Redes de Acesso Óptico para Próxima Geração. Next Generation Optical Access Networks

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1 11 Redes de Acesso Óptico para Próxima Geração Next Generation Optical Access Networks Guilherme Enéas Vaz Silva 1 Rafael Jales Lima Ferreira 2 Resumo Abstract O artigo traz uma comparação entre duas arquiteturas de redes ópticas capazes de atender a crescente demanda de largura de banda exigida pelos usuários de redes de acesso. A rede óptica passiva baseada em multiplexação por divisão no tempo e a rede óptica passiva baseada em multiplexação por divisão de comprimento de onda foram investigadas considerando-se aspectos como potência de transmissores, número de usuários e alcance. A análise comparativa tem como objetivo facilitar a escolha da próxima geração de acesso óptico. Palavras-chave: Redes ópticas. TDM-PON. WDM-PON. This paper compares two optical network architectures capable of meeting the growing demand of bandwidth required by access network users. The passive optical network based on time division multiplexing and wavelength division multiplexing were investigated considering aspect such as transmitters power, number of users and distance. The objective of the comparative analysis is to facilitate the choice of next-generation optical access. Keywords: Optical Networks. TDM-PON. WDM-PON. INTRODUÇÃO As redes de acesso são redes locais que se prolongam ao âmbito metropolitano, nas quais conectamos o usuário a central de serviços (Central Office CO). 1Pós graduado em Telecomunicações pela Universidade de São Paulo (USP), Professor do Departamento de Ciência da Computação Centro de Ensino Unificado de Teresina (CEUT) - Teresina PI Brasil, Professor do Departamento de Sistemas de Informação Faculdade das Atividades Empresariais de Teresina (FAETE) - Teresina PI Brasil, guilhermeeneas@yahoo.com.br 2Graduado pelo Departamento de Ciência da Computação Centro de Ensino Unificado de Teresina (CEUT), rafael_jales@hotmail.com.

2 12 Os meios de transmissão mais utilizados nessas redes são o cabo de cobre, no qual a tecnologia DSL (Digital Subscriber Line Linha Digital de Assinante) fornece serviços de internet banda larga para seus assinantes, e o cabo coaxial, no qual a tecnologia utilizada é o modem a cabo. O uso dessas tecnologias teve inicio quando as empresas de telefonia e TV a cabo perceberam a internet como um mercado muito interessante e, a partir de então, resolveram reaproveitar sua infraestrutura pré-existente para prover dados (além, evidentemente, de prover seus serviços de telefonia e TV) [Kurose and Ross, 2003]. Porém, com o crescimento exponencial de tráfego na internet, o transporte de dados pelas tecnologias DSL e modem a cabo tem se tornado um grande problema devido as limitações físicas dos cabos de cobre e cabos coaxiais. Com isso podemos observar que as redes de acesso, nos últimos anos, têm se tornado o maior problema ( gargalo ) das redes de telecomunicações e a demanda por largura de banda exigida pelos usuários vem aumentando rapidamente. Aplicações emergentes, tais como Video on Demand (VoD), HDTV, cinema digital, educação sob demanda (EoD), esquemas de vigilância on line, games on line interativos e transmissão de áudio com alta qualidade, requerem uma alta largura de banda tanto no downstream quanto no upstream. Outros serviços que devem ser atendidos pela próxima geração de redes de acesso estão descritos em [Crimi 2011]. Alguns estudos citam que sejam necessários mais de 75 Mbps para disponibilização de todos esses requisitos aos usuários, outros apontam para valores de 100 Mbps bidirecionais [Ollivry 2009]. Taxas desta magnitude não podem ser alcançadas pelas tecnologias de acesso xdsl e modem a cabo. 1 Nesse contexto, as fibras ópticas surgem como alternativa para as redes de acesso. As redes ópticas podem ser organizadas no modelo FTTx (Fiber to the Home, Fiber to the Building, Fiber to the Curb e Fiber to the Cabinet), e, desse modo, podem prover o chamado serviço triple-play, ou seja, voz, vídeo e dados em um mesmo canal.em esquemas utilizando fibra óptica na topologia ponto-multiponto, diversos usuários compartilham uma fibra até um nó remoto (RN Remote Node), a partir do

