Redes de Transporte Ópticas

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1 Redes de Telecomunicações Capítulo 5 Redes de Transporte Ópticas João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 235

2 Espectro Óptico e Comprimentos de Onda Os sistemas de comunicação óptica operam na banda do espectro electromagnético com comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, ou seja na região do infra-vermelho (não visível pelo olho humano). Banda usada pelos sistemas de comunicação óptica νλ = c Ultra-violeta Visível Infra-vermelho Comprimento de onda Frequência λ (μm) ν (Hz) O ITU (International Telecommunications Union) definiu seis bandas passíveis de serem usadas pelos sistemas de comunicação sobre fibra óptica. Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L Banda U λ(nm) As bandas mais usadas pelos sistemas comerciais são as bandas O e C. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 236

3 Largura de Banda de Transmissão A relação entre um espaçamento no domínio da frequência (Δν) e um espaçamento no domínio do comprimento de onda (Δλ) é dada por c ν Δλ Δ 2 0 onde λ 0 é o comprimento de onda central na banda considerada e c é a velocidade de propagação da luz no vazio. λ A largura de banda total de transmissão correspondente às bandas do ITU é calculada na tabela seguinte: Banda Designação λ 0 (nm) Δλ (nm) Δν (THz) O Original E Extended S Short C L U Conventional Long Ultralong Total 59 THz João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 237

4 Fibras Ópticas As fibras ópticas dividem-se em fibras monomodais e fibras multimodais. As redes WDM (Wavelength Division Multiplexing) só usam fibras monomodais. Os principais fenómenos limitativos são a atenuação e a dispersão. O primeira é responsável por reduzir a amplitude dos pulsos e a segunda por alargá-los. Coeficiente de atenuação (db/km) Fibra óptica monomodal normal 0.35 db/km Comprimento Onda (μm) nm Coeficiente de atenuação (db/km) Fibra óptica monomodal AllWave 0.35 db/km Sinal WDM nm Comprimento Onda (μm) A fibra óptica monomodal normal apresenta um pico de atenuação devido à absorção OH em 1385 nm. A fibra AllWave elimina este pico. Fibra Normal A banda disponível para WDM (atenuação 0.35 db/km) situa-se entre os 1440 e 1625 nm, o que corresponde a 370 canais para um espaçamento de 0.5 nm. Fibra AllWave A banda disponível para WDM (atenuação 0.35 db/km) situa-se entre os 1330 e 1625 nm, o que corresponde a 590 canais para um espaçamento de 0.5 nm. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 238

5 Caracterização da Atenuação A atenuação (A f ) é uma medida da perda de potência do sinal óptico resultante da propagação ao longo da fibra óptica e exprime-se usualmente em decibel (db), ou seja A 10 log p p (0) ( L) o f = p o (0): potência na entrada em mw p o o (L): potência na saída em mw É usual nas comunicações em fibra óptica exprimir a potência óptica em dbm, definida como sendo o nível de potência, em escala logarítmica, medido relativamente a 1 mw, ou seja p o P 0 (dbm) = 10log 1mW 0 dbm = 1 mw 30 dbm= 1W Por sua vez Po ( L)(dBm) = Po (0)(dBm) Af (db) A fibra óptica é caracterizada em termos do coeficiente de atenuação, definido como sendo a atenuação por unidade de comprimento, ou seja α(db/km) = A f (db)/ L(km) João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 239

6 Bandas de Utilização das Fibras Janela Designação Banda (nm) Tipo de fibra Aplicações Primeira Multimodal LAN, Ethernet Ex:1000 Base-Sx Segunda O Monomodal (G.652) Mono λ PON, Ethernet Terceira C Monomodal Mono λ (G.655) e WDM Quarta L Monomodal WDM (G.653) Quinta E Monomodal WDM (All Wave) Sexta S Monomodal WDM, LAN (G.652) PON João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 240

7 Transmissão Digital Óptica Considera-se um sistema de transmissão digital óptico com compensação da dispersão, através de uma fibra compensadora de dispersão (DCF): Fonte óptica Fibra Óptica DCF Fotodíodo Préamplificador Filtro v(t) Regenerador P s (1) P s (0) Juntas P r (1) P r (0) Receptor óptico BER Razão de extinção (r) =P s (0)/P s (1) As fontes ópticas podem ser de três tipos: LED, Laser modulado directamente e laser+modulador externo. P 0 Laser modulado directamente P 0 t Laser + modulador externo Modulador externo P 0 t Corrente I V t t João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 241

8 Fotodetecção No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico. hc λ < λ c =, h = E Fotodíodos PIN g 34 J.s Os fotodíodos PIN são baseados numa junção p-n com material intrínseco (I) colocado entre os dois tipos de semicondutor. A junção é polarizada inversamente. E c E v Fotão _ + Par electrãolacuna Campo Eléctrico E g Banda de condução Banda de valência InP p Região de absorção InPAs i Região de depleção O campo eléctrico é intenso em quase toda a região de absorção. InP n + João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 242 x

