Engenheira Eletricista com Habilitação em Telecomunicações pela Faculdade Pitágoras (Julho de 2010).

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1 Soluções de Atendimento em Fibra Óptica I Esta série de tutoriais apresenta o estudo para implantação da tecnologia GPON aplicada à solução FTTH em um condomínio de alto padrão fornecendo serviços como voz, dados e imagem, com taxa de downstream de até 2,5 Gbit/s. Na Rede Óptica Passiva não há equipamentos ativos no meio do enlace entre cliente e prestador de serviço, permitindo que o prestador possua uma rede de acesso de baixo custo de implantação e manutenção quando comparada à rede metálica e o número de acessos que a mesma oferece. As novas redes ópticas passivas ampliam a largura de banda disponível para o atendimento e, além disso, permite o aproveitamento das estruturas de redes já existentes e, no futuro disponibilizarem altas taxas de velocidade compatíveis para o atendimento aos serviços da Futura Geração de Banda Larga. Contempla também o histórico de surgimento da Fibra Óptica e Redes Passivas, bem como seu princípio de funcionamento, multiplexação do sinal óptico, equipamentos e maneiras de entrega do sinal através das soluções FTTx. Os tutoriais foram preparados a partir do trabalho de conclusão de curso Soluções de atendimento em Fibra Óptica, elaborado pela autora, e apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica, da Faculdade Pitágoras, como requisito parcial para a obtenção do título de Graduado em Engenharia Elétrica. Foi orientador o Prof. Marcelo dos Santos Menegazzo. Este tutorial parte I apresenta um breve histórico do surgimento da fibra óptica e das redes que a utilizam, descreve as Redes Ópticas Passivas, os equipamentos básicos de uma rede PON, seu Protocolo de transporte e os diversos tipos de multiplexação em comprimento de onda, e as topologias possíveis para uma Rede Passiva. Patrícia Beneti de Oliveira Engenheira Eletricista com Habilitação em Telecomunicações pela Faculdade Pitágoras (Julho de 2010). Atuou como Monitora de Informática na CDM Informática, ministrando aulas de informática básica (Windows, Word, Excel, Power Point) e avançada (Corel Draw, Photoshop, Access), como Analista de Suporte na Rodosis Rastreamento de Veículos, provendo suporte por telefone para os sistemas da empresa, como Instrutora de Informática na Methodos Informática Ltda, planejando, preparando e ministrando cursos de de informática básica (Pacote Office, Windows e Internet) e informática avançada (Corel Draw, Photoshop, Flash e Dreamweaver). Atuou também como Analista de Suporte Técnico na Altatech Soluções em Tecnologia / Sandoz Indústria Farmacêutica Ltda, provendo suporte, formatação e configuração de Workstation e Laptops em rede, 1

2 suporte remoto, conexão e configuração de Internet Wireless / a cabo via VPN e instalação e configuração de sistema e acesso da ferramenta SAP. Atuou ainda como Estagiária na Sercomtel S.A Telecomunicações, executando atividades de planejamento de dados e transmissão para as redes existente, configuração de equipamentos e planejamento e execução de projetos de atendimento de clientes das redes de transmissão e de dados. Categoria: Redes Ópticas Nível: Introdutório Enfoque: Negócios Duração: 15 minutos Publicado em: 22/11/2010 2

3 Fibra Óptica I: Introdução Histórico Desde o início dos tempos o homem já utiliza a luz como meio de comunicação. Sinais de fogo no alto de colinas com o objetivo de transmitir a informação de que um exército se aproximava também com o advento das lâmpadas a utilização de reflexão de luz por faróis costeiros, com o objetivo de orientação para navios. Estes primeiros sistemas de comunicação tinham entre si duas dificuldades: a capacidade de informação transmitida e a distância que essas informações alcançam. Mas já no principio pode-se identificar a utilização de três elementos básicos de um sistema de comunicação: transmissor (farol e seu espelho refletor da luz), meio de transmissão (ar) e o olho humano como receptor (necessário entender a codificação usada). O desenvolvimento da comunicação por fibras ópticas data do século XIX. Uma das importantes descobertas para o inicio de transmissão a longas distancias foi realizado pelo matemático Willebrord Snell, em 1621, onde o mesmo descobriu que quando a luz atravessa dois meios sua direção muda, descrevendo assim o princípio de refração da luz, fenômeno que foi demonstrado pelo mesmo através de uma vara em um copo de água. Já em 1840, os cientistas e físicos suecos Daniel Colladon e o francês Jacques Babinet, demonstraram que a luz pode ser guiada através de um jato de água curvo confirmando o Principio de Reflexão Interna Total (TIR), onde os créditos deste fenômeno foram atribuídos a John Tydall em 1870, quando o mesmo demonstrou a Sociedade Real Britânica este princípio (WOODWARD, 2005). Em 1880, Alexandre Graham Bell, inventou o fotofone, um sistema de comunicação por luz. O equipamento refletia a luz do sol por um espelho fino modulado pela voz, a luz modulada incidia sobre a célula de selênio que convertia a mensagem em corrente elétrica e enviava aos fones onde a mesma era reproduzida (WOODWARD, 2005; JESZENSKY, 2004). Após quase 100 anos da descoberta de John Tydall, em 1960 com a invenção do laser, a capacidade de banda para comunicação aumentou exponencialmente, e o pensamento antes futurista de redes de comunicações ópticas começava a se concretizar. As primeiras fibras possuíam 1000 db (decibéis) de atenuação por quilometro. Segundo estudos realizados pelo Dr. Charles K. Kao, o primeiro a demonstrar a baixa perda de potencial em fibras de sílica para longas distâncias em 1966, com perdas na fibra a 20 db/km, o problema de perdas não é causado por deficiências inerentes do material, mas por falhas no seu processo de fabricação. Assim em 1970, a primeira fibra realmente com baixas perdas foi desenvolvida e nos sistemas de comunicação torna-se prático com uma atenuação por quilometro, já em 1979 de 0,2 decibéis por quilometro (WOODWARD, 2005). O custo de se instalar a fibra para atendimento ainda era inviável, mas a forma de se entregar banda larga (principalmente vídeo) estava mudando. Investimentos para se atender ponto-a-ponto já eram viáveis no final dos anos 70 em fibra multímodo. A primeira aplicação comercial da fibra em sistemas de comunicação ópticos ocorreu em 1977 pela a 3

4 AT&T e GTE, usando fibras ópticas de índice gradual e operando a 45 Mbit/s, para o atendimento dos sistemas telefônicos de seus clientes comerciais (WOODWARD, 2005; AGRAWAL, 2002). O aprimoramento da fibra ao longo dos anos levou ao aumento considerado da banda de transmissão, assim em 1986, no laboratório da Bristish Telecom (BT) na Inglaterra, com o trabalho pioneiro de Keith Oakley e Chris Todd iniciou-se o desenvolvimento do conceito PON (Passive Optical Network). Até então as redes trabalhavam com bandas estreitas a Telefonia sobre PON (TPON). Utilizando modulação TDM, o TPON era limitado a 2 Mbit/s, sendo essa capacidade utilizada para telefonia e ISDN, mas não para transmissão de dados. O TPON não teve sucesso na área comercial, sua evolução no atendimento em banda larga para empresas idealizou-se através da Broadband PON (BPON) (WOODWARD, 2005; AGRAWAL, 2002). Na década de 1990, a BT continuou o desenvolvimento de suas redes PON e conceituou a utilização de amplificadores ópticos nas arquiteturas de rede pelo SuperPON, tendo como enfoque maximizar o compartilhamento das redes PON em um enlace de longo alcance usuários a uma distância de 100 km. A fundação européia Advanced Communication Technologies and Services (ACTS) continuou o SuperPON até 1999 com o projeto AC050 PLANET, onde a sigla PLANET significa Photonic Local Access Network. Com o passar dos anos a Nippon Telegraph and Telephony (NTT) continuou os seus estudos sobre a fibra, já que em 1978 foi a primeira a fabricar fibras ópticas monomodo, em 1996 ofereceu TV a cabo (CATV), VoD e serviços de Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI) para usuários residenciais e caminhos virtuais para usuários corporativos e do tipo Small Office/Home Office (SOHO), através de um sistema proprietário. A partir de 1997, a NTT desenvolveu uma sucessão de sistemas BPON combinadas com o protocolo ATM, e até o ano 2000 o ATM-PON estava em quase todo o Japão, usando recomendação da G.983 da International Telecommunication Union (ITU): inicialmente obtinha 155 Mbit/s simétricos, suportando ATM em 155,52 Mbit/s monomodo e multímodo óptico, taxa que após foi aumentada para 622 Mbit/s (WOODWARD, 2005). Gradativamente, a fibra óptica, é utilizada nos novos enlaces de comunicação das operadoras substituindo as redes de pares metálicos (cabos de cobre). Tem-se como destaque o lançamento, em dezembro de 1988, do TAT-8, primeiro cabo óptico transatlântico que entra em operação. Uma nova tecnologia de multiplexação aumentou ainda mais a taxa de transferência de bits pela fibra, o WDM (Wavelength Division Multiplexing) Multiplexação por comprimento de onda. Esta multiplexação aumentou a capacidade de transmissão da fibra já implantada, além de tornar possível uma interação entre a atual e a próxima geração de tecnologias. Entre 1993 e 2004, as comunicações ópticas se desenvolveram intensamente, e a fibra que já é utilizada nas Redes Core (enlaces nacionais, continentais e mundiais), passaram a ser aplicada em enlaces de Redes Metropolitanas (entre cidades) e em Redes de Acesso (enlace local na cidade). A primeira rede óptica instalada na América Latina opera desde A rede da RNP (Rede Nacional de Ensino e Pesquisa), conhecida por rede Ipê, possui 27 pontos de presença (PoPs) e interliga principalmente universidades federais e centros de pesquisa. Soluções FTTx para distribuição do acesso na última milha também já são aplicadas nos grandes centros, 4

5 segundo publicação na Revista Teletime, de março de 2009: A própria Oi já testa desde meados de 2007 um serviço de VOD, dados e voz na Barra da Tijuca, Zona Sul do Rio de Janeiro, em um projeto de fiber-to-the-home (FTTH). Também a empresa Telefônica possui uma rede FTTH nas cidades de Sorocaba, Santos, Campinas e região metropolitana de São Paulo, mas esta rede trafega apenas dados e voz, pois a operadora não dispõe de licença para transmissão de TV. A operadora GVT adentra com solução FTTN (Fibra até o nó) e Ricardo Sanfelice, diretor de marketing e produtos da empresa, explica que os armários estão espalhados num raio de 800 metros a no máximo um quilômetro de distancia dos usuários, podendo-se realizar o atendimento final em altas taxas com tecnologia ADSL implantada (Teletime, Março 2009). Dentre as especificações e exigências, as recomendações PON baseadas em tecnologia ATM são desenvolvidas pelo comitê Full Service Access Network (FSAN) e aprovadas pela ITU. Entre os países mais recentes que estão implantando tecnologia PON se enquadram Japão, Coréia e EUA (LIN, 2006). Motivação e Objetivos O mercado atual de telecomunicações teve nos últimos anos um aumento exponencial da taxa de banda de transmissão e recepção de dados. Segundo dados do último estudo de banda larga realizado pelo IDC (Internacional Data Group) em parceria com a Cisco, estima-se que existam mais de 26,8 milhões de conexões de Banda Larga na América Latina informação prevista para dezembro de 2008 e que para o ano de 2010, o Brasil atinja a meta de 15 milhões de conexões, sendo que a faixa de velocidade de transmissão de banda larga que apresentou maior crescimento no primeiro semestre de 2009 foram às solicitações de 2 Mbit/s, que representam 16% das conexões no Brasil (Cisco, 2009). Desde outubro de 2008, o KDDI, segundo maior operador fixo no Japão, disponibiliza conexões residenciais de 1 Gbit/s, utilizando fibra óptica até a residência (FTTH), na região de Tóquio e em Hokkaido, na época o serviço custava R$ 95,00 (ou 5560 ienes, moeda local). Nesta mesma rede, outra operadora HIKARI-one, oferece serviço de 100 Mbit/s. Diversas formas de regulamentação da banda larga foram implantadas em países como Japão, Coréia do Sul, União Européia, Finlândia, França, Reino Unido, Estados Unidos, Canadá, México, Chile e Austrália. Esta última em abril de 2009 anunciou um projeto de banda larga FTTH. Apresentam-se na figura 1 os poucos países tem redes abrangentes de fibra para domicílios e empresas. 5

6 Figura 1: Principais países em penetração por domicílios da configuração FTTH/B até o 4º trimestre de 2008 (Fonte: FRIEDRICH et al, 2009) Mediante análise de Mobilidade, Velocidade de Conexão e custo efetivo medido em bits por unidade monetária, mostrados na figura 2, realizamos uma rápida análise da expansão de acesso. Observa-se que no quesito velocidade, o desempenho da fibra óptica é maior no mercado de tecnologias hoje oferecidas para tráfego IP, o que aprova o seu custo efetivo. A sua superioridade mostra o futuro de redes cabeadas é a utilização de fibra óptica funcionando como um indutor de maior eficiência não só em telecomunicações, mas também na economia. 6

7 Figura 1 - Performace das Tecnologias aplicadas em Banda Larga (Fonte: OECD, 2006) Atualmente as operadoras entregam aos usuários domiciliares taxas de ordem de Megabits através de cabo metálico par trançado, mas para este tipo de tecnologia tem-se a limitação no atendimento pela distância do usuário ao ponto de presença mais próximo. Cada vez mais consumidores buscam por maiores velocidades de banda e a preços acessíveis e, as prestadoras de serviços vêem neste mercado consumidor, um potencial de crescimento e substituição de suas redes metálicas por redes ópticas. As redes ópticas passivas adentram com tecnologia que permite sistemas com baixo custo e elevada largura de banda, além de proporcionar distancias maiores para o atendimento e evitar as complexidades de se manter equipamentos durante o enlace, visto que não há equipamentos eletrônicos somente passivos. Este trabalho dispõe de um estudo sobre a rede óptica passiva, e os diferentes tipos PON, bem como seu funcionamento, equipamentos e protocolos de comunicação utilizados. E realizar o dimensionamento de uma PON utilizando a solução FTTH. Tutoriais Este tutorial parte I apresenta um breve histórico do surgimento da fibra óptica e das redes que a utilizam, descreve as Redes Ópticas Passivas, os equipamentos básicos de uma rede PON, seu Protocolo de transporte e os diversos tipos de multiplexação em comprimento de onda, e as topologias possíveis para uma Rede Passiva. O tutorial parte II descreverá a operação da Rede PON, as diferentes formas de atendimento do usuário através da rede óptica passiva e suas características e aplicações, e apresentará o projeto e o dimensionamento das redes passivas aplicadas em um condomínio de alto padrão, na visão do prestador de serviços e as ofertas de dados, voz e imagem por um único cabo de fibra óptica, comparando os custos do enlace em fibra óptica e par metálico. Apresentará tambpem uma breve conclusão da análise ao projeto exposto e as conclusões finais e recomendações para a futura implantação de uma rede PON. 7

8 Fibra Óptica I: Conceitos Fibra óptica A fibra óptica é composta basicamente de material dielétrico (sílica ou plástico) e possui o seu diâmetro menor que um fio de cabelo. A composição entre a sua casca e o núcleo se encontra diferenças entre o índice de refração, sendo o do núcleo maior que o da casca, com a finalidade de oferecer condições de propagação da luz com reflexão total, ou seja, uma transmissão aparentemente sem perdas. Luz Para sistemas de transmissão por fibra óptica utiliza-se como fonte de luz um diodo LASER (Light Amplification by Estimulated Emission of Radiation) ou um diodo emissor de luz (LED). No caso de redes ópticas aonde o sinal irá se irradiar por quilômetros, o diodo LASER é o mais indicado, pois o mesmo possui um controle de irradiação por polarização DC. Sendo que a emissão de luz somente é iniciada quando uma corrente DC aplicada ao laser, atinja um limiar, o que permite que a sua potência luminosa seja superior ao LED, que não possui limiar e irradia qualquer corrente positiva que o atravessa. Assim a presença de um 1 lógico eleva a corrente para além do limiar e faz o diodo laser emitir luz, e o 0 lógico mantém a corrente no limiar, não ocorrendo irradiação. A faixa de freqüências (ou comprimentos de onda) mais utilizadas pelas comunicações ópticas se encontra nas regiões do infravermelho, luz visível e ultravioleta do espectro (JESZENSKY, 2004), visualizado na figura 3. Figura 3: Espectro eletromagnético (Fonte: UFRJ, 2009) Na região da radiação infravermelha se encontra duas faixas de freqüência nas quais o vidro é eficiente, que ocorre nos comprimentos de onda de 0,85 μm e na faixa entre 1,1 e 1,6 μm. Assim os dispositivos LASERS utilizam os comprimentos de onda 1310nm e 1550nm, em sua maioria (FERNANDES, 2003). Detalhe que é evidenciado na figura 4. 8

9 Figura 2 - Janelas para transmissão pela fibra (Fonte: Apostila, 2006) Tipos de fibras ópticas A fibra óptica pode ser dividida através do meio de propagação do sinal. Quando um sinal se propaga através da fibra em várias direções simultâneas diferentes, características estas da Fibra Multímodo, agora quando se propaga em apenas uma direção tem-se a Fibra Monomodo. Quando comparamos uma fibra multímodo com uma fibra monomodo conclui-se que as mesmas têm vantagens e desvantagens na construção de um enlace. Uma Fibra Multímodo pode ser construída com tamanhos de núcleos de 50; 62,5; 82,5 ou 100 µm, e quando confeccionadas com plástico especial geralmente são da ordem de 1000 µm (FERNANDES, 2009). São usadas principalmente em LAN s, pois tem um baixo custo e apresentam alto índice de refração quando comparadas com outras fibras confeccionadas para a mesma situação e, também por ter o seu processo de fabricação mais simples, dependendo da dopagem realizada para se obter um melhor índice de refração, tem maior aproveitamento a curtas distâncias, porém com uma taxa de transmissão menor quando comparada com uma Fibra Monomodo. As Fibras Monomodo possuem o diâmetro do seu núcleo da ordem de 3 a 8 µm, muito menor se comparado com o núcleo de uma fibra multimodo (FERNANDES, 2009), o que proporciona uma desvantagem no alinhamento dos núcleos nas emendas e conectores, que devido a este problema, precisam ser específicos aumentando o custo de implantação. Mas hoje a fibra Monomodo é a mais utilizada em enlaces intercontinentais, nacionais e metropolitanos, devido a sua baixa atenuação para longas distâncias e alta capacidade de transmissão de taxas elevadas, superiores a Gbit/s. Perdas nas fibras ópticas As características de transmissão em uma fibra óptica podem ser descritas pelas suas propriedades de atenuação e dispersão. Existem alguns fatores que influenciam negativamente a propagação do sinal pela fibra, como absorção, espalhamento, curvaturas e características do projeto de guia de onda. No enlace óptico também existem alguns elementos que contribuem para perdas, devido a sua própria característica construtiva, são: acopladores de entrada do canal, emendas, conectores, a própria característica da fibra, regeneradores e todo elemento passivo quanto ativo na rede. As fibras de plástico possuem maiores atenuações que as fibras de vidro, devido a características do material, por isso as fibras de vidro são mais utilizadas em longos enlaces. 9

10 Os enlaces estão limitados em comprimento pela atenuação do sinal e em capacidade de transmissão pela distorção do sinal. Existe a atenuação devido à limitação da distância entre a origem e o fim da transmissão, a mesma define características de aprovação do enlace ou realização de novo estudo. A atenuação do sinal em potencia ao longo da fibra é medida em db/km e é dada pela relação (1) Onde α é o coeficiente de atenuação, L (km) é o comprimento da fibra, Pin é a potência do sinal de entrada e Pout é a potência de saída na fibra. As principais causas de atenuação na fibra definem-se por: absorção, espalhamento e curvaturas. Define-se como Perda por Absorção Total (Pat) a somatória das Perdas por Absorção Intrínseca (Pai), Extrínseca (Pae) e, por Alteração Atômica (Paa). A Perda por Absorção Intrínseca ocorre devido à qualidade do material utilizado na fabricação da Fibra Óptica, geralmente sílica, em torno de 0,003 db por km. A Perda por Absorção Extrínseca relacionada com a impureza do material onde pode ter a presença de íons hidroxila (água dissolvida no vidro) e Perda por Absorção por Alteração Atômica (normalmente é desprezível, porém exposto à radiação, o material da fibra pode sofrer alterações atômicas e significativas) (FERNANDES, 2003). A Perda por Espalhamento é a dispersão de parte da energia luminosa guiada pelos vários modos de propagação em várias direções no interior da fibra, conhecidos por espalhamento de Rayleigh, Raman estimulado e Brillouin estimulado. O mais conhecido espalhamento de Rayleigh ocorre pela não linearidade do sinal devido a defeitos na estrutura física do material construtivo da Fibra Óptica provocando irradiação da potencia do feixe luminoso (APOSTILA, 2006). Outro tipo de atenuação que se apresenta na Fibra Óptica está relacionado com as deformações mecânicas que a mesma sofre no enlace conhecido como Macrocurvaturas e Microcurvaturas. A Macrocurvatura ocorre quando a fibra sofre um raio de curvatura muito acentuado e o sinal de luz tende a se irradiar para fora da fibra, a Microcurvatura são pequenas irregularidades no raio de curvatura da fibra, que podem se originar no processo de fabricação da Fibra Óptica ou por pressões laterais no processo de cabeamento da fibra, podendo ter danos irreversíveis que impedem o seu uso (FERNANDES, 2003). Por isso para cabeamento de fibra óptica é importante se ter mão de obra especializada para que ocorram menos danos na implantação da Fibra e na atenuação do sinal devido à macrocurvaturas e emendas mal feitas. É importante que num projeto óptico, todas as perdas do enlace sejam somadas, como as citadas acima e também dos elementos ópticos (transmissor e receptor), emendas, conectores, componentes passivos e ativos, e que o estudo do resultado final seja viável a implantação do enlace atendendo os critérios de parâmetros do sistema como normas ITU-T e também a necessidade da operadora/cliente. Sabendo quais equipamentos serão instalados nas pontas (Tx-Rx), quantas emendas o enlace irá possuir, a atenuação dos elementos passivos do enlace, pode-se usar o OTDR (Refletômetro Óptico por Domínio de 10