3 13 qual cada cliente dispõe do seu enlace óptico. O RN pode ser passivo ou ativo, dependendo se é eletricamente alimentado ou não. Se requerer suprimento de energia, a arquitetura é chamada Rede Óptica Ativa (AON Active Optical Network), caso contrário à arquitetura recebe o nome de Rede Óptica Passiva (PON Passive Optical Network). PONs são mais vantajosas do que AONs em termos de instalação, operação, manutenção da rede e possibilidade de upgrade [Effenberger 2007]. Nas PONs, o Terminal de Linha Óptica (OLT Optical Line Terminal), localizado na central do provedor de serviço (CO Central Office), é conectado a várias Unidades de Rede Óptica (ONUs Optical Network Units) através de um ou vários divisores ópticos, conhecidos como splitters, que estão localizados dentro do RN. A topologia em árvore é a configuração mais utilizada para a implementação de uma Rede Óptica Passiva. Tendo isso em vista, a solução de acesso óptico mais difundida no mundo é a Rede Óptica Passiva baseada em multiplexação por divisão no tempo (TDM-PON Time Division Multiplexing-PON) [Mukherjee 2006], [David and Kyeong 2005]. Muitos países têm adotado a primeira geração de TDM-PONs, que fornece taxas de dados para downstream de até 1,25Gbps [Abrams 2005]. Alternativamente, a PON baseada em multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM-PON) explora de forma mais eficiente a vasta capacidade da fibra óptica sem alterar drasticamente a infraestrutura da rede. Redes WDM-PON têm sido alvo de grande interesse tanto para comunidade acadêmica quanto para empresas atualmente, destacando-se principalmente os países asiáticos [Lee et al 2007]. Nesse contexto, o artigo faz uma comparação entre as TDM-PONs e WDM- PONs, levando-se em consideração aspectos como potência de transmissores, número de usuários e alcance, como forma de incrementar os resultados alcançados em [Ferreira and Silva 2011]. A continuação do artigo está organizada da seguinte forma: na seção 2 é feito um estudo sobre as TDM-PONs e na seção 3 discute-se sobre as WDM-PONs. Na seção 4 ilustra os resultados obtidos com auxílio do software OptiSystem, da empresa Optiwave. A seção 5 apresenta as conclusões obtidas.

4 14 2 TDM-PON No downstream a transmissão ocorre em broadcasting, sendo que cada ONU recebe toda a informação provida pelo OLT e filtra os dados que lhes são destinados, como pode ser observado na Figura 1. Precauções relativas à segurança, tais como a criptografia, devem ser tomadas para garantir que usuários mal intencionados não tenham acesso a toda informação da rede. A faixa de comprimento de onda utilizada nesse sentido de tráfego varia entre 1480nm a 1500nm. Figura 1. Esquema de downstream e upstream da TDM-PON No sentido upstream, cada ONU terá uma janela temporal pré-determinada e, durante este intervalo, poderá usar toda a largura de banda provida pelo canal óptico. O splitter, atuando como um combinador de potências, será responsável por combinar as sequências de dados e mandar as informações de todos os usuários ao CO. O esquema descrito está ilustrado na Figura 1. O OLT é responsável por alocar as janelas temporais de cada usuário. De forma complementar, as ONUs devem negociar com o OLT quando elas podem transmitir seus dados, levando-se em consideração as diferentes distâncias que pode haver entre elas. A faixa de comprimento de onda utilizada no upstream varia entre 1260nm e 1360nm. As tecnologias TDM-PON mais utilizadas atualmente são: Broadband PON (BPON) [ITU G.983], conhecida anteriormente como ATM-PON; Ethernet PON (EPON) [IEEE 802.3ah]; e Gigabit PON (GPON) [ITU G.984]. Já existem muitas plantas TDM-PON em operação viabilizadas pelas operadoras DT (Alemanha), BT (Inglaterra) e BellSouth (Canadá), com destaque

