confiabilidade e da manufatura eficiente que já está provocando uma sensível queda nos preços dos módulos. Nas próximas subseções, o módulo escolhido, o plano de comunicação entre hardware/firmware e gerência, a própria gerência e o mecanismo de proteção em desenvolvimento são apresentados. 4.1 Módulo ROADM e suas funcionalidades O módulo ROADM é composto por duas unidades básicas: o Reconfigurable Optical Add Multiplexer (ROAM) responsável pela inserção de até 40 canais e pelo controle da perda por comprimento de onda (equalização) e o Demultiplexer (Demux) responsável pela retirada dos canais. Em ambos os módulos, são realizadas as monitorações de potências, por canal e total, e o controle por meio da utilização de atenuadores ópticos variáveis, tanto por canal como na potência total. Como comentado anteriormente, os módulos possuem as funcionalidades básicas para a construção de um ROADM. No entanto, toda a inteligência necessária (firmware de controle e operação) e as demais etapas já citadas necessitam ser desenvolvidas com base nos módulos. A Figura 3 ilustra a arquitetura 2-D (leste e oeste) adequada para redes com topologia em anel ou em barramento, adotada pelo CPqD para o desenvolvimento do ROADM. Há duas funções básicas, uma para cada sentido, executadas no ROAM. A primeira delas, em um dos sentidos, é a divisão do sinal (canais transmitidos) e seu envio ao Demux e a outro ROAM. No Demux, para retirada dos canais que têm esse nó como ponto final, e no ROAM, para passagem dos canais que não possuem esse nó como destino final. A segunda função do ROAM é promover a inserção dos canais por meio de chaves ópticas 2x1 alocadas para cada canal, possibilitando assim, de acordo com o posicionamento da chave, a inserção de um novo canal ou a passagem expressa de um canal. No Demux, em ambos os sentidos, é realizada a demultiplexação do sinal, assim como a monitoração por canal da potência óptica que se propaga na rede. Dadas as funcionalidades dos módulos, o produto necessita, primeiramente, de uma infraestrutura básica capaz de energizar o módulo, comunicar-se com a gerência da rede, ler e tomar decisões com base na análise dos alarmes gerados pelo módulo, para só então poder inicializar a operação. Fonte: JDS Uniphase Corporation (Integrated PLC Reconfigurable Optical Add Module - Product Especification) Figura 3 Diagrama de blocos do ROADM em desenvolvimento 4.2 Plano de comunicação (hardware/ firmware/gerência) A definição do plano de comunicação entre o hardware, o firmware e a gerência é uma fase fundamental no processo de desenvolvimento do ROADM. Nessa fase de desenvolvimento, são definidos os padrões de comunicação entre as unidades de processamento e os módulos, levando em consideração a inteligência de rede desenvolvida para o ROADM. A Figura 4 apresenta um esquema das comunicações existentes no ROADM em desenvolvimento. Os módulos comunicam-se com as unidades de processamento e as unidades de processamento comunicam-se entre si e com a gerência da rede. No ROADM, são utilizados diversos padrões de comunicações, como Ethernet, serial, SPI, entre outros. Entretanto, parâmetros como velocidade, sincronismo e segurança definem a utilização de cada um dos padrões de acordo com a função que a comunicação desempenhará no ROADM. UP UP Ethernet/Serial Módulo I Módulo II Figura 4 Plano de comunicação interno do ROADM 4.3 Gerência O princípio que define as AONs é a possibilidade de reconfiguração remota da rede óptica, reduzindo drasticamente os custos de manutenção da rede e acelerando sua reconfiguração. Nesse contexto, a gerência da rede exerce um papel fundamental, uma vez que é por meio dela que se dará todo o processo de reconfiguração. Há uma grande necessidade de 74 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez. 2006

