REDES DE ACESSO ÓPTICO

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS DE SÃO JOSÉ CURSO SUPERIOR TECNOLÓGICO EM SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES REDES DE ACESSO ÓPTICO 1. Introdução A rede de acesso, também conhecida como rede de primeira-milha, conecta os provedores de serviços aos usuários. Esta rede também é conhecida na literatura como rede de última-milha. Nos últimos anos tem se dado muita ênfase no desenvolvimento de redes com alta capacidade, como redes OC-192 de 10Gbps. No entanto, tecnologias como DSL provém 1,5Mbps para dowstream e 128kbps para upstream como seu melhor. A rede de acesso é realmente um verdadeiro gargalo para o fornecimento de serviços de banda larga, tais como: video-on-demand, jogos interativos e video-conferência, para usuários finais. As soluções de acesso predominantes atualmente, DSL e CATV, possuem várias limitações porque sua infra-estrutura foi construída originalmente para transportar voz e sinais de TV analógicos, respectivamente. Sendo que elas foram sendo adaptadas ao longo do tempo para transportar dados digitais, o que não é o ideal. Além disso, o ADSL tem a limitação da distância do assinante até a central deve ser inferior a 5,5km por causa de distorções no sinal. Normalmente, os provedores DSL não prestam serviços para distâncias superiores a 3,5km, o que limita a distribuição dos serviços. Apesar de haver variações de DSL que oferecem uma taxa mais alta, como o VDSL com taxa de até 50Mbps, estas tecnologias possuem uma limitação ainda maior de distância, neste caso ficando o assinante separado a 500m da central. As redes de TV à cabo (CATV) prestam serviços de internet dedicando alguns canais de radiofrequência (RF) no cabo coaxial para trafegar dados. Este tipo de rede foi desenvolvida para oferecer serviços de rádio difusão, desta forma, ela não se encaixa adequadamente para redes de acesso. Quando está com uma carga elevada, o desempenho da rede geralmente é frustante para os seus clientes. Redes de acesso mais velozes são evidentemente desejadas para a próxima geração de aplicações de banda larga. Esta geração vai trazer a fibra óptica mais próximo 1 / 12

2 do usuário. O modelo FTTx Fiber-to-the-home (FTTH), Fiber-to-the-building (FTTB), etc oferece um potencial sem precedentes de taxa de transmissão ao usuário final. Esta tecnologia chega até a casa do cliente ou muito próximo a casa do cliente, de onde tecnologias como VDSL podem assumir a distribuição do sinal. Estas soluções FTTx são baseadas principalmente nas Redes Ópticas Passiva (PON). Uma comparação entre os diferentes mecanismos de redes de acesso é apresentada na figura a seguir: Figura 1: Comparação entre diferentes tecnologias de acesso. A fibra óptica é capaz de oferecer dentro de sua largura de banda, uma integração entre serviços de voz, dados e vídeo, em distâncias de até 20km ou mais dentro da rede de acesso do assinante. A maneira lógica de pensar a instalação de fibra óptica em uma rede acesso é usar uma topologia ponto-a-ponto (PtP), com uma fibra dedicada para cada usuário oriunda desde a central, conforme ilustra a Figura 2 (a). Enquanto, por um lado, esta é uma arquitetura simples, por outro é econimicamente inviável, devido ao fato de precisar de uma grande instalação de fibras, e estrutura para cada uma. Por exemplo, considerando N assinantes, a uma distância média de L km da central, uma estrutura PtP necessita de 2N transceptores e fibra óptica com um comprimento total de N x L (considerando que cada fibra opera bidirecionalmente). Para reduzir a quatidade de fibras óptica para ser instalada, é possível instalar um switch próximo ao bairro. Isto irá reduzir o consumo de fibra óptica para um valor próximo a L km (assumindo uma distância insignificante entre o switch e o cliente). Entretanto, irá aumentar o número de receptores para 2N + 2, porque foi adicionado mais um link na 2 / 12