5 15 especial para a NTT (Japão), onde estão instalados alguns dos maiores parques de PON [Abrams 2005]. Detalhes sobre a implantação de fibras ópticas para redes de acesso nos Estados Unidos estão descritos em [Wagner 2006]. 3 WDM-PON Embora a TDM-PON seja uma boa alternativa para prover acesso banda larga ao usuário final, ela tem a desvantagem de não ser escalável devido à perda por divisão de potência nos divisores ópticos (o que limita o número de ONUs). Para resolver este empecilho pode-se usar multiplexação por divisão de comprimento de onda, aumentando a largura de banda de uma PON e melhorando o orçamento de potência. Estas redes recebem o nome de WDM-PONs. A topologia lógica é a ponto-a-ponto (diferentemente da PON convencional) e o sistema reúne múltiplos comprimentos de onda tanto na direção downstream como na direção upstream. Diferentes ONUs podem operar em diferentes taxas de bits, logo uma variedade de serviços pode ser oferecida em uma mesma rede. O equipamento principal de uma rede WDM-PON é o Arrayed Waveguide Grating (AWG), que faz o roteamento do sinal óptico de uma dada porta de entrada para uma dada saída, baseado no comprimento de onda do sinal [Mukherjee 2006]. Como representado na Figura 2, uma fonte de múltiplos comprimentos de onda no OLT é usada para transmitir os comprimentos de onda que serão roteados para as diversas ONUs (downstream). Na direção upstream, o OLT é equipado com um demultiplexador WDM para receber os comprimentos de onda das ONUs. As transmissões downstream e upstream ocorrem nas janelas de 1500nm e 1300nm, respectivamente. Em cada janela, a separação dos comprimentos de onda é por WDM denso (um espaçamento típico entre os comprimentos de onda é 100GHz).

6 16 Figura 2. Esquema simplificado de uma rede WDM-PON 4 RESULTADOS A ferramenta utilizada nas simulações foi o software OptiSystem 9 da empresa Optiwave Systems Inc. [Optiwave 2011].Primeiramente vamos analisar uma rede TDM- PON, de forma mais específica, o padrão GPON (as taxas, números de usuários e outros parâmetros foram baseados de acordo com o padrão). Na rede simulada, o OLT é conectado a 32 ONUs através de um divisor óptico passivo. Nele é utilizado um laser DFB com comprimento de onda 1490nm, modulação NRZ (não retorno a zero), sendo que ao gerador de sequência de bit pseudo-randômico (PRBS) foram atribuídos 2 8 bits. Na ONU, para o upstream, um laser semelhante em 1310nm. A distância entre o OLT e a ONU é de 20Km. Os valores de atenuação e dispersão na fibra bidirecional para a banda de 1550nm foram de 0.2 db/km e ps/(nm.km), respectivamente. Para a banda de 1310nm, utilizada para o upstream, a atenuação e dispersão foram 0.5 db/km e 0 ps/(nm.km), respectivamente. Foram utilizadas as taxas de bit de 1.25Gbps, 2.5Gbps e 10Gbps. Como já explicado, redes TDM-PON compartilham a largura de banda no tempo, dessa forma enviando-se 1.25Gbps para 32 ONUs tem-se como taxa individual 40Mbps. O splitter localizado no RN possui perda por inserção de 1.5dB (valor compatível com dispositivos disponibilizados no mercado [Neophotonics 2011]). Esse

7 17 dispositivo divide a potência no sentido downstream, tornando o requerimento da potência enviada pelo OLT elevado, como pode ser observado na Figura 4. Para obterse uma taxa de erro de (valor típico recomendado atualmente para transmissão livre de erro) com a taxa de 1.25Gbps, a potência enviada no transmissor do OLT necessita ser pouco menor que 1.5dBm, enquanto que para obter-se essa mesma taxa de erro a 2.5Gbps a potência no OLT deve ser cerca de 3.3dBm. De forma previsível, uma maior taxa requer uma maior potência. Figura 3. Varredura de potências no sentido downstream para uma rede TDM-PON em 20Km. Em termos de evolução da GPON, tem-se procurado melhorar o orçamento de potência da rede para que seja possível aumentar seu alcance e aumentar o número de ONUs por OLT. Adicionalmente, estuda-se o incremento da taxa de downstream para 10Gbps [Effenberger 2007], taxa já investigada na Figura 3. Tendo isso em vista, vamos analisar a rede agora com 64 ONUs (provável upgrade das redes atualmente instaladas). Como podemos observar na Figura 4, para obter uma taxa de erro de com a taxa de 1.25Gbps, a potência enviada no transmissor do OLT é de 4.5 dbm, enquanto que para obter-se essa mesma taxa de erro a 2.5Gbps a potência no OLT deve ser cerca de 6 dbm, enquanto que para uma taxa de dados de 10Gbps necessitamos de uma potência de 9 dbm para chegar na mesma taxa de erro. Então, como podemos observar, a medida que aumentamos a quantidade de usuários e a taxa de dados, precisamos