9 Caracterização dos Fotodetectores Num fotodíodo PIN ideal por cada fotão incidente na região de absorção seria originado uma par electrão-lacuna na região de depleção. Num PIN real a eficiência de conversão η (designada por eficiência quântica) é inferior a um. Potência óptica incidente, P o PIN η, R λ Foto-corrente, I η = ritmo de geração de pares electrão - lacuna = ritmo de fotões incidentes Respostividade (A/W) R I ηq = hv λ = = Po I / q P hν o / [ μm] λ η 1.24 q=carga do electrão= C h=constante de Planck= J.s ν:frequência da radiação óptica Num fotodetector APD (Avalanche Photodiode) o processo de multiplicação por avalanche é caracterizado por um ganho m(t) aleatório com valor médio M. Fotão incidente Par electrãolacuna + _ + + _ Ionização por impacto _ Multiplicação de avalanche i( t) = R m( t) P Corrente instantânea: λ 0 Corrente média: I =< i >= Rλ MP0 João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 243

10 Caracterização do Sinal Recebido Admitindo que o fotodetector é um PIN a corrente na sua saída tem a contribuição do sinal e do ruído quântico. Essa corrente é dada, respectivamente, para o nível lógico 1 (i 1 (t)) e para o nível 0 (i 0 (t)) por nível lógico1: i1 ( t) = R λ Pr (1) + iq1( t) nível lógico 0 : i0( t) = R λ Pr (0) + iq0( t) Tendo presente que o receptor introduz ruído de circuito, a corrente na saída do filtro (para os dois níveis lógicos) é dada por Corrente de ruído para o nível 1 nível lógico1: i 1( t) = I1 + n1 ( t) nível lógico 0 : i0 ( t) = Io + n0( t ) Corrente de ruído para o nível 0 Valor médio da corrente para o nível 1 Valor médio da corrente para o nível 0 Densidade de probabilidade I I 1 σ 1 p(i 1) Corrente I 1 Instante de decisão D I 0 p(i o) D I 0 Limiar de decisão σ 0 t 0 Tempo João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 244

11 Estatística do Sinal Amostrado O sinal i(t) é aplicado à entrada de um regenerador, cujo esquema de blocos é o seguinte: Amostragem i(t) i(t 0 ) Decisão e formatação do pulso i(t 0 )> D simbolo 1 i(t 0 )< D simbolo 0 Recuperação de relógio Admite-se que a amostra i(t 0 ) tem uma distribuição Gaussiana com média I 1 e variância σ 12 =<n 12 > para o nível lógico 1 e média I 0 e variância σ 02 =<n 02 > para o nível lógico 0. σ = σ q + σ ,1 c σ = σ q + σ ,0 c 2 2 σ q, 1 = 2qR λ Pr (1) Be, n q, 0 2qR λ Pr (0) Be, n σ = σ 2 c = 4 k BTfnBe, n / Rb B e,n : largura de banda de ruído do receptor; f n : factor de ruído do receptor; R b :resistência de polarização do fotodetector; T :Temperatura em K; K B : constante de Boltzmann ( J/K) João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 245

12 Avaliação de Desempenho A probabilidade de erro é dada por P = p Pr( 0/1) + p0p (1/ 0) e 1 r p 1 :probabilidade a priori de enviar o símbolo 1 p 0 :probabilidade a priori de enviar o símbolo 0 Pr(0/1):probabilidade de decidir pelo 0 tendo enviado o 1 Admitindo a equiprobabilidade dos símbolos, obtém-se para a probabilidade de erro, ou BER (razão de erros binários) a seguinte expressão: P e D I0 erfc σ 0 2 A função complementar de erro é definida por erfc( x) = 2 π x e t 2 dt = 1 4 Pr(1/0):probabilidade de decidir pelo 1 tendo enviado o 0 I1 erfc σ1 O limiar de decisão óptimo (D op ) que minimiza o BER, corresponde a fazer Pr(0/1)=Pr(1/0) e erfc( x) x x 2 π x 3 D 2 x=4.5, erfc(x)=1.966x10-10 x=4.7, erfc(x)=2.995x10-11 x=5.0, erfc(x)=1.538x10-12 D I I D σ I + σ I Q = I op 0 1 op = = Q D op = σ o σ σ1 + σ σ 0 1 +σ 0 1 I P e = 1 erfc Q 2 2 João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 246

13 Sensibilidade A sensibilidade do receptor ( P r ) é definida como a potência óptica mínima necessária para obter um valor de P e, normalmente para (Q 7). Para um receptor baseado num fotodíodo PIN o ruído quântico é desprezável. Nesta situação a sensibilidade do receptor é aproximada por P r = 1 2 P (1) + r Pr (0) = 1 r r Q R 2 σ λ c Ruído de circuito branco P r Be, n D b A sensibilidade do receptor com PIN diminui com a raiz do débito binário. Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência para garantir o mesmo desempenho. Débito Binário Tipo Sensibilidade Sobrecarga Sensibilidade de receptores que operam a 1.55 μm 155 Mbit/s pinfet -36 dbm -7 dbm 622 Mbit/s pinfet -32 dbm -7 dbm 10 Gbit/s pin -20 dbm 0 dbm Sobrecarga:valor máximo da potência na entrada do fotodetector João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 247

14 Sistemas com Cadeias de Amplificadores Ópticos No estudo de sistemas com cadeias de amplificadores ópticos admite-se que quando o sistema não opera em saturação o ganho de cada amplificador compensa exactamente a atenuação do troço de fibra anterior. Fonte óptica Fibra Óptica G G G Receptor óptico P s (1) P s (0) Amplificador óptico Cada amplificador óptico para além de amplificar o sinal também vai introduzir ruído, designado por ruído de emissão espontânea. P s (1) P s (0) Os amplificadores ópticos mais usados usam como elemento de amplificação um troço de fibra dopada com érbio e como fonte energética um laser. Laser bomba Fibra dopada com érbio Isolador Emite nos comprimentos de onda de 980 nm e 1480 nm EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Os EDFAs normais só amplificam na banda C, enquanto os EDFAs de banda ulta-larga amplificam nas bandas C e L. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 248

15 Sistema WDM Ponto-a-Ponto Os elementos essenciais de um sistema de multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) são os multiplexadores (MUX), responsáveis por agregar vários canais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer e os desmultiplexadores (DMUX) que realizam a operação inversa. Laser 1 Sinal multiplex λ1,λ 2,λ 3,..., λ N Receptor Óptico 1 Laser 2 λ 2 MUX EDFA EDFA EDFA DMUX λ 2 Receptor Óptico 2 Laser N λ N Fibra óptica monomodal λ N Receptor Óptico N Sistemas DWDM ( Dense WDM) ponto-a-ponto comerciais de ponta (2007) Fabricante Equipamento Capacidade Número de λs Ciena CoreStream 1.9 Tb/s 192 λs 10 Gb/s Alcatel-Lucent 1625 Lambda Extreme Transport 2.56 Tb/s 1.28 Tb/s 64 λs 40 Gb/s 128 λs 10 Gb/s Nortel Optical Long Haul Tb/s 80 λs 10 Gb/s 320 λs 2.5 Gb/s Ericsson Marconi MHL 3000 Core 3.2Tb/s 80 λs 40 Gb/s João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 249

16 Técnicas de Multiplexagem WDM A multiplexagem por divisão de comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) pode ser efectuada recorrendo a dois métodos. Multiplexagem selectiva P Pλ 2 Pλ Ν α(p + Pλ Pλ Ν ) α 2 P D M M α 2 Pλ 2 U U X Fibra Óptica X α 2 Pλ Multiplexador Ν Desmultiplexador α : perdas Multiplexagem não selectiva P Pλ 2 C O M (P + Pλ Pλ Ν )/Ν D E R P /Ν 2 Pλ 2 /Ν 2 Pλ Ν /Ν 2 Pλ Ν Combinador óptico Derivador óptico Filtros ópticos selectores de canal Na multiplexagem selectiva usam-se dispositivos baseados nas grelhas difractoras ou AWG. A principal vantagem desta solução é que as perdas são independentes do número de comprimentos de onda usados. Na multiplexagem não selectiva a separação dos canais é feita usando filtros ópticos. Neste caso as perdas dependem do número de λs. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 250

17 Multiplexagem Selectiva MUX/DEMUX baseados em grelhas difractoras λ 2 λ N MUX Todos os comprimentos de onda são focados no mesmo ponto focal e acoplados a uma fibra óptica. Grelhas difractoras Lente Fibras ópticas + λ λ N DMUX Um sinal de luz policromático ao incidir numa grelha difractora é difractada e dirigida para diferentes pontos no espaço. MUX/DEMUX baseados em AWG (arrayed waveguide grating) Desmultiplexagem 0 Perdas λ 3 λ 2 λ 1 λ 4 λ 5 Acoplador em estrela Acoplador em estrela λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 Transmitância (db) crosstalk f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 2 +FSR Free Spectral Range f Foram fabricados AWGs para 256 canais (comprimentos de onda), com um espaçamento entre canais de 0.2 nm (25 GHz), perdas de inserção de cerca de 5 db e crosstalk< 33 db. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 251

18 Normalização dos Comprimentos de Onda A normalização dos comprimentos de onda a usar nas redes WDM é importante para garantir a interligação de equipamentos de diferentes fabricantes e permitir aos fabricantes a redução dos custos de fabrico. A normalização de comprimento de onda é feita pela norma G.692 do ITU-T e usa um espaçamento idêntico na frequência para essa normalização. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz ( 0.4 nm), com a frequência central nominal de THz ( nm) THz 50 GHz 50 GHz 50 GHz frequência Outro parâmetro importante é o desvio máximo da frequência nominal de canal. Este desvio não deve ser muito elevado, caso contrário contribui para aumentar o crosstalk e as perdas. Para Δf 200 GHz o ITU-T especificou um desvio máximo de ±Δf/5. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 252

19 Papel da Rede de Transporte Óptica Router B Rede de Serviços (Rede IP) Router E Router F Router A Router C Router D ADM1 OADM: multiplexador de inserção/extracção óptico ADM2 ADM4 OTM: multiplexador óptico terminal Rede de Transporte SDH ADM3 OXC: comutador de cruzamento óptico Caminho Óptico (ADM1 ADM3) OADM OADM OADM OXC OADM OADM OADM Rede de Transporte WDM OTM OADM Caminho Óptico ( router D router F) João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 253

20 Elementos de Rede Ópticos Os elementos de uma rede óptica incluem amplificadores ópticos (OA), multiplexadores ópticos terminais (OTM, optical terminal multiplexer), multiplexadores de inserção/extracção (OADM, optical add/drop multiplexers) e cruzadores ópticos (OXC, optical crossconnects). Esses elementos de rede estão interligados entre si através de fibras ópticas de acordo com determinada topologia física (anel, malha, etc.). Os OLTs multiplexam diferentes comprimentos de onda num fibra óptica e também desmultiplexam um sinal WDM nos comprimentos de onda individuais. Os OADMs são usados em pontos da rede em que é necessária terminal localmente uma certa fracção dos comprimentos de onda transmitidos. São usados nas redes em anel. Os OXCs são usados quando é necessário comutar comprimentos de onda de uma fibra, para outra fibra, como é o caso das redes em malha. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 254

21 Amplificadores Ópticos de Linha Os amplificadores ópticos de linha são colocados no meio das vias ópticas, a intervalos periódicos, tipicamente entre km. Este amplificadores normalmente incluem dois blocos de amplificação EDFA, e um compensador de dispersão situado entre esses blocos. No caso dos amplificadores usados nas banda C e L, essas bandas são separadas na entrada e usam-se diferentes EDFAs para cada banda., λ 2,... λ N EDFA EDFA Terminação do canal de supervisão óptica λ so Compensação de dispersão λ so Adição do canal de supervisão óptica Receptor Laser O canal de supervisão óptica é extraído e terminado na entrada do amplificador e é adicionado na saída. Este canal é usado para controlar e monitorizar o desempenho dos amplificadores ópticos. É transportado num comprimento de onda diferente do usado para o tráfico. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 255

22 Multiplexador Óptico Terminal (OTM) O multiplexador óptico terminal é usado nas extremidades das ligações ponto-a-ponto para multiplexar e desmultiplexar diferentes comprimentos de onda. Inclui três elementos funcionais: transponder, multiplexador WDM e amplificador óptico. Transponder Router IP Não é ITU λ O/E/O ITU ADM SDH Não é ITU λ O/E/O ITU λ 2 MUX EDFA,λ 2,λ 3,λ so ADM SDH ITU λ 3 Função de adaptação Adição do canal de supervisão óptica Multiplexador óptico terminal Laser λ so A adaptação realizada pelos transponder corresponde às seguintes funções: - Alteração dos comprimentos de onda, de modo a ter na saída λs ITU-T; - Adição de cabeçalhos para funções de gestão; - Adição de códigos FEC (forward error correction); - Monitorização do BER (bit error rate). João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 256

23 Tipos de OADMs Num OADM o sinal WDM é desmultiplexado e os comprimentos de onda que requerem processamento local são extraídos e posteriormente inseridos. Os restantes comprimentos passam directamente do DMUX para o MUX. Os OADMs podem ser fixos ou reconfiguráveis. Nos primeiros o conjunto dos comprimentos de onda extraídos/inseridos é fixo, enquanto nos segundos pode ser alterado em resposta a mudanças nos padrões de tráfego. OADM fixo λ N OADM reconfigurável λ N, λ 2,.. λ N DMUX λ 2 λ 2 MUX, λ 2,.. λ N, λ 2,.. λ N DMUX λ 2 λ1 MUX Extracção Inserção Transponders(O/E/O) Transponders (O/E/O) Comutador óptico João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 257

24 Estrutura de um ROADM Estrutura de um ROADM (Reconfigurable OADM) Comprimento de onda expresso Fonte: I. Kaminow et al., Optical Fiber Telecommunications V. B, Fig. 8.2 WADD: wavelength add/drop device Dispositivo usado para inserir/extrair lambdas OA: Optical amplifier: amplificador óptico tipo EDFA. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 258

25 Configurações de OXCs A configuração de um OXC pode ser opaca ou transparente. Nas configurações opacas há conversões O/E ou E/O dentro do OXC,enquanto nas transparentes a configuração é totalmente óptica. Um OXC é constituído por vários OTMs, que realizem entre outras as funções de multiplexagem/desmultiplexagem, e por uma matriz de comutação. A matriz de comutação pode ser óptica ou eléctrica. OXC com comutação óptica OXC com comutação eléctrica, λ 2, λ 3 λ OTM 2 λ 3 λ 2 λ 3 OTM, λ 2, λ 3, λ 2, λ 3 OTM λ 2 λ 3 λ 2 λ 3, λ 2, λ 3 OTM, λ 2, λ 3 OTM λ 2 λ 3 Matriz de comutação óptica λ 2 λ 3 OTM, λ 2, λ 3, λ 2, λ 3 OTM λ 2 λ 3 Matriz de comutação eléctrica λ 2 λ 3 OTM, λ 2, λ 3, λ 2, λ 3 OTM λ 2 λ 3 λ 2 λ 3 OTM, λ 2, λ 3, λ 2, λ 3 OTM λ 2 λ 3 λ 2 λ 3 OTM, λ 2, λ 3 Gera λs ITU- não usa transponders Conversão O/E Conversão E/O João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 259

26 Exemplo de Comutadores Ópticos (MEMS) Comutadores basedos em sistemas micro-electro-mecânicos Os sistemas micro-electro-mecânicos ou MEMS (micro-electro-mechanical systems) são dispositivos mecânicos em miniatura fabricados usando substratos de silício. Os comutadores MEMS consistem em espelhos miniatura movíveis com dimensões da ordem das centenas de micrómetro. Conjunto de micro-espelhos movíveis desenvolvidos num substrato de silício (Lucent) Os micro-espelhos são deflectidos de uma posição para outra usando técnicas electromagnéticas, electro-ópticas ou piezoeléctricas. A estrutura mais simples é a do espelho 2D. Num estado o espelho está paralelo com o substrato não deflectindo o feixe de luz. No outro estado o espelho move-se para uma posição vertical e o feixe de luz é deflectido. Noutra estrutura o espelho pode rodar em torno de dois eixos de modo contínuo. Designa-se por espelho 3D. O tempo de comutação de um estado para outro é de cerca de 10 ms em ambas as estruturas. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 260

27 Comutadores Ópticos com MEMS Comutadores com espelhos 2D O comutador baseado em espelhos 2D usa uma arquitectura barra-cruzada. Na configuração com fibras ópticas nas entradas e nas saídas é necessário colimar os feixes na saída e na entrada das fibras para reduzir a sua divergência. A dimensão máxima dos comutadores deste tipo que é possível fabricar num único substrato está limitada a dimensões entre 32x32 a 64x64. Comutadores com espelhos 3D Matriz de espelhos Um espelho 3D permite implementar um comutador 1xN. Na figura ao lado representa-se um comutador 1152x1152 (Xros) baseado numa arquitectura de Spanke, e fazendo uso de duas matrizes de espelhos 3D cada uma com 1152 espelhos. Fibras de entrada Fibras de saída João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 261

28 Transparência das Redes Ópticas Uma das grandes vantagens da redes ópticas é ser transparente aos serviços. O utilizador pode enviar informação digital a qualquer débito (dentro de certos limites), usando qualquer formato, ou qualquer tipo de protocolo. Pode também transmitir informação analógica. Associada à transparência está o conceito de rede totalmente óptica. Nesta rede a informação é transmitida da fonte para o destino num formato óptico, sem qualquer conversão O/E, ou E/O dentro da rede. Estas redes designam-se por totalmente transparentes. Estas rede totalmente transparentes não usam regeneração e por isso comportam-se como rede analógicas onde os factores degradadores (ruído, distorção, interferência, etc ) são acumulados, o que limita a sua extensão. Enquanto não for possível dispor de regeneradores ópticos será de esperar a existência de alguma conversão opto-electrónica dentro das redes. OADM OXC Sub-rede óptica totalmente transparente Cliente da rede óptica OADM OADM OADM OADM OADM OADM Cliente da rede óptica Sub-rede óptica totalmente transparente Processamento opto-electrónico (regeneração) João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 262

29 Elemento de Rede SDH-NG+WDM Multiservice Transport Platform (MSTP) Fonte: José M. Caballero Migration to next generation SDH, Trend Communications Virtual Private Networks Digital Video Broadcasting StorageAreaNetworks (Fiber Channel, ESCON, etc.) Um MSTP resulta da adição a um MSPP de funções de inserção extracção no domínio óptico. Permite o provisionamento de comprimentos de onda extremo-a extremo ao longo de uma rede, evitando o uso de transponders para para funções de conversão O-E-O. Tipicamente é usado nas redes de núcleo e metro. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 263

30 Rede de Transporte Óptica A rede de transporte óptica ou OTN (Optical Transport Network) foi fruto de normalização recente do ITU-T (G.709, G.872, G.959) tendo como alvo o transporte a longa distância com débitos binários desde 2.5 Gb/s até 40 Gb/s. A OTN define uma hierarquia de transporte óptica ou OTH (Optical Transport Hierarchy), conceptualmente algo similar à SDH. A OTH é estruturada em duas etapas, sendo a primeira etapa realizada no domínio eléctrico e a segunda no domínio óptico. A primeira etapa consiste no mapeamento dos sinais dos tributários numa trama de comprimento fixo e na adição de cabeçalhos apropriados, conduzindo à formação da entidade OTU-k (Optical Channel Transport Unit). O valor de k está associado ao débito binário (OTU-1: Gb/s; OTU-2: 10.7 Gb/s e OTU-3: 43 Gb/s). A segunda etapa consiste na formação dos canais ópticos, na multiplexagem WDM e na introdução dos cabeçalhos apropriados e conduz à formação da entidade OTM-n.m (Optical Transport Module), (n: número de canais ópticos e m=0, para canais com débito misto e m=1, 2 ou 3, para k=1, 2 ou 3). João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 264

31 Estrutura de Camadas da OTH A estrutura de camadas da OTH está representada na figura seguinte. Clientes (SDH, ATM, IP, Ethernet) Adição de cabeçalhos das diferentes camadas no domínio eléctrico Unidade de carga do canal óptico ou OPU-k OPU Carga do cliente Domínio eléctrico (Envoltório digital) Unidade de dados do canal óptico ou ODU-k Unidade transporte do canal óptico ou OTU-k ODU Canal óptico ou OCh OTU FEC Domínio óptico Secção de multiplexagem óptica ou OMS-n Secção de transmissão óptica ou OTS-n OTM-n.m Os cabeçalhos das camadas ópticas são enviados em modo não associado no canal de supervisão óptica O sinal proveniente dos clientes é mapeado na camada OPU (optical channel payload unit). Esta camada adiciona octetos sem informação para adaptar os débitos e introduz o seu cabeçalho. A OPU é convertida em seguida na ODU (optical channel data unit) através da adição do correspondente cabeçalho. A fase seguinte consiste na conversão da ODU na OTU (optical channel transport unit) através da adição do cabeçalho e do campo FEC (forward error correction). Cada OTU vai modular uma fonte óptica. O sinal óptico obtido juntamente com um cabeçalho apropriado corresponde à entidade OCh (optical channel). A camada OMS (optical multiplex section) é responsável pela multiplexagem WDM e pela adição do seu cabeçalho. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 265

32 Papel das Camadas Ópticas da OTH As camadas ópticas da OTH são: camada de canal óptico (OCh, optical channel), camada de secção de multiplexagem óptica (OMS, optical multiplex section) e camada de secção de transmissão óptica (OTS, optical transmission section). Funcionalidades das camadas: Camada de canal óptico: Acomodação de dispersão por canal, identificação de canal, comutação de protecção de canal. Camada de secção de multiplexagem óptica: Multiplexagem óptica, atribuição de comprimento de onda, identificação do comprimento de onda, comutação de protecção de multiplexagem, conversão de comprimento de onda. Camada de secção de transmissão óptica: Amplificação óptica, compensação de dispersão através dos amplificadores de linha. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 266

33 Definição das Camadas Ópticas O canal óptico (OCh) corresponde a uma ligação extremo a extremo numa rede totalmente óptica, também designada por caminho óptico. Cada via entre um OTM e um OADM (ou OXC) corresponde à secção de multiplexagem óptica (OMS). Cada via OMS é constituída por vários segmentos (OTS), sendo cada segmento delimitado por um estágio de amplificação. Amplificador de linha AL OXC OTM Transponder S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão Secção de Multiplexagem Canal óptico (OCh) S. de Multiplexagem Caminho Óptico OADM AL λ 2 OXC OADM Transponder OTM S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão Secção de Multiplexagem Canal óptico (OCh) S. de Multiplexagem Caminho Óptico (usa dois λs) João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 267

34 Equipamento versus Camadas Ópticas Exemplo da relação entre algumas funções das camadas ópticas e o equipamento terminal WDM. OCh OMS Identificação de canal Atribuição de λ Potência do canal Cabeçalho de OMS Laser (OSC) Piloto Laser Multiplexer WDM Laser OTS Cabeçalho de OTS Amplificador Função dos cabeçalhos: Controlo do ganho OCh: Fixação da potência emitida e monitorização da recebida, alarmes (perda de sinal). OMS: Monitorização e configuração de equipamento( nível de sinal, frequência dos canais demux, selecção dos canais inseridos/extraídos, etc.), alarmes, informação de protecção. OTS: Identificação do amplificador, controlo do amplificador (ganho, potência da bomba), controlo da compensação de dispersão e dos comutadores de protecção, alarmes,etc. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 268

35 Subdivisão da Camada de Canal Óptico O canal óptico (OCh) por sua vez é subdividido em várias sub-camadas no domínio eléctrico: unidade de carga (OPU), unidade de dados (ODU ) e unidade de transporte (OTU). Unidade de carga (OPU) (Optical Channel Payload Unit ) Unidade de dados (ODU) (Optical Channel Data Unit) Unidade de transporte (OTU) (Optical Channel Transport Unit) Adapta o débito binário do sinal do tributário ao débito binário desta estrutura ( OPU-1: Gb/s, OPU-2: Gb/s, OPU-3: Gb/s) através da introdução de octetos sem informação e da realização de justificação positiva/negativa. Tal como o OPU é criado quando o sinal do tributário entra na rede óptica e mantém-se intacto ao longo da rede. É comparável aos contentores virtuais da SDH. Esta unidade é terminada/ criada em cada ponto de regeneração. É responsável por processar o código FEC. OPU/ODU OTU OTU OTU OTM OXC OTM OTM OADM OTM OTM OTM Caminho Transponders/ regeneradores João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 269

36 Estrutura da Trama da OTU-k Numa representação bidireccional a trama da entidade OTU-k está estruturada em 4080 colunas e 4 linhas e contem os seguintes blocos: capacidade transportada, cabeçalhos de OPU, ODU e OTU e campo de FEC (Forward Error Correction), este último usado para detecção e correcção de erros. OTU: - Enquadramento de trama (6 octetos) - Enquadramento de multitrama (1 octeto) - Monitorização de desempenho (3 octetos - Canal de comunicação de dados (2 octetos) - 2 octetos reservados. ODU: - Monitorização de um canal em ligações em cascata - Supervisão extremo a extremo - Canal de comunicação de dados - Protecção de canal. OPU: - Etiqueta de sinal (identifica a capacidade transportada) - Octetos para funções de justificação - Octetos reservados Duração das tramas (OTU-k): k= μs; k= μs; k= μs Estrutura da trama OTU-k octetos OTU ODU Cabeçalho de OPU Capacidade transportada Campo FEC FEC Reed-Solomon Code RS (255, 238) BER=10-4 s/fec BER= c/fec João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 270

37 Estrutura dos Cabeçalhos A estrutura dos cabeçalhos de ODU e OTU é a seguinte: PET PEM SM GCC Res OTU RES TCM TCM6 TCM5 TCM4 FTTL TCM3 TCM2 TCM1 PM RES ODU GCC1 GCC2 APS RES No cabeçalho da OTU a função dos diferentes campos é a seguinte: PET- padrão de enquadramento de trama: conjunto de octetos usados para sincronizar a trama; PEM-padrão de enquadramento de multitrama: sincronizar a multitrama em que alguns sinais (ex: traço) estão estruturados; SM: monitorização de secção: inclui identificador de traço, BIP-8, BDI (backward defect indication), BEI (backward error indication, etc; GCC (General Communication Channels): canais usados para transportar informação de gestão, equivalente aos canais DCC da SDH. RES- reservado. No campo da ODU a função dos diferentes campos é a seguinte: TCM (Tandem Connection Monitoring)- monitorização das ligações em cascata com seis níveis de monitorização: cada campo inclui um identificador de traço, BIP-8, BDI e BFI; PM (Path Monitoring) monitorização extremo-a-extremo: inclui indicador de traço, BIP-8, BDI e BEI; APS (Automatic Protection Switching) funções de protecção similares às da SDH; FTTL( Fault Type, Fault Location) identificação do tipo de falha e da sua localização. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 271

38 Monitorização das Ligações em Cascata A funcionalidade de TCM (Tandem Connection Monitoring) permite a um operador monitorizar a qualidade de uma ligação que se inicia e termina na sua rede, mas atravessa a rede de outros operadores. Operador A Operador B Operador A Utilizador Utilizador TCM1 Monitorização de QoS a nível do utilizador TCM2 Monitorização de QoS a nível do operador TCM3 Monitorização dos vários domínios de interligação O operador A deve ter capacidade de monitorizar a qualidade do sinal que passa na rede do operador B. Em presença de uma falha na ligação, com utilização de monitorização das ligações em cascata é possível identificar facilmente a sua localização. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 272

39 Códigos FEC Os códigos FEC usados na OTN são os códigos de Reed-Solomon. Estes códigos fazem partem dos códigos de blocos cíclicos e lineares usados para detectar e corrigir erros. Estes códigos partem de k símbolos de informação e geram n símbolos, introduzindo r=n-k símbolos redundantes - RS(n,k). Admitindo que um símbolo tem m bits, tem-se que n=2 m -1. Estes códigos têm capacidade para corrigir r/2 símbolos errados. Para as aplicações nas redes ópticas tem-se, habitualmente, m=8, n=255 e r=16 o que conduz ao código RS(255,239). Para exemplificar o funcionamento de um código de blocos considere-se um código de Hamming (7,4), Este código parte de símbolos com 4 bits e gera palavras de código com 7 bits. Ex: Número do bloco Sequências de entrada Sequências de saída O número de bits diferentes entre duas palavras do código designa-se por distância de Hamming p. No caso anterior p=3. Este código permite detectar até p-1 erros e corrigir até (p-1)/2 erros Os códigos RS(255, 239) apresentam ganhos de codificação da ordem dos 6 db, o que permite reduzir significativamente o valor do BER (Ex: 10-4 s/fec e 2x10-13 c/fec). Para feitos de processamento do FEC cada linha da OTU é sub-dividida em 16 sub-linhas (3824/16=239) usando interposição de byte. Cada codificador FEC processa uma desta sub-linhas gerando 16 octetos redundantes. Os octetos redundantes das 16 sub-linhas são multiplexados, originando os 256 octetos que são colocados no fim do campo OTU. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 273

40 Transmissão de Cabeçalhos das Camadas Ópticas Os cabeçalhos associados às diferentes camadas ópticas são transmitidos no canal de supervisão óptica (OSC, optical supervisory channel), normalizado pelo ITU-T para ser transmitido no comprimento de onda de 1510 nm. Cada caminho óptico é caracterizado pelo seu identificador de canal óptico, o qual permite identificar, verificar a integridade e gerir a conectividade desse caminho. Para transmitir o identificador de canal óptico, adiciona-se uma sub-portadora, designado por piloto, ao sinal que modula o laser. Esse piloto tem uma frequência, normalmente na banda entre 1 e 2 MHz. O piloto pode ser também usado para monitorizar a potência. Cada caminho óptico pode ser caracterizado por um piloto com frequência única, a qual funciona como identificador de canal. Pode-se ainda ter uma frequência piloto por cada comprimento de onda, sendo o identificador de canal um sinal digital que modula o piloto. Inserção do piloto Monitorização do piloto Monitorização do piloto Terminação do piloto O canal de supervisão óptica é extraído, processado e inserido em todos os elementos de rede AL OADM OXC OSC OSC OSC Transponder João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 274

41 Aspectos de Gestão Os diferentes elementos a gerir (amplificadores ópticos, OTMs, OADMs e OXCs) designam-se por elementos de rede (NE). Cada elemento de rede é gerido pelo seu sistema de gestão de elemento ou EMS (element management system). A informação de gestão é processada em cada NE, pelo agente (software implementado num microprocessador), o qual comunica com o EMS. Um EMS pode gerir um ou mais elementos de rede. A comunicação do EMS com os elementos de rede é feita através da rede de comunicação de dados ou DCN (data communication network). O DCN pode ser transmitido pelo canal de supervisão óptica. Os diferentes EMS comunicam com o sistema de gestão de rede, através da rede de gestão ( rede IP). Tem uma visão completa da rede, permitindo estabelecer caminhos ópticos Sistema de gestão de elemento Sistema de gestão de rede Sistema de gestão de elemento Rede de comunicação de dados Rede de comunicação de dados OADM AL OXC OADM OTM OSC OSC João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 275

42 Protecção e Restauro Ópticos A protecção óptica pode ser linear ou de anel. Qualquer uma destas protecções pode ser dedicada (1+1), ou partilhada (1:1). A protecção linear é aplicada em ligações ponto-a-ponto. Essa protecção pode ser realizada a nível de canal óptico (protecção OCh), ou a nível de secção de multiplexagem óptica (protecção OMS). A protecção OCh protege os canais ópticos (comprimentos de onda) individualmente, enquanto a protecção OMS protege o sinal WDM. A protecção de anel aplica-se a topologias físicas em anel e também pode ser realizada a nível OCh, ou OMS. Os anéis podem usar duas ou quatro fibras como no caso da protecção a nível da SDH. O restauro óptico aplica-se a redes com uma topologia física em malha e consiste em encontrar caminhos ópticos alternativos aos caminhos com falhas, sendo a operação coordenada pelo centro de gestão de rede. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 276