3 rede, conforme está ilustrado na Figura 2 (b). Além disso, esta arquitetura de rede necessita de alimentação, assim como, o switch precisará inclusive de no-break. E um dos maiores custos de manutenção de uma rede é a manutenção elétrica da mesma. Figura 2: Cenários de implantação de uma rede FTTH. Portanto, torna-se lógico substituir essa estrutura cara e complexa de manter, por outra mais barata o divisor óptico passivo. A Rede Óptica Passiva (PON) é uma tecnologia vista por muitos como um atrativo para aplicações na última milha. Uma rede PON diminui o número de transceptores ópticos, de conectores com a central e de implantação de fibra óptica. Uma PON é uma rede óptica ponto-multiponto (PtMP) sem empregar elementos ativos no percurso do sinal desde a fonte até o destino. Os únicos elementos utilizados dentro de uma PON são componentes ópticos passivos, tais como fibras óptica, 3 / 12

4 conectores e divisores ópticos. Uma rede de acesso com base em uma única fibra PON requer N + 1 transceptores e apenas L km de fibra óptica, conforme ilustra a Figura 2 (c). 2. Tecnologias PON 2.1 Divisores / Acopladores Ópticos A PON emprega um dispositivo passivo (sem utilizar energia) para dividir um sinal óptico de uma fibra em várias outras, e reciprocamente, a combinar o sinal óptico de múltiplas fibas em um. Este dispositivo é um acoplador óptico, que na sua forma mais simples, é composto por duas fibras fundidas juntas. A potência recebida por qualquer uma das portas de entrada é dividida entre todas as portas de saída. A relação de divisão de um Divisor Óptico pode ser controlado pelo comprimento da região fundida, sendo desta forma, um parâmetro constante. Acopladores N x N são fabricados para ter vários estágios de acopladores 2 x 2, ou usando a tecnologia do guia de onda planar. Acopladores são caracterizados pelos seguintes parâmetros: a) Divisor de perda: nível de potência na saída do acoplador vs nível de potência na sua entrada, medida em db. Para um acoplador ideal 2 x 2, esta relação é 3dB; b) Perda de inserção: perda de potência que resulta do processo de fabricação do acoplador. Normalmente, este valor varia entre 0,1dB e 1,0dB; c) Direcionamento: uma certa quantidade de energia de entrada vaza de uma porta de entrada para outra porta de entrada. Acopladores são dispositivos altamente direcionáveis com o parâmetro de direcionamento atingindo 40 50dB. Muitas vezes os acopladores são fabricados para terem apenas uma entrada e uma saída. Um acoplador com uma entrada é denominado DIVISOR. Um acoplador com apenas uma saída é chamado de COMBINADOR. Às vezes, acopladores 2 x 2 são fabricados de forma altamente assimétrica, com razões de divisão 5/95 ou 10/90. Estes tipos de acopladores são usados para ramificar uma pequena parte da potência do sinal, por exemplo, para gerenciamento do sinal, sendo chamados de tap coupler. (http://www.oplink.com/pdf/lptc-s0093.pdf) 4 / 12

5 2.2 Topologia PON Logicamente, a rede de última milha é uma rede PtMP, com a central servindo múltiplos assinantes. Existem várias topologias multiponto adequadas para a rede de acesso, incluindo a topologia em árvore, em árvore-e-ramo, em anel ou em barramento. Usando um tap coupler óptico 1:2 e l:n divisores ópticos, PONs podem ser implementadas em qualquer uma destas topologias. Além disso, podem ser implementadas configurações redundantes tais como a topologia em anel duplo, ou em árvore dupla, ou a redundância pode ser apenas na parte da PON, sendo chamado de tronco da árvore. A Figura 3 ilustra algumas dessas topologias. Figura 3: Topologias PON. Todas as transmissões de uma PON são realizadas entre um Terminal de Linha Óptica (OLT) e Unidades de Rede Óptica (ONU). O OLT reside na central e conecta a rede de acesso óptico à rede da área metropolitana (MAN) ou à rede de área ampla (WAN), que também é conhecido como backbone ou rede de longa distância. A ONU está localizada tanto no usuário final (FTTH ou FTTB), como no barramento (FTTC fiber-tothe-curb). As vantagens de empregar PON em redes de acesso são inúmeros: a) PONs permitem um longo alcance entre a central (OLT) e as instalações do assinante (ONU), operando com distâncias de até 20km; b) PONs minimizam a instalação de fibras ópticas entre a OLT e a rede local; 5 / 12