8 18 aumentar a potência necessária no laser do OLT para termos um orçamento de potência satisfatório (note que a divisão de potência de um splitter de 64 portas é bem elevada). Em termos de largura de banda, com a taxa de transmissão de 10Gbps compartilhada por 64 usuários, a taxa efetiva de cada ONU seria 160Mbps. Figura 4. Varredura de Potências no sentido downstream para uma rede GPON de 64 ONUs. Vamos analisar agora uma rede WDM-PON. Na rede simulada, o OLT é formado por uma fonte WDM e um receptor WDM. A fonte WDM é representada por um array de 32 lasers DFB (Distributed Feedback) com modulação NRZ, sendo que ao PRBS foram atribuídos 2 7 bits. O comprimento de onda central é 1550nm e espaçamento foi 100GHz. Foram utilizadas taxas para downstream de 1.25Gbps, 2.5Gbps e 10Gbps. O receptor WDM é composto por um demultiplexador capaz de separar cada um dos 32 comprimentos de onda utilizados no upstream e encaminhá-los para seus fotodetectores PIN (cuja responsividade é 1A/W). A largura de banda do AWG utilizada por canal foi de 70GHz, com perda de inserção 3.5dB, perda de retorno -65dB e filtro retangular (valores compatíveis com AWGs disponíveis no mercado [Furukawa 2011]). Cada porta de saída do AWG na direção de downstream apresenta um comprimento de onda diferente que será

9 19 encaminhado para a respectiva ONU. A Figura 5a mostra o gráfico da varredura de potências transmitidas em 20Km de fibra. Utilizou-se o canal que apresenta o pior desempenho, ou seja, a maior taxa de erro de bit entre todos os 32 canais no sentido downstream (diferentemente do gráfico da Figura 5b, na qual todos os comprimentos de onda são apresentados). Para 1.25Gbps, uma potência de -13.5dBm provê uma BER de Como foi apresentado na simulação com TDM-PON, a potência necessária nessa taxa para gerar essa BER seria muito mais elevada: 1.5dBm. Já para 2.5Gbps na rede WDM-PON a potência necessária para atingir essa BER seria aproximadamente -12dBm. E, para 10Gbps, a potência necessária seria aproximadamente -9.2dBm. Para a rede WDM-PON foram analisados apenas 32 ONUs. Porém, cada uma dessas ONUs possui um comprimento de onda dedicado, ou seja, a taxa efetiva de um usuário poderia ser de fato 2.5Gbps, por exemplo. Evidentemente que um usuário comum não precisa de uma taxa tão elevada, mas poderemos considerar a ONU como sendo uma grande empresa ou um residencial de casas, logo a taxa da ONU seria compartilhada por diversos usuários. (a) (b) Figura 5. (a) Varredura de potências para 1.25Gbps, 2.5Gbps e 10Gbps (b) BER dos 32 canais a 2.5Gbps em 20Km. O padrão ITU-T G.984 define algumas classes de redes PON de acordo com a perda na fibra, potência enviada, sensibilidade do receptor e BER estipulada. Para a Classe A, a perda total na rede de distribuição está na faixa de 5 a 20dB. Dessa forma, a WDM-PON simulada em 20Km enquadrar-se-ia nesta classe. A potência mínima de um transmissor no OLT a uma taxa de 1.25Gbps definida para esta classe é -4dBm. Para

10 20 avaliar o alcance da WDM-PON, fez-se uma varredura de distâncias com os lasers do array no OLT operando a -4dBm. Os resultados estão ilustrados na Figura 6, na qual o canal com pior desempenho é mostrado. Efeitos não lineares também foram considerados, dentre eles: Modulação de Fase Cruzada (XPM), Automodulação de Fase (SPM), Espalhamento Raman (SRS), Espalhamento Brillouin (SBS) e Mistura de Quatro Ondas (FWM). De acordo com a Figura 6, considerando-se o valor de BER máximo 10-12, a taxa de 2.5Gbps, por exemplo, alcançaria uma distância de aproximadamente 58Km. O gráfico foi construído para o downstream, dessa forma é importante ressaltar que para o upstream deve-se levar em consideração que o valor da atenuação é maior (banda de 1300nm), logo o alcance seria reduzido. Pode-se observar que os efeitos não lineares não influenciaram no comportamento dos canais. Figura 6. Varredura de distâncias com potência de - 4,0dBm 5 CONCLUSÃO Neste artigo foram analisadas duas alternativas para redes ópticas: a TDM- PON (no caso, a GPON) e a WDM-PON. Como demonstrado, o splitter presente nas redes TDM-PON prejudica o orçamento de potência, fazendo com que a potência dos transmissores seja bem mais elevada. Quanto a taxa efetiva de cada usuário, a proposta de evolução das atuais redes GPON instaladas para operarem em taxas de 10Gbps compartilhadas por 64 usuários ofereceria uma taxa efetiva para cada ONU satisfatória para as aplicações emergentes mencionadas. E a viabilidade dessas redes em termos de qualidade do sinal foi mostrada no artigo.