5 Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM que a gerência visualize e atue no ROADM de forma simples e rápida, sendo capaz de obter o status dos alarmes e de configurar novas rotas. Para que tais funcionalidades sejam efetivadas, é importante que o ROADM possua uma rápida interface de comunicação com a gerência (padronizada ou proprietária). No ROADM em desenvolvimento no CPqD, tanto uma gerência padronizada como uma proprietária estão sendo construídas. A gerência padronizada baseia-se no protocolo Simple Network Management Protocol (SNMP) e é utilizada tanto para aquisição ou escrita de qualquer objeto da Management Information Base (MIB) definida como para a geração de traps (avisos), que informam uma máquina predefinida pelo gerente da rede sobre qualquer anormalidade na operação. A gerência proprietária é responsável pela configuração e reconfiguração da rede (realizada por meio de uma interface gráfica) e também é capaz de ler e escrever em qualquer objeto da MIB do ROADM. 4.4 Proteção na camada óptica Nas redes fixas já instaladas, a proteção na camada óptica representa um custo muito significativo, tanto na implantação como na manutenção da rede. Usualmente, são utilizadas chaves eletroópticas na recepção de cada canal. Algumas operadoras constroem um outro sistema para proteção, idêntico ao que está em operação. Dessa maneira, a proteção nas redes fixas atuais é substancialmente elevada, podendo inclusive aumentar em 100% o custo com a implantação. Utilizando ROADMs e conceitos de engenharia de tráfego e proteção em redes ópticas, é possível projetar um algoritmo de proteção óptica rápido e eficiente, baseado apenas nas chaves ópticas e nos pontos de monitoração de potência presentes no ROADM. Um algoritmo com essas características está em desenvolvimento no CPqD para ser utilizado no ROADM. 5 Conclusão O cenário atual das comunicações ópticas revela a necessidade de maior agilidade e otimização da infra-estrutura, assim como de uma redução dos custos de manutenção das redes ópticas. Dessa maneira, a reconfigurabilidade das redes surge como uma das soluções mais promissoras. De transponders sintonizáveis, passando por amplificadores inteligentes até ROADMs, a migração das redes fixas para as reconfiguráveis tornou-se uma tendência cada vez mais forte, principalmente após os avanços tecnológicos que possibilitaram a fabricação em escala de módulos ROADMs a preços viáveis. O ROADM em desenvolvimento tem como finalidade não só a redução dos custos e a obtenção de um alto grau de reconfigurabilidade resultante de sua implantação, mas também o posicionamento das operadoras e do mercado brasileiro de sistemas WDM em um estado de vanguarda no que diz respeito a subsistemas ópticos. As patentes referentes às fases de desenvolvimento do ROADM e ao subsistema ROADM de 40 canais baseados em PLC, descritas neste artigo, estão sendo elaboradas para prover proteção intelectual aos resultados obtidos. Referências ELADA, L. et. al. 40-channel ultra-low-power compact PLC-based ROADM subsystem. In: OFC (OPTICAL FIBER COMMUNICATION CONFERENCE AND EXPOSITION), Anaheim, EUA, METCONNEX. ROADM Architectures and Implementations. Disponível em: < Acesso em: 12 set OLIVEIRA, J. C. R. F. et al. EDFA com controle automático de ganho eletrônico para aplicações em redes WDM. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES, Campinas, Brasil, OVUM. Transition to Agile Optical Networks drives ROADM and related modules growth. Disponível em: < _modules_oc_global_ pdf>. Acesso em: 12 set Abstract This paper introduces the detailed analysis of a Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer (ROADM) functions, development and applications. The ROADM is built on an optical module composed by optical switches and demultiplexers based on PLC technology (Planar Lightwave Circuit), which provides the add/drop functions to optical channels of WDM systems. Besides transparent channel add/drop, the ROADM provides a fast protection mechanism, proprietary (Serial and Ethernet) and SNMP management interfaces, and a compact package. ROADMs improve substantially the optical network reconfigurability level, increasing and optimizing the transmission capacity and enabling remote reconfigurations of new optical circuits, in addition to reducing significantly the installation and operational costs of WDM networks. Key words: ROADM. DWDM. Reconfigurability. Optical protection. WDM networks. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez

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