6 c) PONs oferecem uma maior banda de transmissão devido a maior penetração de fibras, oferecendo soluções em Gbps; d) Operando no downstream como uma rede de difusão, PONs permitem a transmissão de vídeo, tanto vídeo IP como vídeo analógico; e) PONs eliminam a necessidade de multiplexadores ativos, diminuindo a complexidade da rede e a necessidade de manutenção; f) Sendo fim-a-fim opticalmente transparente, a PON permite atualizações para maiores taxas de bit, ou comprimento de onda adicionais. 2.3 Transceptores modo rajada Devido as distâncias desiguais entre o OLT e as ONUs, a atenuação do sinal óptico na PON pode não ser a mesma para cada ONU. O nível de potência recebida na OLT pode ser diferente para diferentes ONUs o chamado problema próximo-distante. A Figura 4 mostra os níveis de potência de quatro time-slots, recebidos de quatro ONU diferentes no OLT, em um sistema TDM-PON. Como pode ser visto, o sinal de uma das ONUs é menor do que o das demais, mostrando que provavelmente esta ONU esta mais distante da OLT do que as demais. Se o receptor do OLT é ajustado para receber adequadamente o sinal de alta potência de uma ONU próxima, pode equivocadamente ler uns como zeros quando receber um sinal fraco de uma ONU distante. No caso oposto, se o receptor estiver treinado para receber um sinal fraco, ele pode ler zeros como uns quando recebe um sinal forte. Figura 4: Problema próximo-distante em uma TDM-PON: nível de potência recebido no OLT de quatro time-slots. 6 / 12

7 Para detectar adequadamente o bit stream recebido, o receptor do OLT deve ser capaz de ajustar rapidamente o limiar de detecção zero-um no início de cada time-slot recebido, ou seja, deve operar no modo rajada. O receptor de modo rajada é necessário apenas no OLT. A ONU lê um bit stream continuamente enviado pelo OLT e não precisa ser reajustado rapidamente. Uma solução alternativa é permitir as ONU ajustarem a potência do seu transmissor para um valor tal que todos os níveis de potência recebido pelo OLT de todas as ONU seja o mesmo. Este método não é particularmente favorável para os projetistas de transceptores, devido tornar o hardware da ONU mais complexo, pois necessita de um protocolo de sinalização especial para que o OLT forneça um retorno de cada ONU, e o mais importante, isto degrada a performance de cada ONU, sendo equiparada àquela que está mais distante do OLT. Outro aspecto desta técnica é que não é apenas suficiente desabilitar as ONUs de transmitir dados. O problema é que, mesmo quando não tem dados, os lasers geram uma emissão espontânea de ruído. Esta emissão espontânea de ruído de várias ONUs localizadas próximas ao OLT podem facilmente interferir no sinal enviado por ONUs distantes do OLT (chamado de efeito captura). Então, uma ONU deve desligar o seu laser entre uma transmissão e outra. Devido o esfriamento do laser quando ele é desligado, e o aquecimento quando ele é religado, o laser emite uma potência que pode flutuar no início da transmissão. É muito importante que o laser seja capaz de se estabilizar rapidamente logo que ele é religado. 3. WDM-PON Embora uma rede PON seja um passo significativo no sentido de fornecer acesso à banda larga para o usuário final, ela não é muito escalonável. A forma básica de uma rede PON emprega apenas um único canal óptico, sendo que a banda disponível esta limitada à máxima taxa de bit do transceptor óptico, no qual com as tecnolgias atuais é da ordem de 10 a 40 Gbps. A atenuação devido a divisão limita o número máximo de Unidades de Rede Óptica (ONU) à 64. Isto limita o escalonamento da rede. E o custo de instalação para colocar a fibra óptica na rede de acesso é alto, considerando ainda as tecnologias que podem auxiliar o escalonamento da PON para melhorar sua capacidade. Muitas operadoras de telecomunicações estão cogitando implantar PON usando o modelo FTTx para oferecer os serviços de convergência do Protocolo de Internet (IP), de 7 / 12

8 vídeo, voz e dados definido como triple-play. Isto a um custo mais barato do que a assinatura cumulativa destes serviços contratados separadamente. Embora a PON ofereça uma maior banda do que as redes tradicionais de cobre de acesso a rede, ainda existe uma necessidade de aumentar ainda mais a largura de banda da PON empregando WDM (Wave Division Multiplexing), para que vários comprimentos de onda possam ser usados tanto para downstream quanto para upstream. Esta PON é conhecida como WDM-PON. Uma WDM-PON é uma rede de acesso pontoa-ponto (em oposição a rede ponto-multiponto da PON), na qual existe um comprimento de onda determinado entre o OLT e cada ONU. Cada comprimento de onda é roteado por uma Matriz de Comprimento de Onda (AWG). No WDM-PON diferentes ONUs podem ter diferentes taxas quando for necessário, podendo operar até a máxima taxa disponível no canal, entretanto, não poderá dividir o canal com nenhuma outra ONU. Além disso, ao contrário da PON, o WDM-PON não sofre perdas por divisão de potência. O uso de comprimentos de onda individuais para cada ONU também facilita a privacidade e preocupações com segurança nas quais a PON tem. Finalmente, por causa do causa do padrão de roteamento periódico de um AWG, o WDM-PON é facilmente escalonável. Tendo em vista todas estas vantagens que o WDM-PON possui, WDM tem sido recomendado como uma atualização da PON pelo padrão ITU-T G Arquitetura WDM-PON Todas as arquiteturas propostas na literatura para o WDM-PON basicamente, empregam um comprimento de onda independente para cada ONU no sentido downstream (OLT para ONU). Entretanto, as diversas arquiteturas propostas na literatura diferem na quantidade de recursos usados no sentido de upstream (ONU para OLT). A comunicação no sentido upstream se difere da downstream por duas razões principais: o equipamento ONU deve ser barato tendo em vista que são feitos em larga escala; é desejado não ter um equipamento com comprimento de onda específico na ONU, pois dificulta o gerenciamento e manutenção de toda a estrutura. Uma das primeiras arquiteturas WDM-PON emprega WDM na faixa de 1550nm para o downstream, e um único comprimento de onda na faixa de 1310nm para o upstream, empregando TDMA (Multiplo Acesso por Divisão em Frequência). Tanto o downstream como o upstream podem utilizar a mesma fibra óptica para transmitir os 8 / 12

9 sinais, empregando WDM Esparso (CWDM). Esta arquitetura tem sido chamada pela literatura como PON Composto (CPON). Um único comprimento de onda e um receptor de modo-rajada são usados no OLT para receber o sinal de upstream. Este tipo de receptor deve ser utilizado para sincronizar os sinais transmitidos por diferentes ONUs no domínio do tempo, nos quais estão posicionados em distâncias diferentes do OLT. A Figura 5 ilustra uma arquitetura CPON. Figura 5: Arquitetura CPON. Uma das limitações desta arquitetura é o emprego de laser no transmissor da ONU, o que leva a custos proibitivos. Além disso, pode ser complicado controlar variações de comprimento de onda devido variações de temperatura na ONU. A arquitetura LARNET (Local Access Remote Network) tenta contornar as limitações da arquitetura CPON utilizando um transmissor na ONU com espectro mais amplo, sendo portanto mais barato, como um LED, cujo o espectro é cortado pelo roteador AWG no sentido de upstream. Quando um transmissor de espectro amplo é direcionado a uma das portas do AWG, os diversos comprimentos de onda que formam este espectro amplo, são direcionados para diferentes portas de saída. O OLT emprega um receptor de modo-rajada em banda larga (ao contrário de um único comprimento de onda da arquitetura CPON), no qual pode receber qualquer componente espectral baseada em LED. TDMA é usado para dividir o canal de upstream. A Figura 6 ilustra a arquitetura LARNET. A arquitetura LARNET se mostra atrativa devido da tecnologia do LED estar bem madura e este tipo de equipamento estará disponível no mercado por um bom tempo ainda. Além disso, os LED são muito mais baratos do que os lasers, tornando os 9 / 12

10 equipamentos ONU mais atrativos economicamente. A limitação está no corte espectral realizado pelo roteador AWG, que causa uma grande perda de potencia do sinal. Isto acaba limitando o alcance deste tipo de arquitetura. Figura 6: Arquitetura LARNET. Recentemente variações da arquitetura LARNET tem sido sugeridas na qual o sinal de upstream da ONU pode rotornar para todas as outras ONUs a partir do AWG pelo canal de downstream, utilizando ligações adequadas no AWG com base na sua propriedade do roteamento periódico. O AWG geralemente é instalado próximo a ONU. Devido ao atraso de propagação da ONU para o AWG ser muito pequeno, pode ser usado o protocolo Ethernet, por exemplo, para conter a resolução do tráfego de upstream. A arquitetura RITENET (Rede de Terminal Integrado Remoto) visa evitar o uso do transmissor na ONU, modulando o sinal de downstream vindo do OLT e o retransmitindo. O sinal do OLT é compartilhando tanto para o downstream como para o upstream, através do compartilhamento temporal. O quadro é dividido em duas partes, uma é usada para a transmissão no sentido downstream, e a outra no sentido upstream. Um AWG 2 x N é usado para rotear os comprimentos de onda. Uma vez que o mesmo canal óptico é usado para os dois sentidos do sinal, eles devem ser separados em duas fibras ópticas. No entanto, ao contrário das arquiteturas CPON e LARNET, a arquitetura RITENET não requer compartilhamento do canal entre ONUs no upstream e, potanto, não há limitação de taxa neste sentido de transmissão. A Figura 7 ilustra a arquitetura RITENET. 10 / 12

11 Figura 7: Arquitetura RITENET. Enquanto a arquitetura RITENET ajuda a reduzir os custos com o terminal de usuário, ONU, a distância entre o OLT e a ONU está agora muito menor, tendo em vista que o sinal ao sair do OLT percorre o dobro da distância. Da mesma forma, como o sinal é compartilhado pelas duas extremidades, a taxa de bits da PON deve ser dobrada. Além disso, a quantidade de fibras empregada nesta arquitetura é o dobro da demais, o que irá aumentar o custo do instalação e manutenção. Um receptor WDM deve ser usado no receptor do OLT (o mesmo não é necessário na LARNET e CPON), aumentando a complexidade e custo do equipamento OLT. Todas as arquiteturas mostradas utilizam um único laser multi-comprimento de onda como fonte transmissora no OLT. Os produtos comerciais que produzem um espectro óptico com múltiplos comprimentos de onda, compõem muitas frequências ópticas estáveis individuais que poderiam estar bloqueadas na tabela da ITU, agoram já estão liberadas. Os múltiplos comprimentos de onda podem ser modulados com moduladores independentes, como ilustra a Figura 8. Uma fonte de laser de múltiplos comprimentos de onda também implicará em uma maior estabilidade de comprimento de onda na rede comparado com o uso de múltiplos lasers, pois uma única fonte pode ser mais facilmente estabilizada e controlada devido as variações de temperatura. 11 / 12

12 Figura 8: Modulando uma fonte de laser de múltiplos comprimento de onda. Roteadores AWG são blocos compondo várias arquiteturas WDM-PON. A tecnologia óptica integrada amadureceu muito nos últimos anos e o número de canais tem sido escalonados muito bem. Em 2006 estavam disponíveis comercialmente 40 canais AWG. Quanto maior for a quantidade destes dispositivos instalados, menor deverá ser o seu custo. Sabendo que o AWG precisa de uma rede de acesso externa, é a estabilidade térmica é muito importante. As temperaturas externas podem variar entre -35ºC e 80ºC. As variações de temperatura fazem a frequência de operação variar, fazendo com que o AWG opere à deriva. Diversos ensaios de campo com base nas arquiteturas acima foram relatadas em literatura recentemente. Foi realizado um experimento de uma rede de acesso óptico fornecendo acesso Gigabit Ethernet a mais de 100 usuários. Foi utilizada uma variação da arquitetura RITENET, com a diferença que ao invés de usar um comprimento de onda por ONU, foi utilizado dois, um para o upstream e outro para o downstream. Isto elimina a necessidade de compartilhamento de tempo. Mas são necessário 256 comprimentos de onda para atender 128 usuários. 4. Referências MUKHERJEE, Biswanath. Optical WDM Networks. Editora Springer. 1ª edição. ISBN Davis, Califórnia EUA / 12

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