11 21 Já na rede WDM-PON, o AWG não realiza divisão de potência, apenas faz o roteamento dos comprimentos de onda, melhorando o orçamento de potência destas redes. Adicionalmente, a largura de banda oferecida pelas redes WDM-PON é maior, já que existe um comprimento de onda dedicado para cada ONU. Essa comunicação ponto-a-ponto, inclusive, torna a rede bem mais simples, evitando a necessidade de algoritmos de alocação dinâmica de largura de banda, por exemplo. Por outro lado, o esquema idealizado de uma WDM-PON apresenta um custo bastante elevado, levandose em consideração que utiliza diversos transmissores e receptores ópticos. Tendo isso em vista, concluímos que um upgrade das atuais redes TDM-PON instaladas seria suficiente para atender a demanda de um futuro próximo. A infraestrutura da rede não seria muito alterada, porém o aumento na taxa de transmissão acarreta em componentes mais sofisticados, o que pode ser um empecilho. Por outro lado, as redes WDM-PON surgem como uma tendência natural para evolução das redes TDM. Porém, os custos para implantação dessas redes ainda são proibitivos e a demanda fornecida por ela ainda não é necessária. Tendo isso em vista, nos últimos anos, muitos autores vêm estudando como tornar essa arquitetura mais viável [Andrade et al 2011]. REFERÊNCIAS B. Mukherjee, Optical WDM Networks, Springer Verlag New York, Inc., Secaucus, NJ, C. Ollivry, Why Fiber? Why Now?, Christian_ OLLIVRY.ppt. Acesso em 5 de maio de C.-H. Lee, S.-M. Lee, K.-M. Choi, J.-H. Moon, S.-G. Mun, K.-T. Jeong, J. H. Kim, B. Kim; WDM-PON experiences in Korea [Invited] ; J. Of Optical Networking 6, No 5, D. Gutierrez, K. S. Kim, S. Rotolo, F.-T. An, and Leonid G. Kazovsky, "FTTH standards, deployments and research issues," (Invited paper) Proc. of JCIS 2005, Salt Lake City, UT, USA, pp , Jul D. Nowak and J. Murphy, FTTH: The overview of existing technologies, in Proc. SPIE Optoelectronics, Photonic Devices, and Optical Networks, Opto-Ireland, 2005, vol. 5825, pp

12 22 Ferreira, R. J. L and Silva, G. E. V., Análise de Arquiteturas de Redes Ópticas Passivas, Simpósio Interinstitucional de Computação do Vale do São Francisco, Juazeiro - BA, Univasf - Universidade Federal do Vale do São Francisco, maio de F. Effenberger, D. Cleary, O. Haran, G. Kramer et al., "An Introduction to PON Technologies", IEEE Communications Magazine, março de ITU G.984, G.983 Recommendations. J. C. Crimi: Next Generation Network (NGN) Services, Telcordia Technologies White Paper, disponível em Acesso em 23 de outubro de Kurose, J. F.; Ross, K. W. Redes de Computadores e a Internet: Uma nova abordagem. São Paulo, Addison Wesley, K. S. Kim, "On the evolution of PON-based FTTH solutions," (Invited Paper) Information Sciences, vol. 149/1-2, pp , Jan M. Abrams, Philippe C. Becker,Y. Fujimoto, Vincent O Byrne, and David Piehler, "FTTP Deployments in the United States and Japan - Equipment Choices and Service Provider Imperatives," J. Lightwave Technol. 23, M. De Andrade, G. Kramer, L. Wosinska, J. Chen, S. Sallent, and B. Mukherjee, Evaluating Strategies for Evolution of Passive Optical Networks, IEEE Communications, vol. 49, n. 7, julho de NeoPhotonics, Acesso em: 10 de abril de OptiSystem 9, Acesso em: 9 de março de R. E. Wagner, John R. Igel, Robert Whitman, Mark D. Vaughn, A. Boh Ruf- fin, and Scott Bickham, "Fiber-Based Broadband-Access Deployment in the United States,"J. Lightwave Technol. 24, , The Furukawa Electric, Acesso em: 9 de marco de Gb/s Ethernet Passive Optical Network, IEEE P802.3av Task Force. Disponível em IEEE Standard 802.3ah. Apresentado em: Aprovado em: