CONCEPÇÃO E PROJECTO DE REDES DE ACESSO/METRO ÓPTICAS HÍBRIDAS BASEADAS EM PONS DE GRANDE COBERTURA. Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Transcrição

1 CONCEPÇÃO E PROJECTO DE REDES DE ACESSO/METRO ÓPTICAS HÍBRIDAS BASEADAS EM PONS DE GRANDE COBERTURA João Carlos Chilrito Mendes Bernardo Engenharia Electrotécnica e de Computadores Júri Presidente: José Manuel Bioucas Dias, DEEC Orientador: João José de Oliveira Pires, DEEC Vogais: João Lopes Rebola, ISCTE Paulo Miguel Nepomuceno Pereira Monteiro, UA Julho de 2010

2 ii

3 Agradecimentos Serve o seguinte texto para agradecer às várias pessoas que me apoiaram e ajudaram durante a realização deste trabalho. Em primeiro lugar, um especial agradecimento ao professor João Pires e ao Eng. João Santos da Siemens S.A. pela constante disponibilidade, orientação, confiança e paciência. Um obrigado aos meus colegas do IST pela companhia e amizade partilhada durante todo este percurso académico e, por fim, mas não menos importante, um carinhoso agradecimento a todos os meus familiares e amigos. O meu mais sincero obrigado. iii

4 iv

5 Resumo Este trabalho tem como objectivo projectar uma rede de acesso/metro óptica híbrida baseada em PONs de grande cobertura, que reduza os custos de investimento e de operação. A sua base comporta um anel, ao longo do qual se distribuem o terminal de linha óptica (OLT) e os nós de interligação (RNs) com as componentes de acesso óptica passivas (PONs). Estudam-se esquemas de comunicação, entre a OLT e as unidades de rede óptica (ONUs), que incluem estratégias híbridas Multiplexagem por Divisão de Comprimento de Onda/Multiplexagem por Divisão de Tempo (WDM/TDM) e técnicas de conversão de comprimento de onda, concretizando-se com a introdução de estruturas para OLT, RN e ONU. Além disso, apresenta-se um esquema de protecção, baseado no mecanismo dedicado de protecção de anel usando o canal óptico (OChDPRING). De modo a avaliar a viabilidade física da rede, os esquemas de transmissão são modelados fisicamente e desenvolve-se um processo de optimização, que usa algoritmos genéticos para determinar os esquemas de amplificação ideais. Tendo em conta o compromisso existente entre a largura de banda e os custos, conclui-se que as estratégias de comunicação híbridas são as mais prometedoras, sobretudo a que usa conversão de comprimento de onda. Os resultados da análise da camada física mostram que, dos esquemas estudados, só o que utiliza conversores via modulação de ganho cruzado (XGM) em amplificador ópticos semicondutores (SOAs) é que não é viável a 10 Gbps. Face a isto, sugere-se, para trabalhos futuros, o estudo do conversor via modulação de fase cruzada (XPM) em SOAs. Palavras-Chave Rede PON de grande cobertura; esquema de transmissão; conversão de comprimento de onda; mecanismo de protecção; esquema de amplificação; algoritmos genéticos. v

6 Abstract This work aims to design a hybrid optical access/metro network based on long-reach PONs that reduces investment and operating costs. Its base contains a ring, along which are distributed the optical line terminal (OLT) and the interconnection nodes (RNs) with the passive optical access components (PONs). Different schemes for providing communication between the OLT and the optical network units (ONUs), which include hybrid Wavelength Division Multiplexing/Time Division Multiplexing (WDM/TDM) strategies and wavelength conversion techniques, are studied and the structures for the OLT, RN and ONU are also detailed. Besides that, it is presented a protection scheme, based on the optical channel dedicated protection ring (OChDPRING) mechanism. In order to assess the network s physical feasibility, the communication schemes are physically modelled and it is developed an optimization process, which uses genetic algorithms to determine the optimal amplification schemes. Taking into account the compromise between bandwidth and cost, it is concluded that the most promising communication strategies are hybrid, especially those using wavelength conversion. The physical layer results show that the only scheme that is not practicable for 10 Gbps is the one that uses converters based on cross gain modulation (XGM) in semiconductor optical amplifiers (SOAs). Given this, it is suggested, for future work, the study of the converter based on cross phase modulation (XPM) in SOAs. Keywords Long-reach PON; communication scheme; wavelength conversion; protection scheme; amplification scheme; genetic algorithms. vi

7 Índice Índice... vii 1 Introdução Enquadramento Do Trabalho Objectivos E Estrutura Do Trabalho Contribuições Do Trabalho Caracterização De Uma Rede De Acesso/Metro Óptica Híbrida Baseada Em PONs De Grande Cobertura Estrutura Esquemas De Transmissão TDM DL + TDMA UL WDM DL + WDMA UL Híbrido WDM/TDM DL + TDMA UL WDM DL + WDMA UL Híbrido Sujeito A UWC Mecanismo De Protecção Em Síntese Análise Da Camada Física Da Rede PON De Grande Cobertura Análise Das Redes TDM E WDM/TDM-PON De Grande Cobertura Conceitos Teóricos Esquemas De Amplificação Ideais Resultados Para O Estado De Serviço TDM DL + TDMA UL: Resultados E Sua Interpretação WDM DL + WDMA UL Híbrido: Resultados E Sua Interpretação WDM/TDM DL + TDMA UL: Resultados E Sua Interpretação Resultados Para O Estado De Protecção WDM DL + WDMA UL Híbrido: Resultados E Sua Interpretação Problemas Introduzidos Pelo Mecanismo De Protecção Análise Da Rede WDM/TDM-PON De Grande Cobertura Com UWC Conceitos Teóricos Resultados E Sua Interpretação Em Síntese Conclusão Trabalho Futuro Anexo A Penalidade De Potência Devida À Dispersão A.1 Componentes Da Penalidade De Potência Devida À Dispersão A.1.1 Parâmetro De Dispersão Da Fibra A.1.2 Caracterização De Fontes Ópticas A.2 Variação Da Penalidade Com O Comprimento Da Ligação vii

8 Anexo B Penalidade De Sensibilidade Burst-Mode B.1 Receptor Óptico Convencional B.1.1 Ruído Na Ausência De Amplificação Óptica B.1.2 Probabilidade De Erro De Bit Do Receptor Óptico Convencional B.2 Receptor Óptico Burst-Mode B.2.1 Probabilidade De Erro De Bit Do Receptor Óptico Burst-Mode B.2.2 Variação Da Penalidade De Sensibilidade Com O Tamanho Do Preâmbulo Anexo C Amplificação Óptica C.1 Classes De Amplificadores C.2 Caracterização Do Amplificador C.3 Ganhos Dos Amplificadores Na Rede PON De Grande Cobertura C.3.1 TDM DL + TDMA UL: Determinação E Apresentação C.3.2 WDM DL + WDMA UL Híbrido: Determinação E Apresentação Anexo D Optimização Da Rede D.1 Implementação Dos Algoritmos Genéticos D.1.1 Problema D.1.2 Representação D.1.3 Avaliação D.1.4 Selecção D.1.5 Reprodução D.1.6 Inicialização D.1.7 Substituição D.1.8 Terminação D.2 Apresentação E Interpretação Dos Resultados D.2.1 TDM DL + TDMA UL: Sentido Ascendente Da Rede D.2.2 TDM DL + TDMA UL: Sentido Descendente Da Rede D.2.3 WDM DL + WDMA UL Híbrido: Sentido Ascendente Da Rede D.2.4 WDM DL + WDMA UL Híbrido: Sentido Descendente Da Rede D.2.5 Interpretação Dos Resultados E Conclusões D.3 Optimização Da WDM/TDM-PON De Grande Cobertura Com UWC Anexo E Selecção Do Tipo De Fotodetector E.1 TDM DL + TDMA UL: Selecção E Justificação E.2 WDM DL + WDMA UL Híbrido: Selecção E Justificação Anexo F Parâmetros De Cálculo viii

9 Lista De Figuras FIG. 1.1: ESTRUTURA HIERÁRQUICA DE UMA REDE DE TELECOMUNICAÇÕES [1] FIG. 1.2: ESTRUTURA TRADICIONAL DA REDE PON [3] FIG. 1.3: SOLUÇÕES FTTX [3] FIG. 2.1: ESTRUTURA DA REDE DE ACESSO/METRO ÓPTICA HÍBRIDA BASEADA EM PONS DE GRANDE COBERTURA... 7 FIG. 2.2: ESTRUTURA DA OLT, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL FIG. 2.3: ESTRUTURA DA ONU, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL FIG. 2.4: ESTRUTURA DO RN, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL FIG. 2.5: ESTRUTURA DA OLT, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO FIG. 2.6: ESTRUTURA DO RN #, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO FIG. 2.7: ESTRUTURA DA ONU DA REDE #, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO FIG. 2.8: SERVIÇOS ACTUALMENTE E BREVEMENTE DISPONÍVEIS NO ACESSO [14] FIG. 2.9: ESTRUTURA DA OLT, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM/TDM DL + TDMA UL FIG. 2.10: ESQUEMA DO CONVERSOR DO RN #, BASEADO NA MODULAÇÃO DE GANHO CRUZADO EM SOA FIG. 2.11: ESTRUTURA DO RN #, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO SUJEITO A UWC FIG. 2.12: FUNCIONAMENTO DA REDE EM SERVIÇO (A) E PROTECÇÃO (B) FIG. 2.13: FUNCIONAMENTO DO RN EM SERVIÇO (A) E PROTECÇÃO (B) FIG. 3.1: PERCURSO TOMADO PELO SINAL, SEGUNDO O SENTIDO DE TRANSMISSÃO: (A) ASCENDENTE, (B) DESCENDENTE FIG. 3.2: ESTRUTURA DO CROMOSSOMA: (A) REDES TDM-PON E WDM/TDM-PON, (B) REDE WDM/TDM-PON COM UWC DE GRANDE COBERTURA FIG. 3.3: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DA OLT, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR PIN: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON # FIG. 3.4: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DA OLT, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR APD: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON # FIG. 3.5: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DE UMA ONU, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR PIN: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON # FIG. 3.6: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DE UMA ONU, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR APD: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON # FIG. 3.7: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DA OLT, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR PIN: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON # ix

10 FIG. 3.8: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DA OLT, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR APD: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON # FIG. 3.9: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DE UMA ONU, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR PIN: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON # FIG. 3.10: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DE UMA ONU, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR APD: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON # FIG. 3.11: PERCURSOS DESCRITOS PELOS SINAIS, QUANDO OCORRE UMA FALHA NUM TROÇO DE FIBRA DO ANEL DA REDE: (A) TROÇO #1, (B) TROÇO #2, (C) TROÇO #3 E (D) TROÇO # FIG. 3.12: ESQUEMAS DE AMPLIFICAÇÃO NO ESTADO DE: (A) SERVIÇO, (B) PROTECÇÃO FIG. 3.13: ESQUEMAS DE AMPLIFICAÇÃO FINAIS NO ESTADO DE: (A) SERVIÇO, (B) PROTECÇÃO FIG. 3.14: NOVA ESTRUTURA PARA O RN FIG. 3.15: PERCURSO DESCRITO PELO SINAL ASCENDENTE, NA REDE WDM/TDM-PON SUJEITA A UWC FIG. 3.16: ESTRUTURA INTERNA DO CONVERSOR DE COMPRIMENTO DE ONDA, PRESENTE NO RN #. 52 FIG. 3.17: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DA OLT, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO SUJEITO A UWC E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR PIN: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON # FIG. 3.18: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DA OLT, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO SUJEITO A UWC E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR APD: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON # FIG. 3.19: VARIAÇÃO DA RAZÃO DE EXTINÇÃO, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO SUJEITO A UWC FIG. A.1 VARIAÇÃO DO PARÂMETRO DE DISPERSÃO COM O COMPRIMENTO DE ONDA, PARA VÁRIOS TIPOS DE FIBRA [21] FIG. A.2: VARIAÇÃO DA PENALIDADE DE POTÊNCIA DEVIDA À DISPERSÃO CROMÁTICA, EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO TOTAL DA LIGAÇÃO. GRÁFICO TIRADO A 10 GBPS, PARA VÁRIOS VALORES DO PARÂMETRO DE CHIRP E SEGUNDO O SENTIDO ASCENDENTE FIG. A.3: VARIAÇÃO DA PENALIDADE DE POTÊNCIA DEVIDA À DISPERSÃO CROMÁTICA, EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO TOTAL DA LIGAÇÃO. GRÁFICO TIRADO A 10 GBPS, PARA VÁRIOS VALORES DO PARÂMETRO DE CHIRP E SEGUNDO O SENTIDO DESCENDENTE FIG. B.1: DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM RECEPTOR ÓPTICO CONVENCIONAL [21] FIG. B.2: FUNÇÕES DENSIDADE DE PROBABILIDADE DA AMOSTRA DE CORRENTE ( 0 E 1 ) [21] FIG. B.3: DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM RECEPTOR ÓPTICO BURST-MODE [3] FIG. B.4: FUNÇÕES DENSIDADE DE PROBABILIDADE DA AMOSTRA DE CORRENTE ( 0 E 1 ) E DO LIMIAR DE DECISÃO [27] FIG. B.5: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DO RECEPTOR EM FUNÇÃO DA SUA SENSIBILIDADE. GRÁFICO TIRADO A 10 GBPS: (A) PIN, (B) APD FIG. C.1: MODELO EQUIVALENTE DE UM AMPLIFICADOR ÓPTICO FIG. C.2: VARIAÇÃO DO GANHO, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DE ENTRADA ( 0 IGUAL A 25 DB E IGUAL A 13 DBM) FIG. C.3: VARIAÇÃO DO GANHO DO AMPLIFICADOR, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU PERTENCENTE À PON #4, PARA O ESQUEMA TDM DL + TDMA UL: (A) AMPLIFICADOR #1, (B) #2, (C) #3 E (D) # x