11 Tempo Optical Time Domain Reflectometer). O OTDR é um instrumento de medida, o qual detecta luz refletida em emendas ou conectores e luz retro-refletida devido ao fenômeno de Espalhamento Rayleigh. Assim, localização de eventos (falhas, emendas e conectores) e medidas de perdas de transmissão a partir de um extremo da fibra óptica é possível de se efetuar de modo eficiente. Assim com este valor basta somar a atenuação dos elementos e conectores instalados em Tx e Rx para se conseguir a atenuação total do enlace. Características de utilização A utilização da fibra óptica está cada vez maior, por apresentar uma ótima relação Custo/Benefício e principalmente por não existir outros meios de comunicação com melhores parâmetros de Atenuação, Velocidade de Propagação, Capacidade de Transmissão e Custos, tão bons quanto os apresentados pelas fibras ópticas. A contínua evolução das Fibras permite a implantação hoje de redes ópticas, classificando-as em três categorias principais: rede core, na figura 5 representada como Rede Global, Rede Metropolitana e Rede de Acesso. Rede Core (Global): Atendem longas distâncias, entre centenas e milhares de quilômetros. É identificada nas redes intermunicipais, nacionais e intercontinentais. Utiliza multiplexação DWDM (Multiplexação Densa de Comprimento de Onda ou Dense Wavelength Division Multiplex), onde a taxa de transmissão total é dada pela taxa agregada dos diferentes feixes de luz que se propagam em uma fibra óptica. Chega a atender em taxas de Centenas de Gigabits por segundo a alguns terabits por segundo. Redes Metropolitanas (MAN Metropolitan Access Network): Identificada em escala regional nas áreas metropolitanas das grandes cidades. O seu tráfego utiliza multiplexação CWDM e no enlace a taxa varia de centenas de Megabits por segundo a dezenas de megabits por segundo. Redes de Acesso (Ultima milha): Dispõe-se de diversas tecnologias para interligação do usuário as redes metropolitanas. Opera em escala local e a taxa de transmissão varia de dezenas de kilobits por segundo a dezenas de Megabits por segundo. 11

12 Figura 5: Representação Rede Core, Metropolitana e Acesso (Fonte: MEF) Apresenta-se na figura 5, uma arquitetura geral de Rede Óptica, tem a rede core / global circundada de diversas conexões com as redes metropolitanas e estas por sua vez fornecem a rede de acesso à possibilidade do usuário de se conectar a essa massa de redes de telecomunicações. Analisando a viabilidade financeira das redes, vê-se que a rede core dispõe de equipamentos com um melhor desempenho em relação à rede de acesso, pois toda a demanda de informações centraliza-se nesta rede, que atende centenas de milhões de clientes, comparada com a rede de acesso que atende um número reduzido de clientes (Barros, 2007). Assim grandes investimentos no século XX nas redes core e metropolitanas e o uso da tecnologia WDM, foram impostas maciçamente para melhoria do escoamento de tráfego de informações. Porém a busca inconstante por taxas maiores de transmissão por consumidores residenciais, empresas de pequeno e grande porte estão causando um tráfego intenso nas redes de acesso locais que não acompanham proporcionalmente os investimentos nas outras redes. Como apresentado na figura 5, a rede Core interliga as redes metropolitanas (abrangência dentro do próprio município ou regiões metropolitanas) que por sua vez interligam várias redes de acesso que podem atender diretamente o cliente residencial ou clientes corporativos. A rede de acesso interliga redes menores (LAN s Redes Locais) com equipamentos de distribuição do sinal através de Multiplexadores (DSLAM) dentro dos armários ópticos ou racks indoor. A partir destes armários ópticos utilizam-se cabos xdsl (cabos para transportes de dados com 100% sem interferência) ou cabos coaxiais. 12

13 Fibra Óptica I: Rede de Acesso As redes de acesso interligam os usuários com a rede mundial. Sua função principal é prover o acesso dos mesmos a informações de dados, voz e vídeo através de serviços prestados por operadoras. A alta demanda por taxas de transmissão através de serviços atendidos por banda larga são mostrados na figura 6. Destaque para a aplicação de TV em alta definição que utiliza kbit/s para prover este serviço e filmes em tempo real utilizando-se de 2 Mbit/s (serviços almejados por consumidores que justificaria para a operadora utilizar a tecnologia PON) (BARROS, 2007). Figura 6: Demanda de banda por aplicação (Fonte: BARROS, 2006) A necessidade de maiores Larguras de Banda Larga sob as redes de acesso, disponibilizadas hoje em par metálico, evidencia a necessidade de investimentos em desenvolvimento das LAN s. O uso de conexões xdsl permite a usuários o atendimento a taxas de Mbit/s a certas distancias da central. Quanto mais próximo o usuário da central, maior a Largura de Banda, à medida que este cliente se distancia da central ocorrem consideráveis perdas no sinal. A Largura de Banda também se baseia da freqüência da Portadora do Sinal e em qual tecnologia a mesma será transmitida. Neste caso não há como atender um usuário a três quilômetros com uma rede de par metálico utilizando tecnologia VDSL, com uma largura de banda de 60 Mbit/s eficiente, pode-se evidenciar esta situação observando a figura 7. Em redes que utilizam tecnologia PON as perdas são mínimas e a entrega de banda torna-se confiável. Figura 7: Tecnologia em largura de banda por distancia de atendimento (Fonte: BARROS, 2006) 13

14 Os serviços prestados na rede de acesso direcionam a Banda Larga. O desenvolvimento da Banda Larga no Brasil teve o seu auge entre 1996 e 2003, a partir da implantação de novo quadro regulatório sob supervisão da ANATEL. Assim a base de usuários de linha fixa e banda larga cresceu: os acessos de telefonia fixa passou de 17 milhões em 1996 para 38 milhões em 2000, e 43 milhões em Segundo Barômetro da Cisco, o Brasil teve um crescimento de 48, 3% nas suas conexões de Junho de 2007 a Junho de 2008, hoje uma estimativa do total de conexões de Banda Larga pode ser observado na Tabela 1 abaixo: Tabela 1: Total de Conexões de Banda Larga no Brasil, não inclui IP dedicado (Fonte: TELECO) Milhares 1T09 2T09 3T09 4T09 1T10* ADSL TV Assinatura Outros Total Acesso/ 100 hab. 5,43 5,62 5,74 5,92 6,12 *Estimativa preliminar da Teleco A OCDE (Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico) prevê que em 2011 a comunicação via banda larga será responsável por um terço dos ganhos de produtividade nas operações das empresas nos países desenvolvidos. Na figura 8, pode-se observar que a tendência é um aumento exponencial da largura de banda larga no mundo. Figura 8: Aumento Exponencial da Largura de Banda Mundial (Fonte: EVANS, 2008) 14

15 Um estudo do Banco Mundial concluiu que conforme a penetração de banda larga cresce em 10% o país eleva o seu PIB para 1,3% de crescimento, em média. Rede Óptica Passiva PON Uma rede PON (Passive Optical Network) não utiliza componentes elétricos para fazer a distribuição do sinal. Possuem em sua arquitetura equipamentos passivos usados principalmente como uma solução de acesso à última milha (Last-Mile), que leva as informações mais próximas do cliente, tem a possibilidade de entregar altas taxas de velocidade para banda larga. Uma arquitetura simplificada é mostrada na figura 9. Também por utilizar uma configuração de rede ponto-multiponto, uma única fibra é compartilhada por diversos pontos finais de atendimento (residências e empresas). Assim, pode-se usar no armário de distribuição diversos divisores ópticos (splitters) na mesma fibra resultando em divisões de 4, 8, 16, 32 ou 64 fibras para saída. Mas isto depende do modo de fabricação do divisor óptico. Como a conexão é ponto-multiponto os terminais ópticos no cliente (ONU) devem-se orientar para executar determinadas funções como filtrar apenas a informação daquele usuário e também coordenar para que através da multiplexação os sinais que saem do cliente não colidam com outras informações. Para esta função utilizam-se dois tipos de multiplexação a WDM e a TDM. Figura 9: Arquitetura Fundamental de uma rede PON (Fonte: KEISER, 2006) Segundo William Penhas Sanchez, em seu artigo PON: Redes Ópticas de Acesso de Baixo Custo (SANCHEZ, 2004), publicado no site Teleco, afirma: O grande desafio nos dias atuais é estender a transmissão óptica até o usuário final (residência e empresas) com uma solução viável do ponto de vista financeiro para os provedores de conectividade. Uma solução que viabilize financeiramente este desafio é composta pelo compartilhamento da enorme capacidade da fibra óptica entre os usuários e seus grupos, pela amortização adequada dos custos dos equipamentos através do ganho de escala no atendimento das demandas (atuais e potenciais), pela flexibilidade e otimização do uso da fibra através da alocação dinâmica da banda, e pela diversificação dos serviços e viabilidade de criação de um mix de portfólio para balanceamento das opções ofertadas. A tecnologia PON oferece esse tipo de solução. 15

16 Já existem diversas aplicações PON em serviço, implantadas pelas operadoras NTT (Japão), DT (Alemanha), BT (Inglaterra) e BellSouth (Canadá) sendo que um dos maiores parques com tecnologia PON são os backbones de Tókio e Osaka da NTT. Diversos países asiáticos estão investindo em transporte de dados e vídeo para residências por fibra ópticas e redes PON, dentre eles tem-se: Coréia, Taiwan, Singapura e China. Na figura 10, apresenta-se a evolução das redes PON e onde já são utilizadas. Figura 10: Evolução das Redes PON (Fonte: BARROS, 2006) Não há duvida de que a evolução das redes cabeadas caminha para a Fibra Óptica. Segundo Joeri Van Bogaert, presidente do FTTH Council - Conselho FTTH da Europa (EVANS, 2008), afirma: Os resultados [da pesquisa a avaliação da sustentabilidade e impacto ambiental das redes de fibra óptica] demonstram claramente todo o serviço e os benefícios ambientais de FTTH. Os resultados se apresentam como testemunho de que fibra é uma tecnologia sustentável e à prova de futuro para o século 21. No Brasil, em 1988, já tínhamos algumas grandes universidades e centros de pesquisas interligados por fibras ópticas aos Estados Unidos. Atualmente, a Rede Nacional de Pesquisa (RNP), lançada pelo Ministério da Ciência e Tecnologia em 1989, possui um incentivo a iniciativa óptica através do Projeto GIGA, que consiste na implementação e uso de uma rede óptica de alta velocidade voltada para o desenvolvimento de tecnologias de rede óptica, aplicações e serviços de telecomunicações associados à tecnologia IP e banda larga (CPQD, Rede Giga). Os gastos com operação, manutenção e implementação também são reduzidos visto que entre os elementos OLT e ONU existem apenas divisores ópticos passivos (Splitters), equipamentos eletrônicos ativos, como regeneradores e amplificadores não são instalados na planta externa havendo também uma considerável economia de energia. A derivação do sinal óptico nos elementos passivos da rede (Splitters) prove o aproveitamento da fibra, através do compartilhamento da sua capacidade de banda para diversos grupos de usuários de maneira 16

17 mais eficiente e flexível por ser alocada dinamicamente. No período de ascensão desta rede tem-se a primeira definição por APON, mas há várias alternativas PON que podem ser planejadas, as três principais estão em uso pelas operadoras, e algumas características podem ser observadas na tabela 2 são: BPON Broadband PON, Ethernet PON (EPON), e Gigabit PON (GPON). A diferença fundamental entre as redes está no protocolo de transmissão que é empregado. Tabela 2: Lista de algumas características e padrões de cada PON (Fonte: KEISER, 2006) Característica APON BPON EPON GPON Padrões ITU-T G.983 ITU-T G.983 IEEE 802.3AH Protocolo ATM ATM Ethernet Velocidades de transmissão (Mbit/s) 155/622 upstream 622/1244 downstream 155/622 upstream 622/1244 downstream 1244 upstream 1244 downstream ITU-T G.984 ATM e Ethernet 155 a 2488 upstream 1244 ou 2488 downstream Distância 20 km 20 km 10 km 20 km Número de divisões / Tipos de Rede Óptica Passiva APON Rede Óptica Passiva sobre Modo de Transferência Assíncrona Até a década de 90, muitas redes PON foram desenvolvidas e testadas todas utilizando como conceito de multiplexação TDM, porém as taxas de transmissão que se utilizava para atender os serviços de telefonia e ISDN estavam inadequadas, visto a necessidade do transporte de dados. Assim o PON passou a ser baseado em Asynchronous Transfer Mode (ATM) conceituando o APON e cooperando para a unificação das Redes DSL (Digital Subscriber Line) (LIN, 2006). A idéia do atendimento da última milha em uma rede óptica PON é disponibilizar todos os serviços por um único enlace com altas taxas, ou seja, um par de fibras leva a informação até próximo do cliente (nos armários ou nos prédios) ou até o cliente. O atendimento final ao usuário atualmente realizado em Redes xdsl ( x Digital Subscriber Line), a banda se limita à distância que o usuário se encontra da central de operações e a qualidade da instalação elétrica, visto que todos os elementos da rede são ativos. Assim quanto maior for a proximidade, mais largura de banda o mesmo poderá ter em sua rede de acesso. 17

18 Em 1995, a British Telecom junto a mais 21 empresas de provedores e fornecedores de serviços de banda larga, representadas na tabela 3, formaram o FSAN (Full Service Access Network Serviço Completo de Acesso a Rede) que surgiu com o objetivo de criar padronizações e projetar o modo mais barato e rápido para se ampliar às redes de alta velocidade, implementando o Protocolo IP (dados), vídeo e 10/100 Ethernet em cima da fibra para clientes residenciais e empresariais no mundo. Tabela 3: Identificação das Operadoras que participam do Comitê FSAN (Fonte: TAKEUTI, 2005) BT Bristish Telecommunications Malta Telecom Bell Canadá BellSouth Bezeq Israel Chunghwa Taiwan DTAG Deutsche Telekom Eire Telecom FT France Telecom Verizon KPN Dutch Telecom KT Korean Telecom NTT Nippon Telegraph and Telephone SBC SingTel Swisscom Telefonica Itália Telefonica Espana Telia Sweden Telstra Qwest Assim para planta física PON passou a ser baseado no protocolo ATM conceituando o APON, PON por ser a opção mais viável financeiramente em soluções de broadband óptica em larga escala e, a utilização do protocolo ATM porque é viável a múltiplos protocolos nos seus 53 bytes. O APON idealizado pela FSAN e aceito pela ITU (União Internacional de Telecomunicações International Telecommunication Union) como norma (ITU-T G.983). Considerou-se como prioridade o atendimento a usuários residenciais e na sua versão inicial não incluiu o serviço de vídeo (LIN, 2006). De acordo com a norma G.983.1, as redes APON tiveram inicialmente as taxas de 155 Mbit/s (Megabytes por segundo), mas para a transmissão de vídeo viu-se a necessidade de aumento da taxa para 622 Mbit/s, que são distribuídos até as ONUs (Optical Network Unit Unidade Óptica da Rede) conectados a rede. BPON - Rede Óptica Passiva Banda Larga Após o APON, o desenvolvimento de novas tecnologias para o atendimento em altas taxas de bits para transferência de informações fez do BPON o próximo passo nas Redes Ópticas Passivas. O primeiro padrão para o BPON segue norma ITU-T G983.1, que tem por padrão atender a taxas de 155 Mbit/s simétricos e 622/155 Mbit/s assimétrico sendo que para downstream 622 Mbit/s e 155 Mbit/s para 18

19 upstream, após com a necessidade de se incluir um novo comprimento de onda para transmissão de vídeo, estudos da ITU aprovaram a norma ITU-T G983.3, onde a capacidade de link foi estendida para 622 Mbit/s simétricos e 1244/622 Mbit/s assimétrico assim teve-se a oportunidade de utilizar o PON para atendimento em ultima estância para VDSL (KEISER, 2006). Baseada no protocolo ATM a rede BPON é capaz de integrar dados, voz, serviços de vídeo a clientes empresariais e residenciais por uma única fibra, podendo realizar o atendimento final de acordo com as soluções FTTx. EPON - Rede Óptica Passiva sobre Ethernet O EPON surgiu da idéia que a tecnologia APON era imprópria para devido uso devido a sua falta de capacidade de transmissão de vídeo, banda insuficiente, complexidade e custo. O rápido desenvolvimento do Ethernet fez as taxas de transmissão alcançarem os Gbit/s e a conversão entre os protocolos ATM para IP, foram necessárias. A principais soluções de atendimento, para as quais se aplica o EPON, são: FTTB, FTTC tendo por objetivo em longo prazo a substituição para FTTH para entrega de serviços de dados, voz e vídeo em cima de uma única plataforma com largura de banda maior que o APON (KEISER, 2006). Em novembro de 2000, um grupo de empresas com o objetivo de padronizar a Ethernet PON no IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers Instituto de Engenharia Elétrica e de Eletrônica), formaram um grupo de estudo para desenvolver um padrão que aplicasse o estudo em uma rede de acesso. A rede EPON adere a muitas recomendações da ITU-T G983, existe na Norma G985 recomendações para enlaces ponto a ponto Ethernet. A diferença fundamental entre EPONs e APONs é: EPON os dados são transmitidos em pacotes de comprimento variável de até 1,518 bytes de acordo com o IEEE protocolo para Ethernet, considerando que em APONs, os dados são transmitidos em 53 bytes (IEC, 2009; KEISER, 2006). GPON Gigabit Passive Optical Network A Rede Óptica Passiva Gigabit tem por capacidade transmitir maiores velocidades de banda nas redes de acesso. Surgiu para superar o BPON e EPON, com a idéia principal de transmitir comprimentos de pacotes variáveis a taxa de gigabit por segundo, para isso o grupo FSAN reuniu esforços e em abril de 2001 começou a desenvolver novas padronizações, sendo posteriormente aprovadas e publicadas pela ITU-T na série de recomendações para aplicação de um GPON, sendo os padrões G984.1 a G984.4, publicados no primeiro semestre de Descrito no padrão G984.1, as características gerais do GPON como a sua arquitetura, tipos de serviços, taxas de bits desejadas podem ser evidenciadas na tabela 4 e posterior na figura 11 que representa uma arquitetura GPON. Parâmetro Serviço Tabela 4: Obrigações do Serviço GPON (Fonte: KEISER, 2006). Especificações GPON Aplicação em: 10/100 Base-T Ethernet, Telefonia Analógica, SONET/SDH, TDM, ATM. 19

20 Taxa de Dados Distancia Número de Divisões Comprimentos de onda Proteção (comutação) Segurança Downstream>: 1,244 e 2,488 Gbit/s; Upstream: 155 Mbit/s, 622 Mbit/s, 1,244 Gbit/s, 2,488 Gbit/s 10 a 20 km máximo Máximo 64 divisões Downstream voz/dados: 1480 to 1500nm; Upstream voz/dados: 1260 to 1360 nm; Downstream de video: 1550 to 1560 nm Proteção Totalmente Redundante 1+1; Proteção parcialmente Redundante 1:N A segurança de informação no nível de protocolo para o tráfego de downstream: por exemplo, a utilização do Advanced Encryption Standard (AES). Figura 11: Arquitetura GPON e suas Características As taxas nominais são especificadas como 1.25 Gbit/s e 2.5 Gbit/s para downstream e 155 Mbit/s, 622 Mbit/s, 1.25 Gbit/s, e 2.5 Gbit/s para upstream. A recomendação também especifica distância máxima para transmissão de 10 a 20 km, que pode ser afetada pela qualidade e capacidade dos transmissores e receptores ópticos. Para um GPON o número de divisões chega a 64 no divisor óptico e mantém muita das mesmas funcionalidades de EPON e BPON como a atribuição de largura de banda dinâmica (DBA G983.4), e o uso de operações, administração e manutenção de mensagens (KEISER, 2006). O tráfego de informações downstream é transmitido em modo broadcasting, ou seja, a informação é transmitida a todos os elementos da rede. A mesma informação chega a todos os usuários por isso é necessário se utilizar um sistema de criptografia das informações para manter privacidade na comunicação. 20

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