11 FIG. C.4: VARIAÇÃO DO GANHO DO AMPLIFICADOR, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT, PARA O ESQUEMA TDM DL + TDMA UL: (A) AMPLIFICADOR #1, (B) #2, (C) #3 E (D) # FIG. C.5: VARIAÇÃO DO GANHO DO AMPLIFICADOR, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO: (A) AMPLIFICADOR #1, (B) #2, (C) #3 E (D) # FIG. C.6: VARIAÇÃO DO GANHO DO AMPLIFICADOR, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT, PARA O ESQUEMA WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO: (A) AMPLIFICADOR #1, (B) #2, (C) #3 E (D) # FIG. C.7: VARIAÇÃO DA POTÊNCIA TOTAL, PARA UMA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO TRANSMISSOR DE 3 DBM, AO LONGO DA CADEIA DE AMPLIFICAÇÃO PRESENTE NO ANEL: (A) INTERIOR, (B) EXTERIOR DA REDE TDM-PON DE GRANDE COBERTURA, (C) INTERIOR E (D) EXTERIOR DA REDE WDM/TDM-PON DE GRANDE COBERTURA FIG. D.1: ESTRUTURA DO CROMOSSOMA, PARA OS CASOS DAS REDES TDM-PON E WDM/TDM-PON DE GRANDE COBERTURA FIG. D.2: REPRESENTAÇÃO DOS PERCURSOS QUE SE PODEM ESTABELECER ENTRE A OLT E AS VÁRIAS PONS, QUANDO A REDE SE ENCONTRA EM ESTADO DE SERVIÇO: (A) SENTIDO ASCENDENTE DE TRANSMISSÃO, (B) SENTIDO DESCENDENTE FIG. D.3: FLUXOGRAMA DO ALGORITMO UTILIZADO FIG. D.4: EXEMPLO DA VARIAÇÃO DA POTÊNCIA DE EMISSÃO DO TRANSMISSOR DA ONU, PARA O CROMOSSOMA MAIS APTO DA POPULAÇÃO, AO LONGO DA EVOLUÇÃO DO ALGORITMO (ESQUEMA TDM DL + TDMA UL) FIG. D.5: EXEMPLO DA VARIAÇÃO DA POTÊNCIA DE EMISSÃO DO TRANSMISSOR DA OLT, PARA O CROMOSSOMA MAIS APTO DA POPULAÇÃO, AO LONGO DA EVOLUÇÃO DO ALGORITMO (ESQUEMA TDM DL + TDMA UL) FIG. D.6: EXEMPLO DA VARIAÇÃO DA POTÊNCIA DE EMISSÃO DO TRANSMISSOR DA ONU, PARA O CROMOSSOMA MAIS APTO DA POPULAÇÃO, AO LONGO DA EVOLUÇÃO DO ALGORITMO (ESQUEMA WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO) FIG. D.7: EXEMPLO DA VARIAÇÃO DA POTÊNCIA DE EMISSÃO DO TRANSMISSOR DA OLT, PARA O CROMOSSOMA MAIS APTO DA POPULAÇÃO, AO LONGO DA EVOLUÇÃO DO ALGORITMO (ESQUEMA WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO) FIG. D.8: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DO RECEPTOR DA OLT EM FUNÇÃO DO GANHO DO AMPLIFICADOR #1 (, 1 18 ; 0,2, 0,3, 0, ;, 2,, 3,, 4 17 ; 12 ) FIG. D.9: FORMATO DO CROMOSSOMA (WDM/TDM-PON COM UWC) FIG. D.10: FORMATO FINAL DO CROMOSSOMA (WDM/TDM-PON COM UWC) xi

12 Lista De Tabelas TAB. 1.1: PARÂMETROS GPON E EPON TAB. 2.1: COMPRIMENTOS DE ONDA (NM) UTILIZADOS NA REDE PON DE GRANDE COBERTURA, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL TAB. 2.2: COMPRIMENTOS DE ONDA UTILIZADOS, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO HÍBRIDO WDM DL + WDMA UL TAB. 2.3: COMPRIMENTOS DE ONDA UTILIZADOS, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM/TDM DL + TDMA UL TAB. 2.4: RESUMO DAS PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS ESQUEMAS DE TRANSMISSÃO TAB. 3.1: ESQUEMAS DE AMPLIFICAÇÃO IDEAIS TAB. 3.2: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU (EM DBM), CORRESPONDENTES A UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE E PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL TAB. 3.3: LIMITES MÁXIMOS DEFINIDOS, NAS NORMAS GPON E EPON, PARA A POTÊNCIA MÉDIA DE EMISSÃO (DBM) TAB. 3.4: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU (EM DBM), CORRESPONDENTES A UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE 10-3 E PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL TAB. 3.5: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT (EM DBM), CORRESPONDENTES A UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE E PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL TAB. 3.6: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT (EM DBM), CORRESPONDENTES A UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT COM UM VALOR DE 10-3 E PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL TAB. 3.7: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU (EM DBM), CORRESPONDENTES A UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE E PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO TAB. 3.8: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU (EM DBM), CORRESPONDENTES A UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE 10-3 E PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO TAB. 3.9: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT (EM DBM), CORRESPONDENTES A UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE E PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO TAB. 3.10: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL (DBM) À SAÍDA DOS EMISSORES DE UMA ONU (UL) E DA OLT (DL), CALCULADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE 10-3, NA SITUAÇÃO DE FALHA DO PRIMEIRO TROÇO DE FIBRA DO ANEL TAB. 3.11: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL (DBM) À SAÍDA DOS EMISSORES DE UMA ONU (UL) E DA OLT (DL), CALCULADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE 10-3, EM AMBOS ESTADOS DE REDE TAB. 3.12: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU (EM DBM), CORRESPONDENTES A UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE E PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO SUJEITO A UWC TAB. 3.13: VALORES PARA A POTÊNCIA (EM W) DAS COMPONENTES DE RUÍDO ASE, À ENTRADA DO RECEPTOR DA OLT TAB. 3.14: RESULTADOS A 1.25 GBPS, PARA A CAMADA FÍSICA DA REDE PON DE GRANDE COBERTURA, EM SERVIÇO TAB. 3.15: RESULTADOS A 2.5 GBPS, PARA A CAMADA FÍSICA DA REDE PON DE GRANDE COBERTURA, EM SERVIÇO xii

13 TAB. 3.16: RESULTADOS A 10 GBPS, PARA A CAMADA FÍSICA DA REDE PON DE GRANDE COBERTURA, EM SERVIÇO TAB. 3.17: RESULTADOS FINAIS, PARA A CAMADA FÍSICA DA REDE WDM/TDM-PON DE GRANDE COBERTURA TAB. A.1: VALORES DO PARÂMETRO DE DISPERSÃO (PS/NM/KM) PARA OS VÁRIOS COMPRIMENTOS DE ONDA (NM) UTILIZADOS TAB. A.2: FONTES ÓPTICAS E SUAS CARACTERÍSTICAS TAB. B.1: VALORES PARA A PENALIDADE DE SENSIBILIDADE BURST-MODE A 10 GBPS (, 10 12) TAB. C.1: GANHOS DOS AMPLIFICADORES DA REDE TDM-PON DE GRANDE COBERTURA, PARA UMA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO TRANSMISSOR DE 3 DBM TAB. C.2: GANHOS DOS AMPLIFICADORES DA REDE WDM/TDM-PON DE GRANDE COBERTURA, PARA UMA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO TRANSMISSOR DE 3 DBM TAB. D.1: QUANTIDADES DE CROMOSSOMAS SELECCIONADOS TAB. D.2: DOMÍNIOS DAS VARIÁVEIS QUE COMPÕEM O CROMOSSOMA (TDM DL + TDMA UL NO SENTIDO ASCENDENTE) TAB. D.3: ALGUNS RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO ALGORITMO GENÉTICO PARA O CENÁRIO TDM DL + TDMA UL NO SENTIDO ASCENDENTE DA REDE (GANHOS EXPRESSOS EM DB E POTÊNCIAS EM DBM) TAB. D.4: DOMÍNIOS DAS VARIÁVEIS QUE COMPÕEM O CROMOSSOMA (TDM DL + TDMA UL NO SENTIDO DESCENDENTE) TAB. D.5: ALGUNS RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO ALGORITMO GENÉTICO PARA O CENÁRIO TDM DL + TDMA UL NO SENTIDO DESCENDENTE DA REDE (GANHOS EXPRESSOS EM DB E POTÊNCIAS EM DBM) TAB. D.6: DOMÍNIOS DAS VARIÁVEIS QUE COMPÕEM O CROMOSSOMA (WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO NO SENTIDO ASCENDENTE) TAB. D.7: ALGUNS RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO ALGORITMO GENÉTICO PARA O CENÁRIO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO NO SENTIDO ASCENDENTE DA REDE (GANHOS EXPRESSOS EM DB E POTÊNCIAS EM DBM) TAB. D.8: DOMÍNIOS DAS VARIÁVEIS QUE COMPÕEM O CROMOSSOMA (WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO NO SENTIDO DESCENDENTE) TAB. D.9: ALGUNS RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO ALGORITMO GENÉTICO PARA O CENÁRIO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO NO SENTIDO DESCENDENTE DA REDE (GANHOS EXPRESSOS EM DB E POTÊNCIAS EM DBM) TAB. D.10: DOMÍNIOS DAS VARIÁVEIS QUE COMPÕEM O CROMOSSOMA (WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO COM UWC) TAB. D.11: ALGUNS RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO ALGORITMO GENÉTICO PARA O CENÁRIO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO COM UWC (GANHO EXPRESSO EM DB E POTÊNCIAS EM DBM) TAB. E.1: VALORES DAS COMPONENTES DE RUÍDO (EM A 2 ), DETERMINADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE E PARA UM DÉBITO DE 10 GBPS (TDM DL + TDMA UL NO SENTIDO ASCENDENTE) TAB. E.2: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA TOTAL À ENTRADA DO RECEPTOR DA OLT (EM DBM), CALCULADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT COM UM VALOR DE E PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL TAB. E.3: VALORES DAS COMPONENTES DE RUÍDO (EM A 2 ), DETERMINADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE E PARA UM DÉBITO DE 10 GBPS (TDM DL + TDMA UL NO SENTIDO DESCENDENTE) TAB. E.4: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA TOTAL À ENTRADA DO RECEPTOR DE UMA ONU (EM DBM), CALCULADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT COM UM VALOR DE E PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL xiii

14 TAB. E.5: VALORES DAS COMPONENTES DE RUÍDO (EM A 2 ), DETERMINADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE E PARA UM DÉBITO DE 10 GBPS (WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO NO SENTIDO ASCENDENTE) TAB. F.1: DIMENSIONAMENTO FÍSICO DA REDE PON DE GRANDE COBERTURA TAB. F.2: CARACTERIZAÇÃO DOS AMPLIFICADORES (FINAL) E DOS FILTROS ÓPTICOS TAB. F.3: COMPRIMENTOS DE ONDA (NM) UTILIZADOS NA REDE PON DE GRANDE COBERTURA E RESPECTIVOS VALORES DE DISPERSÃO (PS/NM/KM), DE ATENUAÇÃO NA FIBRA (DB/KM), E DE RESPOSTIVIDADE (A/W) TAB. F.4: OUTRAS CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DOS RECEPTORES ÓPTICOS TAB. F.5: PERDAS DE POTÊNCIA (EM DB) NOS ELEMENTOS ÓPTICOS TAB. F.6: OUTROS PARÂMETROS IMPORTANTES: PENALIDADES E MARGENS (EM DB) xiv

15 Lista De Símbolos Parâmetro de chirp. Coeficiente de atenuação da fibra., 1 Atenuação genérica.,,,,,,,,,,., Perdas de potência no conector. Perdas de potência no acoplador direccional. Perdas de potência no filtro óptico. Perdas de potência no troço que interliga dois nós do anel da rede. Perdas de potência na OLT. Perdas de potência na ONU. Perdas de potência na componente de acesso PON. Perdas de potência no nó remoto RN. Perdas de potência no novo nó remoto RN. Perdas de potência no comutador. Perdas de potência no duplexor WDM. Parâmetro de dispersão da velocidade de grupo. Largura de banda óptica do filtro. Largura de banda óptica do amplificador. Largura de banda equivalente eléctrica do receptor óptico. Velocidade da luz no vazio. Largura espectral da fonte. Penalidade de potência associada ao efeito de dispersão. Penalidade de sensibilidade burst-mode.. Penalidade devida à dispersão e causada pela largura da fonte..,,,,,, Penalidade devida à dispersão e causada pela largura do sinal. Débito binário de transmissão. Débito binário total ascendente/descendente. Débito binário as/descendente associado à PON #. Débito binário médio as/descendente garantido a uma ONU. Débito binário médio as/descendente garantido a uma ONU da PON #. Parâmetro de dispersão da fibra. Parâmetro de dispersão máximo da fibra. Campo eléctrico do sinal, à entrada do receptor da OLT. Campo eléctrico do sinal, à entrada do receptor da ONU. 1 Parâmetros equivalentes: o primeiro (maiúsculas) encontra-se em unidades logarítmicas e o segundo (minúsculas) em lineares. xv

16 ,, Campo eléctrico ruído ASE gerado pelo amp. #, à entrada do receptor. Factor de excesso de ruído do fotodetector. Factor de ruído do pré-amplificador eléctrico. Factor de ruído do amplificador óptico. Ganho real do amplificador do conversor, quando o sinal vai a 0. Ganho real do amplificador do conversor, quando o sinal vai a 1. #,, Ganho real do amplificador do conversor #. Ganho real do amplificador # presente no anel da rede. Ganho para sinais fracos do amplificador presente no conversor. Ganho para sinais fracos do amplificador # presente no anel da rede. Constante de Planck. Corrente eléctrica à saída do fotodetector. Corrente eléctrica à saída do fotodetector, associada ao símbolo 0. Corrente eléctrica à saída do fotodetector, associada ao símbolo 1. Limiar de decisão. Corrente eléctrica de ruído à saída do fotodetector. Corrente eléctrica de ruído shot. Corrente eléctrica de ruído de multiplicação de shot. Corrente eléctrica de ruído térmico. Número de ONUs por componente de acesso PON. Razão dos coeficientes de ionização. Constante de Boltzmann. Número de ONUs da componente de acesso PON #. Comprimento de onda nominal de funcionamento. Comprimento de onda mínimo de dispersão nula. Comprimento de onda para o sentido descendente. Comprimento de onda para o sentido descendente de protecção. Comprimento de onda para o sentido descendente de serviço. Comprimento de onda para o sentido ascendente. Comprimento de onda para o sentido ascendente de serviço. Comprimento de onda para o sentido ascendente de serviço. Comprimento do troço de fibra que interliga dois nós do anel da rede. Comprimento da fibra de distribuição da componente de acesso PON. Comprimento da fibra de alimentação da componente de acesso PON. Ganho do fotodetector. Margem de segurança ou de funcionamento. Número de nós remotos RN. Tamanho da população de cromossomas. xvi

17 Eficiência quântica. Factor de emissão espontânea.,, Potência genérica.,., Potência de ruído ASE gerada pelo amp. #, à entrada do receptor. Probabilidade de erro de bit. Probabilidade de erro de bit burst-mode. Potência óptica média à saída do emissor. Potência óptica média máxima à saída do emissor. Potência óptica média de sinal à saída do emissor da OLT. Potência óptica média de sinal à saída do emissor da ONU. Potência óptica injectada no receptor., Potência óptica injectada no receptor, associada ao símbolo 0., Potência óptica injectada no receptor, associada ao símbolo 1. # #, # #, #,,,, #, # #,, Potência óptica média injectada no receptor. Potência óptica média de sinal à entrada do conversor #. Potência média de sinal à saída do conversor #. Potência de sinal, associada ao símbolo 0, à saída do conversor #. Potência de sinal, associada ao símbolo 1, à saída do conversor #. Potência óptica média de sinal à entrada do receptor da OLT. Potência óptica média de sinal à entrada do receptor da ONU. Potência de saturação interna do amplificador presente no conversor. Potência de saturação interna do amplificador # presente no anel. Potência óptica à saída do laser do conversor #. Carga do electrão. Factor SNR. Razão de extinção. Razão de extinção, à saída do conversor #. Respostividade do fotodetector. Resistência de polarização. Largura espectral r.m.s da fonte. Potência total de ruído verificada no receptor. Potência total de ruído verificada no receptor, associada ao símbolo 0., Potência total de ruído verificada no receptor, associada ao símbolo 1. Potência de ruído de shot. Potência de ruído de multiplicação de shot. Potência dos ruídos de batimento. Potência dos ruídos de batimento. xvii

18 :, : Potência de ruído térmico. Perdas de potência no repartidor 1:. Declive máximo de dispersão nula. Densidade espectral unilateral do ruído ASE. Densidade espectral unilateral do ruído ASE, à saída do amplificador. Temperatura absoluta. Frequência de transmissão do sinal. xviii

19 Lista De Acrónimos 10GEPON ADSL AG APD ASE ASS ATM AWG BER Bdcst BM CDM CDMA CWDM DBA DCF DFB DL DP DS DSL DWA EDFA EDWA EPON FEC FRA FTTB FTTC FTTCab FTTH FTTP FTTx FWM GPON HSI IEEE 10 Gigabit Ethernet Passive Optical Network Asymmetric Digital Subscriber Line Algoritmo Genético Avalanche Photodiode Amplified Spontaneous Emission Amplified Spontaneous Scattering Asynchronous Transfer Mode Arrayed Waveguided Grating Bit Error Rate Broadcast Burst-Mode Code Division Multiplexing Code Division Multiple Access Coarse Wavelength Division Multiplexing Dynamic Bandwidth Allocation Dispersion-Compensating Fiber Distributed Feedback Downstream Line Downstream Protection Downstream Service Digital Subscriber Line Dynamic Wavelength Allocation Erbium Doped Fiber Amplifier Erbium Doped Waveguide Amplifier Ethernet Passive Optical Network Forward Error Correction Fibre Raman Amplifier Fiber To The Building Fiber To The Curb Fiber To The Cabinet Fiber To The Home Fiber To The Premise Fiber To The x Four Wave Mixing Gigabit Passive Optical Network High Speed Internet Institute of Electrical and Electronics Engineers xix

20 IPTV ITU-T LD LED MAC OAM OCh OChDPRING OChSPRING ODN OFA OLT OMS ONT ONU OWGA P2P PIN PON QoS RBS RF RN RSOA RTT SARDANA SCM SCMA SDH SNR SOA SONET SRS TDM TDM-PON TDMA UL UP US UWC Internet Protocol Television International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector Laser-Diode Light-Emitting Diode Media Access Control Operations Administration and Maintenance Optical Channel Optical Channel Dedicated Protection Ring Optical Channel Shared Protection Ring Optical Distribution Network Optical Fibre Amplifier Optical Line Terminal Optical Multiplex Section Optical Network Terminal Optical Network Unit Optical Wave Guide Amplifier Peer-to-Peer Positive-Intrinsic-Negative Passive Optical Network Quality of Service Rayleigh BackScattering Radio Frequency Remote Node Reflective Semiconductor Optical Amplifier Round Trip Time Scalable Advanced Ring Dense Access Network Architecture Subcarrier Division Multiplexing Subcarrier Division Multiple Access Synchronous Digital Hierarchy Signal-to-Noise Ratio Semiconductor Optical Amplifier Synchronous Optical Network Stimulated Raman Scattering Time Division Multiplexing Time Division Multiplexing-Passive Optical Network Time Division Multiple Access Upstream Line Upstream Protection Upstream Service Upstream Wavelength Conversion xx

21 VDSL VoD VoIP WDM WDM-PON WDMA XGM XPM Very high bitrate Digital Subscriber Line Video on Demand Voice over Internet Protocol Wavelength Division Multiplexing Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network Wavelength Division Multiple Access Cross Gain Modulation Cross Phase Modulation xxi

22 xxii

23 1 Introdução As redes de telecomunicações podem ser organizadas, segundo a extensão geográfica, numa estrutura hierárquica com três níveis (ver Fig. 1.1). A rede de núcleo abrange uma vasta área, com frequência um país, cobrindo distâncias na ordem das centenas ou milhares de quilómetros e encontra-se dotada de uma elevada capacidade de transporte de informação (até Tbps). No extremo oposto da hierarquia situam-se as redes de acesso que se prolongam até aos utilizadores, por distâncias normalmente inferiores a 10 km, utilizando uma grande variedade de tecnologias. A interligar o núcleo e o acesso encontram-se as redes metropolitanas que se estendem, em média, por distâncias de 100 km. Na actualidade, o metro e o acesso são duas redes completamente distintas na tecnologia, nos protocolos e, ainda na maior parte dos casos, no meio de transmissão, pelo que a respectiva manutenção torna-se complexa e dispendiosa. Fig. 1.1: Estrutura hierárquica de uma rede de telecomunicações [1]. As crescentes necessidades de largura de banda têm impulsionado os operadores a melhorarem as infra-estruturas das suas redes, através do prolongamento da fibra óptica até às proximidades dos assinantes. Neste sentido, tornou-se evidente que a fibra óptica, dominante nas redes de metro e de núcleo devido à sua elevada capacidade de transmissão, prevalecerá como o meio de eleição no segmento final da rede. No fundo, a implementação de PONs (Passive Optical Networks) e de outras abordagens FTTH (Fiber To The Home) providenciará a gradual convergência acesso/metro, em termos do meio de transmissão. As PONs são um conceito discutido há mais de uma década e que se tem popularizado por permitir a partilhar dos custos, inerentes a uma rede de acesso óptica, por vários utilizadores, viabilizando a progressão da fibra óptica e disponibilizando maiores larguras de banda. Ao longo do tempo, têm sido propostas várias soluções baseadas nesta tecnologia, mas, na actualidade, apenas duas variantes das TDM-PONs (Time Division Multiplexing-PONs) se encontram massificadas: GPON (Gigabit PON) adoptada pela ITU-T (International 1

24 Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector) como a série G.984 e amplamente implementada em zonas da América do Norte e da Europa; EPON (Ethernet PON) definida pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) na norma 802.3ah e instalada em grande escala no Japão, na China e na Coreia [2]. A estrutura tradicional das redes TDM-PON é baseada numa topologia em árvore (ver Fig. 1.2) e enquadrada num esquema ponto a multiponto, em que se liga a OLT (Optical Line Terminal), colocada na central local, aos terminais: ONUs (Optical Network Units), segundo a IEEE, ou ONTs (Optical Network Terminals), pela ITU-T. Na ODN (Optical Distribution Network), uma fibra óptica de alimentação é dividida, através de um repartidor óptico passivo bidireccional, por um determinado número de fibras de distribuição que chegam às ONUs. Nestes sistemas são eliminados todos os elementos activos entre o provedor de serviço e o utilizador, ganhando-se em simplicidade, fiabilidade, custos de operação e de manutenção. A comunicação entre a OLT e as ONUs é bidireccional (full-duplex) e utiliza diferentes comprimentos de onda de canais CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) para separar os sentidos de tráfego. Como o próprio nome indica, este tipo de redes serve-se de protocolos MAC (Media Access Control) construídos com tecnologias TDM (Time Division Multiplexing). Fig. 1.2: Estrutura tradicional da rede PON [3]. As PONs podem ser implementadas na rede de acesso segundo vários esquemas de FTTx (Fiber To The x), como se evidencia na Fig. 1.3, aproximando ou afastando o equipamento óptico terminal das imediações do assinante: FTTH, FTTB (Fiber To The Building), FTTC (Fiber To The Curb) e FTTCab (Fiber To the Cabinet). Nos finais de 2007 já existiam 29 milhões de assinantes conectados mundialmente através de infra-estruturas FTTx e servidos maioritariamente via FTTH ou FTTB [4]. Estas duas arquitecturas são casualmente apelidadas de FTTP (Fiber To The Premise). As soluções FTTH levam a fibra óptica directamente até às residências dos assinantes e providenciam larguras de banda de 30 a 100 Mbps. No FTTB, cada fibra ataca um edifício e os utilizadores são servidos com cerca de 10 Mbps. As arquitecturas FTTC levam a fibra até 2

25 m dos assinantes e as FTTCab até cerca de 1.5 km. O restante troço de rede é construído em cobre e a largura de banda é definida pela tecnologia DSL (Digital Subscriber Line) empregue. Nos sistemas FTTC é normalmente utilizado o VDSL (Very high bitrate DSL), enquanto no FTTCab é usado o ADSL (Asymmetric DSL) [5]. Fig. 1.3: Soluções FTTx [3]. GPON e EPON são normas que diferem em vários aspectos, como no débito nominal de linha, na eficiência do protocolo, no orçamento de potência disponível entre a OLT e as ONUs, no factor de repartição e mesmo até no custo final. Na Tab. 1.1 indicam-se os parâmetros mais relevantes para as duas TDM-PONs. Resumidamente, pode-se dizer que a GPON apresenta um protocolo com uma maior eficiência. No entanto, a aposta, por parte da EPON, na tecnologia Ethernet torna-a a solução mais eficiente em termos económicos. Note-se que, a GPON também suporta Ethernet. Contudo, tem a vantagem adicional de suportar tráfego TDM e ATM (Asynchronous Transfer Mode). É consensual que estas TDM-PON (GPON e EPON) não conseguirão cumprir com as necessidades futuras do mundo das telecomunicações, sobretudo no que toca à largura de banda, pelo que, actualmente, já se pensa na próxima geração PON. Como exemplo, tem-se o trabalho iniciado em Setembro de 2006 para a normalização da 10GEPON (10 Gigabit EPON) e que foi concluído em Setembro de 2009 com a aprovação da norma IEEE 802.3av. A 10GEPON representa uma extensão da norma EPON e pretende elevar o débito a 10 Gbps [6]. A tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing) tem vindo a ser considerada como a solução ideal para incrementar a capacidade das redes ópticas, sem mudar drasticamente a infra-estrutura de fibra disponível. Como permite que uma única fibra transporte simultaneamente múltiplos comprimentos de onda, a ligação a cada um dos utilizadores finais acaba por se tornar virtualmente ponto a ponto. Assim, além de se aumentar bastante a largura de banda disponível, simplificam-se as tarefas de gestão, protecção e segurança da rede. A rede PON em que cada ONU é servida por um comprimento de onda único designa-se WDM-PON. 3

26 Tab. 1.1: Parâmetros GPON e EPON. GPON EPON Norma ITU-T G.984 IEEE 802.3ah Débito Downstream [Mb/s] , Débito Upstream [Mb/s] , , , Codificação de Linha NRZ (+ scrambling) 8B/10B Comprimentos de onda D/U [nm] 1490±10/1310± ±10/1310±50 RF overlay [nm] 1550±5 1550±5 Eficiência Média 93% 65% Factor de Repartição Máx. 1:64 1:16/1:32 Alcance Máx. [km] 10/20 (físico); 60 (lógico) 10/20 (físico) Orçamento Máx. [db] 15/20/25 15/20 Protocolo de Transmissão De Dados Ethernet sobre GEM e/ou ATM Ethernet Suporte TDM TDM nativo e/ou (Emulação de Circuitos) TDM sobre ATM e/ou TDM sobre pacote TDM sobre pacote OAM e Gestão PLOAM e OMCI OAM Ethernet (SNMP opcional) Segurança no Downstream AES Não definida Custo Relativo/ONU 100% 78% A proliferação das PONs, aliada ao desenvolvimento de variados serviços e aplicações de banda larga, exigirá o aumento da capacidade das redes de metro que, tradicionalmente, é resolvido com a instalação de equipamentos SONET/SDH (Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy) e WDM bastante dispendiosos. No entanto, com a partilha do mesmo meio de transmissão surgirá a possibilidade das redes de metro e de acesso convergirem, também, sob a utilização de tecnologias semelhantes, passando a beneficiar-se de economia de escala e de custos de manutenção mais baixos. Uma estratégia prometedora é a de aperfeiçoar a escalabilidade das PONs, sem mantê-las necessariamente passivas, ao ponto de suportar com uma única estrutura um grande número de assinantes que anteriormente se encontravam distribuídos por múltiplas redes de acesso. 1.1 Enquadramento Do Trabalho Nas publicações [3] e [7] demonstra-se a viabilidade de uma arquitectura baseada na norma 10GEPON, que devido à grande cobertura, ao elevado número de ONUs suportado e à resiliência contra falhas, providencia a fiável convergência entre o metro e o acesso. A rede 10GEPON de grande cobertura serve-se de uma estrutura anelar, que constitui o segmento de metro, para interligar várias 10GEPONs com uma única OLT. A interface metro/acesso é realizada por meio de nós remotos, que desempenham funções de amplificação, comutação para protecção e monitorização de sinal. A análise da camada física confirma a viabilidade 4

27 técnica de uma rede com 128 ONUs, distribuídas por 4 EPONs de 20 km e conectadas por um anel de 100 km. O presente trabalho baseia-se na arquitectura desta rede 10GEPON de grande cobertura. Face às crescentes necessidades dos utilizadores e aos futuros serviços de banda larga, perspectiva-se o aumento da sua capacidade de transmissão pela introdução de tecnologias WDM no segmento de metro. Porém, estando ciente dos custos proibitivos inerentes à atribuição de um comprimento de onda dedicado a cada utilizador, torna-se essencial manter o TDM nas componentes de acesso. Assim, elabora-se uma estratégia híbrida WDM/TDM que promove uma solução eficiente economicamente e escalável de sofisticação da tecnologia empregue na rede PON de grande cobertura. Em [8], faz-se referência a esta rede híbrida e concretiza-se com a apresentação de uma estrutura possível para os seus nós remotos, que utiliza conversão de comprimento de onda para garantir a compatibilidade com os sistemas de acesso já normalizados. [34], por exemplo, propõe a SARDANA (Scalable Advanced Ring Dense Access Network Architecture), uma PON de nova geração arquitecturalmente semelhante à 10GEPON de grande cobertura, mas que permite servir mais de 1000 utilizadores através da introdução de ONUs color-free baseadas em RSOAs (Reflective Semiconductor Optical Amplifiers). O seu principal objectivo prende-se com a (re)utilização dos equipamentos G/EPON e 10G. Ao fazer uso de técnicas de amplificação com bombeamento remoto, a SARDANA PON mantém-se totalmente passiva e resolve simultaneamente as elevadas perdas de potência inerentes a uma estrutura com 100 km. Os resultados experimentais demonstram que a SARDANA PON permite 10 Gbps no downstream e desde 1.25 a 5 Gbps no upstream. Mesmo na presença de um corte numa fibra, provou-se uma transmissão a 1.25 Gbps para 1024 ONUs. 1.2 Objectivos E Estrutura Do Trabalho Este trabalho tem como principal objectivo conceber e projectar uma rede de acesso/metro óptica híbrida baseada em PONs de grande cobertura, que promova a redução dos custos de investimento e de operação da rede. Isto envolve estudos de arquitecturas de rede (com elevada resiliência), estudos sobre aspectos de natureza física e a introdução de novas tecnologias como os amplificadores e WDM. O trabalho encontra-se dividido em 4 capítulos e 6 anexos. No Capítulo 2 propõe-se uma estrutura base para a rede e, em seguida, estudam-se e comparam-se os vários esquemas de transmissão que são alvos de possível implementação. Salienta-se que as várias estruturas dos elementos da rede estão dependentes das características destes esquemas. No Capítulo 3, as soluções identificadas são fruto de modelação a nível físico de modo a avaliar a viabilidade da rede em termos da sua implementação. Além disso, pretende-se o conhecimento das características de rede que optimizam o seu desempenho. No Capítulo 4 apresentam-se as conclusões relativas ao trabalho, assim como sugestões para trabalho futuro. 5

28 1.3 Contribuições Do Trabalho As principais contribuições deste trabalho são: Proposta e estudo dos esquemas de transmissão mais prometedores, ao nível da tecnologia PON; Análise das propriedades físicas de uma rede PON de grande cobertura e discussão sobre a sua viabilidade; Caracterização e análise, ao nível físico, de um conversor de comprimento de onda que utiliza modulação de ganho cruzado baseado em SOAs; Referência a um mecanismo de protecção da rede PON de grande cobertura e apresentação de soluções para torná-lo funcionalmente compatível com a rede; Desenvolvimento de um método de optimização (baseado em algoritmos genéticos) da rede, por actuação no esquema de amplificação. 6

29 2 Caracterização De Uma Rede De Acesso/Metro Óptica Híbrida Baseada Em PONs De Grande Cobertura Neste capítulo descreve-se a estrutura base da rede em análise, são propostos vários esquemas de transmissão e indicam-se as alterações a realizar à sua estrutura para implementar cada um dos esquemas. Mais tarde, propõe-se e descreve-se o mecanismo de protecção da rede. 2.1 Estrutura Neste trabalho analisa-se uma rede de grande cobertura, baseada em tecnologia PON, cuja estrutura se apresenta na Fig Como se observa pela figura, a base da rede comporta dois anéis de fibra óptica, unidireccionais, mas com sentidos de tráfego contrários. No anel exterior circulam, sempre no sentido retrógrado, os fluxos descendente de serviço (DS) e ascendente de protecção (UP). No anel interior são transmitidos, no sentido directo, o tráfego que contém o sentido ascendente de serviço (US) e o descendente de protecção (DP). Além disso, salienta-se que os comprimentos de onda de serviço e protecção, de um sentido, são idênticos. Fig. 2.1: Estrutura da rede de acesso/metro óptica híbrida baseada em PONs de grande cobertura. 7

30 Ao longo da estrutura anelar, que foi descrita no parágrafo anterior, distribuem-se nós remotos (RNs ou Remote Nodes) a partir dos quais derivam as componentes de acesso. Ao cargo destes RNs encontram-se as funções de amplificação, repartição, combinação e comutação para protecção dos sinais transmitidos entre a OLT da central local e os equipamentos terminais ONUs. Nas secções posteriores deste capítulo, propõem-se e descrevem-se possíveis estruturas para o RN. O acesso é realizado sob uma estrutura totalmente passiva, à semelhança das redes TDM-PON. A fibra de alimentação de cada PON é agora ligada a um RN que realiza a interface metro/acesso, ao contrário da rede típica, onde se encontrava directamente conectada à OLT. Na estrutura que se apresenta, a OLT encontra-se localizada no anel da rede. 2.2 Esquemas De Transmissão Numa rede desta dimensão, é essencial criar uma estratégia para o estabelecimento da comunicação entre a central e os seus múltiplos assinantes. Esta estratégia pode ser definida como um esquema de transmissão, o qual engloba um método de acesso múltiplo, para o sentido ascendente, e um método de multiplexagem da informação, para o descendente. Os esquemas de acesso múltiplo podem ser classificados em TDMA (Time-Division Multiple Access), WDMA (Wave-Division Multiple Access), SCMA (Subcarrier-Division Multiple Access) e CDMA (Code-Division Multiple Access). A técnica TDMA, actualmente a mais popular, atribui time slots dedicados a cada um dos assinantes ligados à rede. De modo a evitar colisões de dados, cada ONU deve negociar com a OLT os instantes de tempo em que pode enviar os seus dados. Um dos parâmetros importantes envolvidos neste processo é a distância da OLT à ONU, a qual permite calcular o atraso de tempo da informação. Note-se que, as ONUs encontram-se a distâncias diferentes da OLT. O processo de identificação do atraso de tempo actual a cada uma das ONUs é conhecido como ranging ou discovery [9]. Após atribuição, cada um dos assinantes fica habilitado a usar a capacidade máxima da ligação pela duração do seu time slot. Quando algum assinante não tem informação para enviar, a capacidade do canal pode ser atribuída a outros, caso estes possuam mais dados para transmitir. Este processo, designado por DBA (Dynamic Bandwidth Allocation), permite gerir a largura de banda do canal de forma mais eficiente, mas adiciona complexidade ao algoritmo de controlo da rede [9]. No esquema WDMA é atribuído um par de comprimentos de onda dedicados a cada um dos assinantes. Assim, e ao contrário do que sucede no TDMA, cada assinante pode transmitir informação a qualquer momento, usando a capacidade máxima da ligação. A independência criada entre as ONUs elimina quaisquer problemas de gestão e de QoS (Quality of Service) relacionados com a partilha da PON. Este facto torna a operação de uma rede WDMA muito simples. 8

31 O SCMA promove ligações ponto a ponto dedicadas através da atribuição de diferentes frequências (RF ou Radio Frequency) aos assinantes. Quer isto dizer que, cada assinante transmite essencialmente no mesmo comprimento de onda, mas os dados encontram-se codificados numa frequência RF única. No caso CDMA, todos os assinantes partilham o mesmo comprimento de onda, mas a cada um deles é atribuído um código ortogonal único e eficiente. Esta codificação permite, a qualquer momento, transmissões simultâneas pela parte das ONUS [9]. No sentido descendente, o problema é considerado muito mais fácil. Os métodos de multiplexagem correspondentes são o TDM (Time-Division Multiplexing), o WDM (Wave-Division Multiplexing), o SCM (Subcarrier-Division Multiplexing) e o CDM (Code-Division Multiplexing). O TDM usa um esquema de difusão, que separa em diferentes time slots os dados destinados a cada um dos assinantes. O destinatário é identificado através de um campo transmitido no cabeçalho do pacote ou, em alguns casos, pela localização do time slot na trama de dados. Neste método é relativamente fácil atribuir diferentes larguras de banda a cada utilizador, uma vez que a OLT detém o controlo das operações. Qualquer uma das ONUs tem acesso a todos os dados enviados pela OLT, pelo que é necessário encriptar os dados. À semelhança do caso TDMA, a capacidade de canal dedicada a cada um dos assinantes é igual a 1/K da capacidade máxima, em que K representa o número de assinantes da rede. No WDM cada assinante é servido por um comprimento de onda diferente e totalmente dedicado. Além disso, como cada um só tem acesso ao comprimento de onda que lhe foi atribuído, não existem problemas de segurança. O WDM promove ligações lógicas ponto a ponto dedicadas a cada utilizador, sem os problemas da partilha do canal por múltiplos assinantes. Quer isto dizer que, a capacidade de canal dedicada a cada um dos assinantes é igual à capacidade máxima, tal como sucede no caso do WDMA. Para o caso do SCM, os sinais, que dizem respeito a cada utilizador, são multiplexados na frequência e no domínio eléctrico, antes de serem transmitidos pelo laser (centrado num determinado comprimento de onda). No CDM, as várias frequências são substituídas por códigos [9]. De todos estes métodos, os mais prometedores e que têm vindo a ser considerados os mais práticos para uso em aplicações PON de nova geração são aqueles que se regem no domínio do tempo (TDM e TDMA) e no domínio do comprimento de onda (WDM e WDMA) [9]. Nas secções seguintes propõem-se e descrevem-se esquemas de transmissão que fazem uso dos métodos mencionados neste parágrafo. O enquadramento destes com a rede, que se descreve em 2.1, realiza-se com a apresentação e descrição de possíveis estruturas para o equipamento central OLT, para o nó remoto RN e para o equipamento terminal ONU. 9

32 2.2.1 TDM DL + TDMA UL 2 O primeiro esquema que se propõe utiliza, como o próprio nome indica, a técnica de acesso múltiplo TDMA no sentido ascendente da rede e o método de multiplexagem TDM no descendente. As redes PON que põem em prática esta estratégia são apelidadas TDM-PON e representam, na actualidade, a abordagem FTTP mais popular. Além disso, têm vindo a ser adoptadas e distribuídas em várias regiões do mundo. Em conformidade com as normas E-PON e G-PON (ver Tab. 2.1), a transmissão de voz e dados é feita utilizando o comprimento de onda de 1490 nm no sentido descendente da rede e de 1310 nm no sentido ascendente. Além disso, a norma G-PON inclui a possibilidade de se utilizar o intervalo de 1550 nm a 1560 nm para difusão descendente de vídeo ou o intervalo desde 1539 nm aos 1565 nm para distribuição de outros tipos de serviços. Tab. 2.1: Comprimentos de onda (nm) utilizados na rede PON de grande cobertura, segundo o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL. Sentido de Transmissão Descendente Ascendente Estado da Rede Serviço ( ) 1490 ( ) 1310 Protecção ( ) 1490 ( ) 1310 No sentido ascendente da rede, a informação é transmitida em rajadas (bursts) o que obriga a utilização de transmissores (na ONU) e de um receptor (na OLT) específicos. Os emissores ópticos burst-mode apenas são activados nos intervalos de tempo indicados pela OLT, enquanto o receptor óptico burst-mode deve estar sempre preparado para receber várias sequências de dados. Como as ONUs podem estar a diferentes distâncias da OLT, a potência destas rajadas pode ser bastante desigual. Visto isto, é essencial que a OLT seja capaz de se ajustar à amplitude e à fase de rajadas consecutivas e provenientes de diferentes ONUs. Existem vários tipos de receptores de rajadas mas, em geral, os que são utilizados fazem o ajuste do limiar de decisão e do relógio de sincronização por leitura do preâmbulo que precede os dados transmitidos pelas ONUs [10]. No Anexo B apresentam-se resultados para a análise do desempenho deste tipo de receptores. Na Fig. 2.2 apresenta-se uma possível estrutura para a OLT da central. Esta representa o centro de controlo do funcionamento da PON, sendo responsável pela transmissão e difusão das mensagens para os utilizadores e pela recepção das mesmas. A transmissão do sinal descendente é realizada pelo conjunto transmissor (bloco Tx) e repartidor óptico (bloco S). Este último divide o sinal pelos anéis interior (usado para protecção) e exterior (serviço). A recepção do sinal ascendente é feita pelo conjunto combinador (bloco C), filtro (bloco UF) e receptor burst-mode (bloco Rx BM). O combinador junta os sinais provenientes de 2 DL e UL são acrónimos para Downstream Line e Upstream Line. 10

33 ambos os anéis e o filtro, centrado em (igual a e a ), filtra o ruído recebido na OLT reduzindo, assim, o seu impacto no processo de detecção. Além disso, bloqueia as componentes (anel exterior) e (anel interior). Fig. 2.2: Estrutura da OLT, segundo o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL. O equipamento terminal ONU recebe as mensagens provenientes da OLT e envia as mensagens que recebe dos utilizadores. Como se observa pela Fig. 2.3, ele é composto por um duplexor WDM (bloco WDM), um emissor óptico burst-mode (bloco Tx BM) e um receptor óptico (bloco Rx). Ao cargo dos blocos MAC (Media Access Control) estão todas as funções de gestão e de controlo da rede. Na OLT existe um bloco de calendarização MAC inter-onu que realiza a gestão temporal das comunicações e que deve assegurar largura de banda suficiente a cada utilizador. Para tal, ele organiza e gere os períodos de transmissão a que cada ONU tem direito: recebe mensagens de pedidos de ocupação do canal, determina a dimensão dos time slots de acordo com estes pedidos e envia as devidas permissões às ONUs. Além disso, desempenha funções do tipo OAM (Operations Administration and Maintenance) ao nível da protecção, regulação de potência e controlo das comunicações ópticas. Na ONU existe um bloco de calendarização MAC intra-onu que tem como responsabilidade gerir o seu próprio tráfego. Isto porque, o esquema de calendarização inter-onu não proporciona, por si só, o cumprimento de requisitos QoS, ou seja não diferencia as diferentes classes de tráfego. O bloco intra-onu simplesmente selecciona os pacotes em espera, que devem ser transmitidos. Além disso, deve assegurar um sincronismo estável com a OLT [3]. WDM Fig. 2.3: Estrutura da ONU, segundo o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL. 11

34 A Fig. 2.4 apresenta a estrutura proposta em [7], para o nó remoto RN. Este contém repartidores (S) que encaminham o sinal descendente para a rede de acesso PON e combinadores (C) que introduzem o sinal ascendente no anel, em direcção à OLT. São utilizados amplificadores do tipo SOA ou Semicondutor Optical Amplifier (bloco OA), para compensação das perdas de potência verificadas no anel e na rede de acesso. No sentido descendente utiliza-se um filtro (bloco DF), centrado em (igual a e a ), para filtrar o ruído recebido nas ONUs e para isolar do sinal ascendente. A ligação entre o RN e a rede de acesso é realizada por meio de um duplexor WDM. Os comutadores electro-ópticos são parte essencial do mecanismo de protecção e devem ser accionados através de um sistema de controlo que monitoriza o nível do sinal óptico. Fig. 2.4: Estrutura do RN, segundo o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL. Resta, então, conhecer a capacidade de transmissão dedicada às ONUs que compõem esta rede PON de grande cobertura. Suponha-se que o anel da rede é segmentado por RNs e que a cada um destes está associada uma componente de acesso PON # que possui ONUs. Se, for o débito binário total do canal de transmissão ascendente ou descendente, o débito binário garantido a cada uma das ONUs (sentido ascendente ou descendente) vale: D ONU UL b, DL = D UL b, DL N i= 1 K i. (2.1) 12

35 Suponha-se que cada componente de acesso opera segundo a norma GPON que, segundo a Tab.1.1, prevê no máximo cerca de 2.5 Gbps para o débito total do canal. Se a rede possuir 4 RNs e se cada rede de acesso possuir 32 ONUs, então o débito garantido a cada um dos assinantes vale aproximadamente 18.2 Mbps (eficiência de 93%, segundo Tab. 1.1). Actualmente, existem soluções implementadas no mercado que disponibilizam uma capacidade de transmissão muito maior. Tenha-se, como exemplo, a solução GPON da Portugal Telecom, cujo factor de repartição típico é igual a 64. Sabendo que os débitos binários descendente e ascendente valem respectivamente 2.5 e 1.25 Gbps [11], esta solução garante aos seus clientes um débito de 36.3 Mbps no downstream e de 18.2 Mbps no upstream. Isto quer dizer que, para uma rede desta dimensão, o esquema TDM DL + TDMA UL não serve da melhor forma os interesses dos assinantes da rede. Esta solução é adequada enquanto a largura de banda pedida pelos vários assinantes, que partilham a rede, não se tornar muito grande. Por outro lado, esta abordagem promove uma solução eficiente em termos económicos, dado que a OLT é composta por um único conjunto emissor/receptor burst-mode e as ONUs são idênticas WDM DL + WDMA UL Híbrido Numa rede WDM-PON são eliminados muitos dos problemas característicos das redes TDM-PON. Não existem problemas de gestão, de segurança ou relacionados com a qualidade de serviço. Não é necessária a utilização de emissores ou de receptores burst-mode. A substituição do repartidor óptico bidireccional por um AWG (Arrayed Waveguided Grating) permite reduzir a atenuação (para cerca de 4 a 5 db) introduzida no sinal [12]. O débito binário garantido a cada uma das ONUs é igual ao débito total do canal e, além disto tudo, é possível proporcionar débitos e protocolos diferentes a cada um dos assinantes. Apesar de todas estas vantagens, existem grandes desafios no desenvolvimento prático de um sistema deste género. Nestas redes, a OLT tem que possuir um conjunto emissor/receptor por cada um dos assinantes ligados à rede, o que por si só torna a operação de mux/demux do sinal WDM bastante complicada. Mais se acrescenta já que, as fontes ópticas que constituem esses emissores devem ter características distintas. Só para se ter uma ideia: se se considerar uma rede com as dimensões já mencionadas, ou seja 4 RNs e 32 ONUs por RN, a OLT tem que ser constituída por 128 fontes ópticas com comprimentos de onda de emissão diferentes. Além dos problemas de concepção que a OLT enfrenta, como as ONUs transmitem em comprimentos de onda distintos, cada uma delas requer uma fonte óptica única. Desta especificidade resultam elevados custos de gestão e manutenção do inventário. Todos estes problemas tornam a rede impraticável do ponto de vista económico. Para fugir à solução convencional, tem sido desenvolvido um grande esforço na tentativa de desenvolver fontes ópticas de baixo custo que sejam independentes do comprimento de onda, ou seja color-free. Estas permitem que as ONUs sejam idênticas. Recentemente, foi proposta uma abordagem bastante prometedora que permite transmissores 13

36 idênticos e independentes do comprimento de onda. Este esquema usa como base um sinal emitido pela OLT para fixar o comprimento de onda desejado no transmissor da ONU. Na OLT, a alternativa ideal à solução mencionada no último parágrafo é utilizar um componente que consiga gerar múltiplos comprimentos de onda ao mesmo tempo. Na literatura têm vindo a ser propostos três esquemas para implementar esta solução: MFL ou Multifrequency Laser, Gain-Coupled DFB LD Array e Chirped-Pulse WDM. Todas estas soluções são uma área activa de investigação e de desenvolvimento na actualidade [13]. Um modo de atenuar os problemas inerentes à rede WDM-PON é adoptar um esquema que conjugue, em ambos os sentidos de transmissão, técnicas WDM e TDM. Nesta estratégia híbrida WDM/TDM (ver Secção 1.1, Cap. 1), cada componente de acesso PON trabalha com um par de comprimentos de onda único e exclusivo dessa. Numa perspectiva macro, o acesso da OLT às várias PONs passa a WDM e o inverso em WDMA. A independência garantida entre as várias componentes permite que internamente cada uma destas mantenha o esquema de acesso TDM DL + TDMA UL, característico das TDM-PON. Fisicamente, a OLT passa a possuir pelo menos uma fonte óptica por RN e as ONUs pertencentes à mesma PON passam a operar num comprimento de onda característico dessa. A simplificação das várias estruturas permite reduzir os custos. Apesar de se melhorar a rede do ponto de vista económico, a sua operação torna-se mais complexa. Surge novamente, dentro de cada rede de acesso, a necessidade de um protocolo MAC que possa gerir o seu funcionamento. Os transmissores das ONUs têm que voltar a ser burst-mode, tal como os receptores da OLT (um por RN). Além disso, o débito garantido a cada uma das ONUs (sentido ascendente ou descendente), pertencentes à rede de acesso #, diminui, passando a valer: D ONU UL b,, i DL D UL b,, i DL = (2.2), representa o débito binário de um canal WDM (sentido ascendente ou descendente), associado à rede de acesso #. K Suponha-se que a rede mantém as dimensões que se têm vindo a considerar e que certa componente de acesso opera sob a norma GPON. Nestas condições, o débito binário assegurado a cada uma das ONUs (pertencentes a essa rede) vale 72.7 Mbps. Isto significa que, mesmo não se tratando de uma estratégia WDM pura, o débito garantido continua superior ao da rede TDM-PON de grande cobertura. Além disso, verifica-se, face ao exemplo dado na Secção a respeito da oferta actual de mercado, que a rede WDM/TDM-PON consegue garantir um valor de débito binário de transmissão bastante aceitável. Salienta-se que, neste exemplo, os 2.5 Gbps referem-se à capacidade total de um canal WDM que serve uma componente de acesso PON e não à capacidade de transmissão global da rede, tal como acontecia para o esquema TDM DL + TDMA UL. No presente estudo são considerados amplificadores e filtros ópticos com larguras de banda, respectivamente, de 30 e 1 nm. Os amplificadores que operam sobre o sinal i 14

37 ascendente encontram-se centrados nos 1310 nm e os que amplificam o sentido descendente estão nos 1490 nm. A Tab. 2.2 indica os comprimentos de onda utilizados (caso em que a rede é constituída por quatro RNs), para os quais se considera um espaçamento entre canais de 5 nm. Este espaçamento foi escolhido de modo a que a largura de banda do sinal WDM não exceda os 30 nm da largura de banda do amplificador. Mais uma vez, os comprimentos de onda usados no estado de serviço são iguais aos usados no estado de protecção. Tab. 2.2: Comprimentos de onda utilizados, segundo o esquema de transmissão híbrido WDM DL + WDMA UL. Sentido de Transmissão # da Rede de Acesso PON Descendente (Serviço ou Protecção) Ascendente (Serviço ou Protecção) Em termos da estrutura da rede, as diferenças mais significativas surgem na OLT. Como se observa pela Fig. 2.5, existe um conjunto emissor/receptor burst-mode por cada RN da rede. Como é óbvio, cada um dos emissores é caracterizado por uma fonte óptica que transmite num comprimento de onda específico. A multiplexagem dos sinais emitidos é realizada por um combinador 4:1 e a desmultiplexagem é realizada por um repartidor 1:4 e por quatro filtros ópticos. Cada um dos filtros, bloco UF #, encontra-se centrado no comprimento de onda do canal WDM #, de modo a reduzir a quantidade de ruído injectada no respectivo receptor burst-mode, bloco Rx BM #, e a bloquear as restantes componentes de transmissão. Os receptores ópticos (centrados em 1310 nm) podem ser idênticos já que possuem uma largura de banda suficientemente grande para receber qualquer um dos sinais que constitui o sinal WDM ascendente. O bloco MAC gere e controla a rede. Apesar de estar representado num único bloco, cada uma das redes de acesso pode ser gerida independentemente das outras e através de um protocolo MAC semelhante ao que opera sob a rede TDM-PON. O comprimento de onda recebido identifica a componente de acesso que originou o sinal. No entanto, este esquema pode não fazer um uso eficiente da banda, sobretudo quando alguns dos comprimentos de onda estão sobrecarregados. Para colmatar esta falha, pode-se perspectivar o uso de um esquema de calendarização de comprimentos de onda, denominado DWA (Dynamic Wavelength Allocation), que realize a partilha dos comprimentos de onda pelas várias ONUs. Um algoritmo conjunto DWA/DBA, que atribua tanto time slots como comprimentos de onda às ONUs é uma importante área de investigação, na actualidade, para o desenvolvimento destas redes híbridas [6]. 15

38 Fig. 2.5: Estrutura da OLT, segundo o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL híbrido. No esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL híbrido são considerados comprimentos de onda alternativos, pelo que as características dos elementos devem ser ajustadas. No nó remoto RN #, cuja estrutura se apresenta na Fig. 2.6, as únicas diferenças surgem ao nível do filtro óptico descendente, pois passa a seleccionar um comprimento de onda diferente para cada componente de acesso PON. Fig. 2.6: Estrutura do RN #, segundo o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL híbrido. O mesmo pode ser dito relativamente às ONUs, Fig. 2.7, das várias redes de acesso. Cada rede de acesso é servida por um par de comprimentos de onda distinto. Tal implica que os emissores ópticos burst-mode sejam ajustados para os comprimentos de onda adequados. 16

39 Não se altera o receptor óptico (centrados em 1490 nm), pois a largura de banda deste elemento é suficientemente grande para receber qualquer um dos comprimentos de onda que compõe o sinal WDM. Note-se que, dentro de cada rede de acesso, as ONUs são idênticas. Para implementar esta rede WDM/TDM-PON de grande cobertura, é necessário manter um inventário algo diversificado. Isto deve-se sobretudo aos equipamentos terminais ONUs, cujas características variam de rede para rede de acesso. Assim, chega-se à conclusão que os custos inerentes à gestão e manutenção de tal inventário são bastante superiores aos que são necessários para a implementação da solução TDM-PON. Quer isto dizer que, apesar da rede ser fisicamente concebível, os custos que recaem sob o operador e, em última instância, sob os assinantes podem acabar por não ser admissíveis. Fig. 2.7: Estrutura da ONU da rede #, segundo o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL híbrido WDM/TDM DL + TDMA UL As estratégias que foram enunciadas anteriormente proporcionam à rede um carácter simétrico. Isto significa que a rede oferece a mesma largura de banda a ambos os sentidos de transmissão. As redes que privilegiam um deles com uma maior capacidade denominam-se assimétricas. Actualmente, a maioria das redes em banda larga são assimétricas, com um menor débito no upstream. A decisão sobre a estratégia a seguir no futuro, ou seja sobre manter a assimetria das velocidades ou transitar para um cenário simétrico, implica, antes de mais, tomar conhecimento tanto das aplicações actualmente disponíveis como das futuras. Assim, interessa saber se faz sentido propor um esquema de transmissão que defina uma rede assimétrica. Actualmente, os principais serviços disponíveis numa rede de acesso fixa são: Internet de Banda Larga (HSI ou High Speed Internet), VoD ou Video on Demand, Bdcst ou Broadcast como IPTV (Internet Protocol Television), música, jogos online, vídeo-telefonia, VoIP (Voice Over Internet Protocol), etc. Presentemente, as aplicações Peer-to-Peer (P2P) contribuem com a maior parte do volume de tráfego nas plataformas de acesso à Internet. Este facto, associado à questão da utilização destas tecnologias pelas aplicações mais populares de hoje, tem tido grandes consequências nos modelos de negócio dos provedores dos serviços e das redes. A 17

40 superior eficiência do princípio P2P para a rápida distribuição de grandes quantidades de dados é muito atraente, encontrando-se na base de muitas aplicações de distribuição de software, jogos online, rádio e IPTV, etc. No seu todo, o tráfego Peer-to-Peer é simétrico, uma vez que um fluxo upstream oriundo de uma fonte corresponde sempre a um fluxo downstream para um destino, isto quando os dados não são perdidos durante a transmissão. Como muitos utilizadores estão, em primeiro lugar, interessados em fazer o download de ficheiros, os protocolos P2P têm que realizar uma transferência balanceada em ambas as direcções. Nos dias que correm, os protocolos realizam o upload dos dados em paralelo com os download s. Este processo inicia-se assim que os primeiros pacotes de dados de um ficheiro são recebidos. Além disso, encorajam uma política de dar e receber para cada participante, de modo a que os utilizadores com um grande volume de upload s sejam preferidos quando desejam realizar download s. Conclui-se que, do ponto de vista de acesso à Internet e sobretudo devido às aplicações P2P, as redes devem ser simétricas, promovendo débitos binários iguais em ambos os sentidos de tráfego. No entanto, actualmente, os serviços disponíveis numa rede de acesso estendem-se muito além do comum acesso à Internet ou mesmo da telefonia. Os serviços de vídeo digital, IPTV e VoD por exemplo, tornaram-se uma componente muito importante do acesso, uma parte integrante da vida das pessoas e, como é possível observar na Fig. 2.8, tratam-se de aplicações claramente assimétricas. Com a exigência de um maior número de conteúdos e de uma maior qualidade, é claro que os débitos binários associados tendam a crescer bastante e, portanto, que se acentue a assimetria das redes. Além disso, nota-se que os serviços de vídeo digital de alta definição são muito mais exigentes do que os P2P, no que toca a velocidades de transmissão, isto claro no sentido descendente da rede. Assim, fará sentido manter a assimetria das velocidades no acesso. Fig. 2.8: Serviços actualmente e brevemente disponíveis no acesso [14]. 18

41 O esquema de transmissão proposto designa-se WDM/TDM DL + TDMA UL e proporciona à rede um carácter assimétrico do ponto de vista da capacidade de transmissão. Esta estratégia conjuga algumas características dos esquemas anteriormente descritos. No sentido descendente, a rede segue a estratégia híbrida WDM/TDM, descrita na secção anterior. Por outro lado, no sentido ascendente, o acesso à rede baseia-se no esquema característico das redes TDM-PON, o qual foi mencionado na Secção O débito binário garantido a cada ONU, no sentido ascendente, pode ser determinado pela Eq. (2.1). Por outro lado, o débito garantido a cada uma das ONUs da rede de acesso #, no descendente, pode ser calculado pela Eq. (2.2). Por comparação das Eq. (2.1) e (2.2), é fácil concluir que, na generalidade dos casos de aplicação prática, o débito garantido às ONUs no sentido descendente é superior ao que é garantido no ascendente. Assim, o sentido de transmissão privilegiado nesta rede assimétrica é o descendente, o que faz sentido uma vez que este é aquele que normalmente se encontra sujeito a uma maior carga de tráfego. Na Tab. 2.3 apresenta-se o plano de comprimentos de onda para esta rede. Uma vez que esta estratégia resulta de uma combinação das características dos esquemas já descritos, faz sentido utilizar os comprimentos de onda postos em prática por estes. Tab. 2.3: Comprimentos de onda utilizados, segundo o esquema de transmissão WDM/TDM DL + TDMA UL. Sentido de Transmissão # da Rede de Acesso PON Descendente (Serviço ou Protecção) Ascendente (Serviço ou Protecção) 1 a As estruturas da OLT, dos RNs e das ONUs também podem ser entendidas como combinações das estruturas anteriormente apresentadas. Note-se, como por exemplo na Fig. 2.9, que a OLT possui uma secção de transmissão constituída por quatro emissores ópticos, à semelhança do esquema WDM DL + WDMA UL híbrido, e que a de recepção é igual à do esquema TDM DL + TDMA UL. Como as várias redes de acesso não são independentes umas das outras, o bloco MAC deve geri-las como se se tratasse de uma única rede com os seus vários assinantes, tal como sucede na TDM-PON de grande cobertura. No entanto, à saída deste bloco têm-se agora quatro emissores ópticos diferentes, pelo que deve tomar lugar um processo de desmultiplexagem da informação. Relativamente ao RN #, a estrutura representada na Fig. 2.6 mantém-se válida para este esquema. No que toca ao duplexor WDM do RN, este passa a seleccionar para o sentido ascendente um único comprimento de onda, o de 1310 nm. Nas ONUs da rede #, o receptor permanece igual ao da Fig No entanto, o combinador passa a seleccionar para o downstream o comprimento. 19

42 Face a tudo o que foi dito, esta estratégia aparenta ser uma solução equilibrada e boa, não só em termos de capacidade de transmissão garantida aos assinantes como em termos económicos. Este esquema combina a elevada taxa de transmissão do sentido descendente, característica do WDM DL + WDMA UL híbrido, com os moderados encargos monetários das TDM-PON. O único factor limitativo desta estratégia surge no upstream, quando o número de assinantes da rede é bastante elevado e/ou quando o débito da linha é baixo. Tx #4 λ4 Tx #3 Tx #2 λ3 λ2 C S Anel Exterior Anel Interior Tx #1 λ1 MAC Rx BM 1310 nm UF C Anel Interior Anel Exterior Fig. 2.9: Estrutura da OLT, segundo o esquema de transmissão WDM/TDM DL + TDMA UL WDM DL + WDMA UL Híbrido Sujeito A UWC 3 O maior problema da estratégia WDM DL + WDMA UL híbrido surge ao nível económico e está relacionado com o facto do equipamento terminal não ser comum a todas as redes de acesso. Neste esquema, as ONUs de cada rede têm que ser constituídas por fontes ópticas que emitem num comprimento de onda específico. Na actualidade, o único meio prático de redução de custos consiste em colocar todas as ONUs a emitirem num único comprimento de onda. A estratégia equacionada na secção anterior resolve este problema, mas tem o inconveniente de conduzir a débitos ascendentes muito limitados. O ideal é garantir um débito de upstream tão elevado como o do downstream, mas assegurando uma eficiência económica aceitável. Um modo de contornar este problema consiste em inserir um bloco de conversão de comprimento de onda, no upstream, em cada nó remoto RN. As ONUs pertencentes a cada rede de acesso emitem no comprimento de onda especificado para as TDM-PON e, no nó RN, esse comprimento de onda é convertido para um outro, único na rede. Isto permite manter o acesso WDM ao anel da rede, assegurando o débito upstream característico do esquema WDM DL + WDMA UL híbrido. No sentido descendente todas as operações decorrem normalmente, realizando-se o acesso às várias ONUs tal como se efectua no esquema WDM DL + WDMA UL híbrido. É, também, possível aplicar conversão de comprimento de onda 3 UWC é acrónimo para Upstream Wavelength Conversion. 20

43 aos sinais deste sentido, mas tal mostra-se desnecessário. Além de já se assegurar, com a estratégia actual, o débito binário de transmissão pretendido, os receptores das ONUs têm uma largura de banda suficientemente elevada para receber qualquer uma das componentes do sinal WDM. Isto quer dizer que, os receptores utilizados nas ONUs da rede PON de grande cobertura são idênticos. Como já deve ter sido entendido, um conversor de comprimento de onda é um dispositivo que altera o comprimento de onda do sinal de entrada para um novo sem modificar o seu conteúdo. Actualmente, julga-se que estes conversores assumirão um papel chave nas futuras redes de banda larga. A sua utilização evitará o bloqueio dos comprimentos de onda nos sistemas de comutação óptica das redes WDM o que, por sua vez, aumentará a flexibilidade e a capacidade das redes para um número limitado de comprimentos de onda. Além disso, possibilitarão a gestão descentralizada da rede, dado que a atribuição dos comprimentos de onda poderá ser realizada ligação a ligação [15]. A conversão de comprimento de onda tem vindo a ser investigada desde os anos 90 e, ao longo do tempo, têm sido propostos vários esquemas para implementar esta funcionalidade. Os requisitos que se impõem a uma técnica destas dependem do sistema em estudo. Porém, características como compacidade, facilidade de implementação e de controlo, e capacidade de operar a débitos elevados têm que estar presentes. A solução mais básica baseia-se no esquema do regenerador electroóptico, tomando, por isso, o nome de conversor electroóptico. Este conversor é constituído por um detector, um amplificador ou regenerador e uma fonte óptica, que retransmite o sinal de entrada num novo comprimento de onda. Além de ser bastante simples, é insensível à polarização e possibilita a amplificação da rede, exibindo uma relação sinal-ruído superior a 40 db para o caso em que o sinal é regenerado. A sua natureza electroóptica traz, por outro lado, sérias desvantagens: transparência limitada pelo débito binário e pelo formato dos dados, velocidade limitada pelos componentes electrónicos, grande consumo de potência e elevado custo [16]. As desvantagens dos conversores electroópticos direccionaram o interesse para os conversores ópticos, nos quais a transferência da informação, do comprimento de onda de entrada para o novo, ocorre sem recorrer ao domínio eléctrico. Na literatura destacam-se os SOAs usados em modo XGM (Cross Gain Modulation) ou em modo XPM (Cross Phase Modulation), SOAs que usam FWM (Four Wave Mixing), etc [17]-[18]. Os conversores FWM mais eficientes utilizam SOAs como meio não linear, o mesmo meio que é fonte de crosstalk nos sistemas WDM. Trata-se de uma técnica transparente ao débito binário e ao formato dos dados, capaz de operar até 100 Gbps [17] e de converter vários canais WDM simultaneamente. Uma vantagem adicional é a inversão do chirp, uma vez que a utilização desta técnica inverte o espectro do sinal. No entanto, apresenta uma pequena gama de conversão (inferior a 1 THz), baixa eficiência de conversão (tipicamente -7 db) e exige que os sinais de entrada possuam potências elevadas (10-20 dbm). Como resultado desta baixa eficiência, os sinais convertidos costumam exibir uma relação sinal-ruído de baixo valor, inferior a 20 db [18]. 21

44 Os SOAs que são usados em modo XGM resultam em conversores muito simples, com uma gama de conversão inferior a 3 THz e capazes de operar a débitos elevados. São capazes de operar até 40 Gbps, apesar de já terem sido concretizadas, com sucesso, experiências a 100 Gbps [17]. Apresentam uma elevada eficiência de conversão (8 db), possibilitando a amplificação dos sinais na rede, e uma larga gama dinâmica de entrada [18]. As suas maiores desvantagens são: degradação da razão de extinção associada à inversão da polarização do padrão binário do sinal; degradação da relação sinal-ruído, por emissão de ruído ASE; e a distorção de fase devido ao efeito de chirp, que limita a distância de transmissão. A técnica que elimina a maior parte das desvantagens dos esquemas anteriores utiliza SOAs em modo XPM e é capaz de operar até 80 Gbps, apesar de já terem sido concretizadas, com sucesso, experiências a 168 Gbps [17]. O XPM pode ser insensível à polarização e resolve o problema do contraste on-off, não degradando tanto a razão de extinção como o esquema anterior. Além disso, degrada pouco o sinal (apesar de emitir ruído ASE), o que resulta numa elevada relação sinal-ruído. Apresenta um baixo e controlável chirp e uma gama de conversão inferior a 2 THz. Entre as suas desvantagens encontram-se a sua pequena gama dinâmica de entrada e a baixa eficiência de conversão (-2 db) [18]. Para a análise da rede PON de grande cobertura, implementada segundo o esquema de transmissão que se descreve nesta secção, opta-se, devido à sua simplicidade e ao facto de operar totalmente no domínio óptico, pelo conversor XGM baseado em SOA. Passa-se, assim, a descrever o processo de conversão de comprimento de onda em que se baseia este dispositivo [19], Fig Diz-se que a conversão é baseada em modulação de ganho cruzado quando um sinal fraco é amplificado dentro do SOA juntamente com um sinal forte e a amplificação do fraco é afectada pelo forte. Para usar este fenómeno, o sinal cujo comprimento de onda precisa de ser convertido é lançado no SOA juntamente com um sinal contínuo de baixa potência e no comprimento de onda alvo. O amplificador é maioritariamente saturado pelo sinal forte. Como resultado, o sinal contínuo é amplificado por um valor de ganho elevado durante os bits 0 (sem saturação) e por um valor muito mais baixo durante os bits 1. É claro que o padrão binário do sinal incidente é transferido para o novo comprimento de onda, mas com a polarização inversa, tal como já tinha sido referido. Fig. 2.10: Esquema do conversor do RN # baseado na modulação de ganho cruzado em SOA. 22

45 À saída do conversor existe um filtro, que na Fig é representado pelo bloco WCF. Além de diminuir a quantidade de ruído gerada pelo amplificador, este filtro isola o comprimento de onda alvo (com inteiro a variar entre 1 e 4) do comprimento de onda do sinal original 1310 nm. Os comprimentos de onda utilizados no anel da rede encontram-se indicados na Tab Na Fig apresenta-se o nó remoto # já com o conversor (bloco WC) inserido. De resto, a estrutura mantém-se semelhante às anteriormente apresentadas. Uma estrutura possível para a OLT é aquela que se apresenta na Fig No que toca à ONU, uma possibilidade é a estrutura descrita na secção anterior. Fig. 2.11: Estrutura do RN #, segundo o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL híbrido com UWC. 2.3 Mecanismo De Protecção Como já foi mencionado várias vezes, a rede que se apresenta neste documento assenta numa estrutura em anel a partir da qual derivam as componentes de acesso PON. Ora, suportar tais redes numa estrutura anelar só faz sentido se existir um mecanismo de protecção que, na presença de falhas (por exemplo, cortes nos troços de fibra), possibilite a troca de informação com o mínimo de interrupção. Note-se que numa rede desta dimensão, uma simples falha pode interromper inúmeras comunicações, afectando um vasto número de assinantes. Daí, a necessidade de aumentar a capacidade de sobrevivência da rede. Os anéis ópticos podem possuir protecção dedicada ou partilhada. Um anel de protecção dedicada possui duas fibras, enquanto um anel com protecção partilhada pode possuir duas ou 23

46 quatro. Os anéis com duas fibras são mais económicos e são usualmente aplicados nas redes metro. Os anéis de quatro fibras promovem operações de rede mais fiáveis e flexíveis. Nos anéis de protecção dedicada, ao contrário daquilo que sucede nos de protecção partilhada, uma fibra transporta tráfego normal (anel de serviço) e a outra é reservada para proteger este tráfego (anel de protecção). Seja dedicada ou partilhada, a comutação de protecção pode ser realizada ao nível da camada OCh (Optical Channel) ou da OMS (Optical Multiplex Section). A protecção OCh realiza a comutação ao nível do canal, enquanto a OMS actua no conjunto dos canais, ou seja do sinal WDM. Os anéis com protecção OCh são mais flexíveis, porque a protecção de cada canal pode ser activada ou desactivada e porque pode ser dedicada ou partilhada [20]. O mecanismo que se emprega no anel da rede PON de grande cobertura é do tipo OChDPRING (Optical Channel Dedicated Protection Ring), com algumas modificações [3] relativamente ao esquema tradicional [20]. Este leva vantagem sobre o esquema OChSPRING (Optical Channel Shared Protection Ring), porque se a falha não ocorrer no troço que fica imediatamente a seguir à OLT, este não consegue transmitir os dados descendentes para ambos os anéis, o que implica a não comunicação com alguns RNs. No esquema de protecção OChDPRING de referência, réplicas dos sinais ascendente e descendente percorrem ambos os anéis simultaneamente, mas por sentidos diferentes. No esquema aqui apresentado, Fig. 2.12, cada um dos nós remotos (e seus comutadores) apenas reencaminha o sinal ascendente para o anel interior (serviço) ou para o exterior (protecção) e nunca para ambos. No sentido descendente, o funcionamento é idêntico ao do esquema clássico. (a) (b) Fig. 2.12: Funcionamento da rede em serviço (a) e protecção (b). O sinal óptico descendente de serviço é monitorizado em cada RN. A descoberta de uma falha é realizada através da ausência desse sinal. Nessa situação acciona-se o mecanismo de protecção, que actua sobre os comutadores. Como se observa pela Fig (b), só transitam para protecção os RNs que se encontram após o local da falha, 24

47 segundo o sentido descendente de serviço. Os RNs que se encontram no modo de serviço, Fig (a), extraem o sinal descendente do anel exterior e inserem o sinal ascendente no interior. Em protecção, Fig 2.13 (b), os comutadores são accionados e abandonam o seu estado normal, passando a retirar/inserir os fluxos de tráfego do mesmo modo mas nos anéis contrários. (a) Fig. 2.13: Funcionamento do RN em serviço (a) e protecção (b). (b) Quando os RNs comutam para protecção, eles devem notificar a OLT para que se activem os meios necessários à correcção do problema. A OLT também deve reajustar os RTTs (Round Trip Time) das ONUs ligadas aos RNs, que se encontram em protecção, para que o acesso das ONUs ao canal ascendente se mantenha correcto e sincronizado. Note-se que, a passagem dos RNs ao estado de protecção faz com estes fiquem localizados a diferentes distâncias da OLT. Isto faz com que se alterem os tempos de propagação dos sinais. Esta arquitectura é muito simples e proporciona elevada autonomia aos RNs. Estes podem comutar para protecção sem terem que esperar por qualquer resposta da OLT, ou seja não é necessária sinalização para coordenar a comutação. Apesar disso, não é eficiente na utilização da largura de banda, pois, ao contrário dos mecanismos de protecção partilhada, não permite a reutilização dos canais de protecção no transporte de tráfego extra (não prioritário). 2.4 Em Síntese Em conclusão, neste capítulo apresenta-se a estrutura para a rede PON de grande cobertura (Secção 2.1). Além disso, estudam-se alguns esquemas de transmissão (Secção 2.2), cuja implementação é alcançada através da utilização das estruturas que se indicam para a OLT, RNs e ONUs. Na Tab. 2.4 resumem-se as principais características destes esquemas. 25

48 As soluções apresentadas são modeladas ao nível físico no Capítulo 3, de modo a avaliar a viabilidade da rede. No entanto, exclui-se, à partida, o esquema WDM DL + WDMA UL devido aos elevados custos que a sua implementação encarrega. Tab. 2.4: Resumo das principais características dos esquemas de transmissão. Esquema Características Método de multiplexagem Método de acesso múltiplo WDM DL WDM DL TDM DL WDM DL WDM/TDM DL WDMA UL WDMA UL TDMA UL WDMA UL TDMA UL Híbrido Híbrido c/ UWC TDM WDM WDM/TDM WDM/TDM WDM/TDM TDMA WDMA WDMA/TDMA TDMA WDMA/TDMA Débito 4 binário D b N K canal descendente. D b D b K D b K D b K Débito binário D b canal ascendente. Protocolo MAC (gestão e controlo) Segurança N K Ao nível da rede. Necessário mecanismo. D b Não necessário. Garantida. D b D b K N. K Ao nível da componente de acesso. Necessário mecanismo. Ao nível da rede. Necessário mecanismo. D b K Ao nível da componente de acesso. Necessário mecanismo. Custo Baixo Elevado Médio Baixo Baixo Na Secção 2.3 apresenta-se um mecanismo baseado no esquema OChDPRING para aumentar a capacidade de sobrevivência da rede PON de grande cobertura, devido à sua simplicidade e à autonomia que proporciona aos RNs da rede. 4 Referem-se a uma rede PON de grande cobertura com N RNs e com K ONUs por RN. 26

49 3 Análise Da Camada Física Da Rede PON De Grande Cobertura Neste capítulo realiza-se a análise da camada física da rede PON de grande cobertura, particularizando para cada um dos esquemas de transmissão estudados no capítulo anterior. O objectivo é avaliar o desempenho da rede (medido pela probabilidade de erro de bit), para ambos os sentidos de transmissão, e verificar a sua viabilidade do ponto de vista físico. Continua-se a considerar uma rede PON de grande cobertura com 4 nós remotos e, portanto, com 4 componentes de acesso. Cada uma destas redes possui 32 ONUs, pelo que no total têm-se 128 ONUs. No Anexo F são referidos os valores dos parâmetros de cálculo utilizados na análise. 3.1 Análise Das Redes TDM E WDM/TDM-PON De Grande Cobertura Nesta secção tratam-se os esquemas TDM DL + TDMA UL, WDM DL + WDMA UL Híbrido e WDM/TDM DL + TDMA UL. Indicam-se os conceitos teóricos essenciais à análise da camada física da rede e os resultados desse estudo, em conjunto com a sua interpretação Conceitos Teóricos Ao longo desta secção, apresentam-se os conceitos teóricos essenciais à determinação da probabilidade de erro de bit no receptor, tendo como ponto de partida a potência do transmissor. Entre estes encontram-se as expressões necessárias à quantificação do nível de perdas de potência que se registam nos vários dispositivos, a expressão para o cálculo da potência média de sinal à entrada do receptor e as equações para as componentes de batimento de ruído ASE (Amplified Spontaneous Emission). Este estudo é realizado para ambos os sentidos de transmissão da rede. A Fig. 3.1 (a) representa a cadeia de transmissão correspondente ao percurso do sinal no sentido ascendente da rede. O sinal é emitido por uma ONU, pertencente à componente de acesso #, e percorre o troço da fibra de distribuição com o comprimento. Em seguida, entra no repartidor óptico bidireccional, com factor de repartição 1:, e sai para a fibra de alimentação. Eventualmente, acaba por entrar no anel (interior em serviço) da rede PON de grande cobertura, através do RN #. Todos os nós deste anel, incluindo a OLT, encontram-se interligados dois a dois através de troços de fibra com o comprimento. Antes de chegar à OLT, o sinal passa por conjuntos RN e troço de fibra, sendo o #1 o último. A Fig. 3.1 (b) refere-se ao percurso do sinal no sentido descendente da rede. O sinal é emitido pela OLT e percorre a rede em direcção a uma das ONUs, que pertencem à componente de acesso #. Assim que deixa a OLT, o sinal percorre um troço de fibra de comprimento e entra no nó remoto #1. Até entrar na componente de acesso #, o sinal passa por mais 1 conjuntos 27

50 (troço e RN) deste tipo. Assim que sai do RN #, o sinal percorre a fibra de alimentação, passa pelo repartidor óptico bidireccional 1: e entra no troço da fibra de distribuição. No final deste troço, encontra o equipamento terminal ONU. (a) (b) Fig. 3.1: Percurso tomado pelo sinal, segundo o sentido de transmissão: (a) ascendente, (b) descendente. Após a identificação dos percursos descritos pelos sinais, passa-se à apresentação das expressões que definem as potências à entrada dos receptores da OLT e da ONU. Estas são genéricas para qualquer um dos esquemas de transmissão estudados nesta secção. No sentido ascendente, a potência média de sinal,, à entrada do receptor da OLT e proveniente das ONUs da -ésima (1, sendo o número total de RNs) componente de acesso PON é dada por: n OLT ONU R = E ONU PON RN + L i OLT BM f i= 1 ( ), (3.1) P P A A A A G A P P M em que é a potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, é o ganho real do amplificador do RN #, é a penalidade de dispersão cromática (ver Anexo A), é a 28

51 penalidade de sensibilidade burst-mode (ver Anexo B) e a margem de segurança. No sentido descendente, a potência média de sinal,, à entrada do receptor de uma ONU da -ésima PON e proveniente da OLT é expressa por: n ONU OLT R = E OLT RN + L i PON ONU f i= 1 ( ), (3.2) P P A A A G A A P M em que é a potência média de sinal à saída do emissor da OLT. Os parâmetros ainda não identificados representam as atenuações que se registam nos vários dispositivos da rede PON de grande cobertura. De seguida, apresentam-se, para o esquema de transmissão característico das redes TDM-PON, as expressões que os quantificam. é a atenuação que se verifica numa ONU (ver Fig. 2.3, Cap. 2) e é dada por: AONU = A, WDM + AC (3.3) onde e são, respectivamente, as atenuações introduzidas por um duplexor WDM e por um conector. As perdas de potência,, na componente de acesso PON diferem com o sentido de transmissão (ver nota 2 do Cap. 2) e valem: A PON ( + ) ASwitch + AFilter + AWDM + S1: K + α f. LF LD, se DL =. α f.( LF + LD ) + S1: K + AWD M + ASwitch, se UL (3.4) No sentido ascendente UL, esta atenuação contém as perdas dos troços da fibra de alimentação e da fibra de distribuição, do repartidor :, de um duplexor WDM e do comutador electro-ópico. é o coeficiente de atenuação da fibra e é o número de ONUs por componente de acesso PON. No sentido descendente DL, a atenuação da rede de acesso PON também inclui as perdas,, do filtro óptico. Salienta-se que, o duplexor, o comutador e o filtro estão contidos na estrutura do RN (ver Fig. 2.4, Cap. 2). Como se observa pela Fig. 3.1, a atenuação de um RN vale: ARN = 2. S, (3.5) 1:2 em que : contabiliza as perdas de potência de um repartidor/combinador. é a atenuação introduzida pelo troço de comprimento, que liga dois RNs adjacentes, e que é dada por: A L = α. L. (3.6) f À semelhança de, a atenuação da OLT também difere com o sentido de transmissão (ver Fig. 2.2, Cap. 2): A OLT S1:2 + AC, se DL =. AC + S1:2 + AFilter, se UL (3.7) 29

52 Para o caso da rede WDM/TDM-PON, todas as expressões enunciadas, à excepção da (3.7), mantêm-se válidas. Devido à introdução do esquema de mux/demux (ver Fig. 2.5, Cap. 2), a atenuação da OLT altera-se para: A OLT S1:4 + S1:2 + AC, se DL =. AC + S1:2 + S1:4 + AFilter, se UL (3.8) Como se verifica por (3.8), existe um factor adicional designado por :, que representa as perdas de um repartidor 1:4. A expressão genérica para o cálculo das perdas de potência de um repartidor 1: é [21]: S ( x) A ( x) = 10.log +.log, (3.9) 1: x 10 Coupler 2 onde define as perdas do acoplador direccional, que se assumem iguais a 0.5 db. Nos Anexos B e C encontram-se os conceitos essenciais à caracterização da corrente total de ruído, verificada no receptor. O cálculo da sua potência deve ser realizado com recurso à Eq. (C.6), visto a rede recorrer a amplificação óptica. Deste modo, a potência óptica média injectada no receptor deve-se não só à presença do sinal como também à do ruído ASE gerado pelos amplificadores, vindo [19]: p i p ONU R + = OLT p R + n i= 1 N i= 1 p p ASE, i ASE, i, se DL, se UL, (3.10) onde, é a potência da componente de ruído ASE, por cada modo de polarização, gerada pelo amplificador do RN # e referida à entrada do receptor. Em seguida, enumeram-se as expressões destas componentes para o sentido ascendente de transmissão: i 1 ( ) pase,1 = s1:2. al. a. OLT h. υ. g1 1. nsp. B 0, (3.11) ( ) υ ( ) (3.12) p = s. a. a. g. a. a. h.. g 1. n. B, se 1 < i N, ASE, i 1:2 RN L k L OLT i sp 0 k = 1 e para o sentido descendente: n ( ) pase, n = s1:2. apon. a. ONU h. υ. gn 1. nsp. B 0, (3.13) ( ) υ ( ) (3.14) p = s. a. a. g. a. a. h.. g 1. n. B, se 1 i < N, ASE, i 1:2 RN L k PON ONU i sp 0 k = i+ 1 onde é a constante de Planck ( J.s), é a frequência de transmissão do sinal, é o ganho real do amplificador do RN # em unidades lineares, é o factor de emissão espontânea e a largura de banda óptica do filtro. 30

53 Os parâmetros definidos nas Eq. (3.1)-(3.9) encontram-se em unidades logarítmicas (letras maiúsculas), enquanto que os representados nas (3.10)-(3.14) estão em unidades lineares (letras minúsculas), pelo que se torna necessário relacioná-los. Uma atenuação genérica, em db, é positiva, pelo que o seu correspondente, em unidades lineares, é superior a 1. No entanto, a análise de (3.10)-(3.14) mostra que deve ser inferior a 1, ou seja está a ser usado segundo a definição de ganho. Assim, neste caso específico, a expressão que relaciona, em db, e, em unidades lineares, é a seguinte: A 10 ( ) A = 10.log a a = 10. (3.15) Uma potência genérica, em dbw, relaciona-se com a sua correspondente, em W, do seguinte modo: p P = 10.log. 1 W (3.16) Por outro lado, se estiver em dbm, tem-se: P dbm p = 10.log W (3.17) O estudo que se apresenta no Anexo C e que se centra em torno da caracterização do ruído ASE refere-se a um sistema de comunicação com um único amplificador óptico. No caso da rede PON de grande cobertura, a corrente eléctrica gerada pelo fotodetector (ver Eq. (C.5), Anexo C) é dada por: 2 n ONU M. Rλ. er + esp, i + in se DL i= 1 i =, N 2 OLT M. Rλ. er + esp, i + in se UL i= 1 (3.18) em que e são os campos eléctricos associados ao sinal e, o campo eléctrico do ruído ASE gerado pelo amplificador do RN #, referidos à entrada do receptor. Os restantes parâmetros estão definidos na secção B.1.1 do Anexo B. Resolvendo os quadrados da Eq. (3.18), surge: n n n 2 ONU ONU M. Rλ. er + 2. ( er. esp, i ) + ( esp, i. esp, j ) + in se DL i= 1 i= 1 j= 1 i =, N N N 2 OLT OLT M. Rλ. er + 2. ( er. esp, i ) + ( esp, i. esp, j ) + in se UL i= 1 i= 1 j= 1 (3.19) Sinal Batimento 31 Batimento

54 onde se podem observar as componentes de sinal ( ) e as componentes de ruído que são resultado do batimento do sinal com a emissão espontânea ( ) e da emissão espontânea com ela própria ( ). Calculando as potências dos ruídos de batimento e, obtém-se [22]: e σ 2 s sp = n i= 1 N i= 1 σ σ 2 s spi 2 s spi, se DL, se UL (3.20) σ n n σ sp1 sp + i σ sp2 sp + + σ i spn spn 2 i= 1 i= 2 sp sp = N N σ sp1 sp + σ i sp2 sp + + σ i spn spn i= 1 i= 2, se DL, se UL, (3.21) onde e podem ser determinadas, respectivamente, através das Eq. (C.7) e (C.8). A probabilidade de erro de bit (ver Anexo B) calcula-se através da Eq. (B.15) e para a corrente de decisão deve ser utilizada a Eq. (B.16). Note-se que, devido à existência de ruído ASE, as potências de ruído associadas aos símbolos 0 e 1 são bastante desiguais, pelo que a Eq. (B.18) não pode ser usada Esquemas De Amplificação Ideais Cada um dos nós remotos RNs, integrados na base da rede PON de grande cobertura, possui dois amplificadores, dos quais um opera no anel exterior, sobre os sinais descendente de serviço (DS) e ascendente de protecção (UP), e o outro no interior, sobre os sinais ascendente de serviço (US) e descendente de protecção (DP). Ao conjunto dos parâmetros característicos dos amplificadores (ganho e potência de saturação), que servem um determinado anel, dá-se o nome de esquema de amplificação, pelo que a rede fica devidamente caracterizada com dois esquemas de amplificação distintos. O desempenho da rede é directamente influenciado pelos esquemas de amplificação. Logo, o processo de selecção do ganho e da potência de saturação, afectos a cada um dos amplificadores, deve ser alvo de optimização. A solução proposta para o problema da determinação dos esquemas de amplificação ideais, cuja descrição mais pormenorizada se encontra no Anexo D, baseia-se numa classe de heurísticas denominada algoritmos genéticos (AGs), que fornece um mecanismo de procura adaptativa inspirado no princípio Darwiniano da reprodução e da sobrevivência dos mais aptos. Além disso, como os esquemas dependem da estratégia de transmissão empregue, o problema tem que ser formulado para três tipos de redes: TDM-PON, WDM/TDM-PON e WDM/TDM-PON com UWC de grande cobertura. O algoritmo implementado e que abrange somente o estado de serviço começa com um conjunto de possíveis soluções, geradas aleatoriamente dentro de domínios previamente 32

55 definidos com base nas características da rede (ver secções D.1.6 e D.3). Às possíveis soluções dá-se o nome de cromossomas e o seu conjunto representa a população. Na Fig. 3.2 apresentam-se as estruturas definidas para esses cromossomas, cujos parâmetros (ver D.1.2 e D.3) seguem uma representação real: os ganhos para sinais fracos,, em db, e as potências de saturação,, em dbm, dos amplificadores pertencentes aos RNs, com x inteiro a variar de 1 a 4; a potência média de emissão do transmissor, em dbm (da ONU no sentido ascendente ou da OLT no descendente); o ganho do amplificador presente num conversor, em db, e a respectiva potência de saturação, em dbm, cujos valores são idênticos a todos. Note-se que, no problema de optimização WDM/TDM-PON com UWC opta-se por utilizar como dados de entrada os resultados obtidos para as redes TDM e WDM/TDM-PON. Daí que, as características dos amplificadores do anel sejam fixadas à partida e que a atenção se centre somente em torno dos ganhos e potências de saturação dos amplificadores internos aos conversores de comprimento de onda.,,,,,,,, (a) (b) Fig. 3.2: Estrutura do cromossoma: (a) redes TDM-PON e WDM/TDM-PON, (b) rede WDM/TDM-PON com UWC de grande cobertura. A evolução do algoritmo inicia-se a partir desta população e é realizada por meio de gerações. A cada geração, a adaptação de cada solução à população é avaliada por uma função-objectivo (ver D.1.3), que retorna o número de percursos, entre a central e o equipamento terminal, para os quais a probabilidade de erro de bit do receptor é igual ou inferior a Após a avaliação, os cromossomas seleccionados (ver D.1.4) são recombinados e/ou mutados (ver D.1.5) para formar uma nova população. A nova população é, então, utilizada como entrada da próxima iteração do algoritmo (ver D.1.7). Este processo é motivado pela esperança de que a nova seja melhor do que a primeira. O processo acima descrito é repetido até que a condição descrita na secção D.1.8 seja satisfeita. Na Tab. 3.1 apresentam-se os esquemas de amplificação obtidos (ver D.2.5 e D.3), através da aplicação do algoritmo sumariamente descrito, e que são postos em prática nas secções seguintes. O estudo que se realiza no Anexo D sugere que um desempenho de rede aceitável, no sentido ascendente, só é possível quando os ganhos dos amplificadores #2 a #4 são os estritamente necessários para compensar as perdas de potência verificadas nos respectivos conjuntos RNs, troços de interligação. Daí, a Tab. 3.1 apresentar valores de 14.5 db para os parâmetros mencionados. Por outro lado, conclui-se que quanto maior for a capacidade de amplificação do #1, melhor será o desempenho da rede. Para o sentido descendente, observa-se uma maior flexibilidade e menor especificidade na selecção dos valores para os parâmetros do respectivo esquema de amplificação. Basicamente, quanto mais elevados forem os valores dos parâmetros, melhor é o desempenho da rede. Além disso, repare-se que a 33

56 presença de vários comprimentos de onda não afecta nem os ganhos nem as potências de saturação, visto que os esquemas ideais para as redes TDM e WDM/TDM-PON são iguais. As explicações para todos estes comportamentos encontram-se na Secção D.2.5 do Anexo D. Relembra-se que, o estudo apresentado nesta secção e descrito no Anexo D apenas contempla o estado de serviço da rede Tab. 3.1: Esquemas de amplificação ideais (ganhos em db e potências em dbm). (a) TDM DL + TDMA UL, WDM DL + WDMA UL Híbrido e WDM/TDM DL + TDMA UL. Anel Sentido,,,,,,,, Exterior DS Interior US (b) WDM DL + WDMA UL Híbrido com UWC. Anel Sentido,,,,,,,, Exterior DS Interior US Resultados Para O Estado De Serviço Nesta secção apresentam-se e interpretam-se os resultados da análise da camada física da rede PON de grande cobertura, no seu estado de serviço, para cada um dos seguintes esquemas de transmissão: TDM DL + TDMA UL, WDM DL + WDMA UL Híbrido e WDM/TDM DL + TDMA UL. Cada uma das componentes de acesso PON, que integra a rede PON de grande cobertura, define um percurso distinto entre a central e um equipamento terminal pertencente à componente. Estes caminhos são diferentes, não só em termos do comprimento como, também, da atenuação, do ganho e do ruído introduzidos nos sinais transmitidos. Assim, conclui-se que o desempenho global da rede PON de grande cobertura é determinado por quatro desempenhos distintos. Daí, que se apresentem resultados para cada uma das componentes de acesso da rede PON de grande cobertura: PON #1 a # TDM DL + TDMA UL: Resultados E Sua Interpretação Nas Fig. 3.3 e 3.4 apresenta-se a variação da probabilidade de erro de bit no receptor da OLT, em função da potência média de sinal à saída do emissor da ONU, quando se usam, respectivamente, os fotodetectores PIN e APD. A sua análise permite concluir que, o aumento do débito binário de transmissão implica o aumento do nível da potência de emissão, necessário para atingir uma determinada probabilidade de erro de bit. A largura de banda eléctrica do receptor é proporcional ao débito. Quando este aumenta, a quantidade de ruído também aumenta, o que conduz à diminuição do valor da relação sinal-ruído e à degradação do desempenho do sistema. 34

57 10-2 PON #1: 1.25 Gbps 10-2 PON #2: 1.25 Gbps 10-4 PON #1: 2.5 Gbps PON #1: 10 Gbps 10-4 PON #2: 2.5 Gbps PON #2: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) (a) (b) 10-2 PON #3: 1.25 Gbps 10-2 PON #4: 1.25 Gbps 10-4 PON #3: 2.5 Gbps PON #3: 10 Gbps 10-4 PON #4: 2.5 Gbps PON #4: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) (c) (d) Fig. 3.3: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor da OLT, em função da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL e quando se utiliza um fotodetector PIN: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON #3, (d) PON # PON #1: 1.25 Gbps PON #1: 2.5 Gbps PON #1: 10 Gbps PON #2: 1.25 Gbps PON #2: 2.5 Gbps PON #2: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) (a) (b) 10-2 PON #3: 1.25 Gbps 10-2 PON #4: 1.25 Gbps 10-4 PON #3: 2.5 Gbps PON #3: 10 Gbps 10-4 PON #4: 2.5 Gbps PON #4: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) (c) (d) Fig. 3.4: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor da OLT, em função da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL e quando se utiliza um fotodetector APD: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON #3, (d) PON #4. 35

58 A Tab. 3.2, construída a partir das figuras já mencionadas, resume os valores da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, para uma probabilidade de erro de bit de Os dados presentes nesta tabela mostram que é indiferente o tipo de fotodetector utilizado no receptor da OLT. A interpretação deste resultado é realizada com recurso à relação sinal-ruído do receptor e encontra-se no Anexo E. Tab. 3.2: Valores da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU (em dbm), correspondentes a uma probabilidade de erro de bit de e para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL. Fotodetector PON # PIN PON # PON # PON # PON # APD PON # PON # PON # De forma a decidir sobre a viabilidade física da rede, torna-se necessário definir o nível máximo de potência de sinal, que se pode ter à saída do transmissor. Os sistemas de telecomunicações por fibra óptica usam fontes ópticas feitas de semicondutores, tais como díodos emissores de luz (LED) e díodos laser (LD). A potência óptica média acoplada à fibra varia tipicamente, para o caso dos LEDs, de -20 a -10 dbm (10 a 100 µw) e, para os LDs, de 0 a 7 dbm (1 a 5 mw) [21]. Este último representa o tipo de fonte praticamente dominante na actualidade. De modo a complementar esta informação, apresenta-se a Tab. 3.3, na qual se indicam os níveis máximos estabelecidos para a potência dos transmissores, nas normas GPON e EPON [23]-[24]. Tab. 3.3: Limites máximos definidos, nas normas GPON e EPON, para a potência média de emissão (dbm). Norma ITU-T G.984.x (GPON) IEEE 802.3ah (EPON) Classe A B C 1000BASE-PX BASE-PX20 Alcance (km) 10/ Orçamento de Potência (db) (UL), 21 (DL) Mbps UL 622 Mbps Gbps Gbps DL 1.25 Gbps Gbps

59 Tendo presente estes dados, assume-se que o valor máximo da potência média do transmissor é igual a 7 dbm. Colocando este dado lado a lado com os valores indicados na Tab. 3.2, conclui-se que, com a tecnologia actualmente disponível, o sistema tem o desempenho considerado como aceitável quando o débito binário vale 1.25 ou 2.5 Gbps. A 10 Gbps, a rede enfrenta um problema de viabilidade física, pelo que é necessário encontrar soluções que consigam melhorar o seu desempenho. No cenário que se tem vindo a estudar, as componentes de ruído térmico e de shot são desprezáveis face ao ruído ASE (ver Anexo E), pelo que se conclui, à partida, que a inserção de um pré-amplificador óptico na OLT não resolve o problema. A implementação de pós-amplificação óptica nas ONUs soluciona, com certeza, o problema, mas o custo de um amplificador é muito superior ao custo do equipamento terminal, pelo que em termos económicos não faz sentido. A pensar na estratégia que a 10GEPON vai adoptar, pode-se perspectivar a utilização de um código FEC (Forward Error Correction) no sentido ascendente da rede, o qual permite ganhar normalmente entre 6 a 7 db [6]. Quando se utiliza um código FEC, o desempenho aceitável localiza-se, normalmente, numa probabilidade de erro de bit não superior a 10-3 [25]. Os valores da potência média de emissão, para esta probabilidade de erro, encontram-se indicados na Tab Tab. 3.4: Valores da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU (em dbm), correspondentes a uma probabilidade de erro de bit de 10-3 e para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL. Fotodetector PON # PIN PON # PON # PON # PON # APD PON # PON # PON # Em suma, o sentido ascendente da rede TDM-PON de grande cobertura é viável do ponto de vista físico. No entanto, a 10 Gbps é necessário aplicar um código FEC, para que se garanta o desempenho desejado. Passa-se, assim, ao tratamento do sentido descendente da rede. À semelhança do que se fez anteriormente, apresenta-se, nas Fig. 3.5 e 3.6, a variação da probabilidade de erro de bit no receptor da ONU, em função da potência média de sinal à saída do emissor da OLT, quando se utilizam, respectivamente, um PIN e um APD. 37

60 10-2 PON #1: 1.25 Gbps 10-2 PON #2: 1.25 Gbps 10-4 PON #1: 2.5 Gbps PON #1: 10 Gbps 10-4 PON #2: 2.5 Gbps PON #2: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) (a) (b) 10-2 PON #3: 1.25 Gbps 10-2 PON #4: 1.25 Gbps 10-4 PON #3: 2.5 Gbps PON #3: 10 Gbps 10-4 PON #4: 2.5 Gbps PON #4: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) (c) (d) Fig. 3.5: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor de uma ONU, em função da potência média de sinal à saída do emissor da OLT, para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL e quando se utiliza um fotodetector PIN: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON #3, (d) PON # PON #1: 1.25 Gbps PON #1: 2.5 Gbps PON #1: 10 Gbps PON #2: 1.25 Gbps PON #2: 2.5 Gbps PON #2: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) (a) (b) PON #3: 1.25 Gbps PON #3: 2.5 Gbps PON #3: 10 Gbps PON #4: 1.25 Gbps PON #4: 2.5 Gbps PON #4: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) (c) (d) Fig. 3.6: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor de uma ONU, em função da potência média de sinal à saída do emissor da OLT, para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL e quando se utiliza um fotodetector APD: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON #3, (d) PON #4. 38

61 Na Tab. 3.5 indicam-se dados extraídos destas figuras e que foram calculados considerando uma probabilidade de erro de bit de No sentido descendente, a utilização do APD mostra ser uma mais valia (ver Anexo E), já que permite minimizar o valor da potência de emissão necessário para se alcançar um desempenho de sistema aceitável. Tab. 3.5: Valores da potência média de sinal à saída do emissor da OLT (em dbm), correspondentes a uma probabilidade de erro de bit de e para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL. Fotodetector PON # PIN PON # PON # PON # PON # APD PON # PON # PON # Os valores indicados na Tab. 3.5 respeitam o limite máximo estabelecido para a potência média de emissão, o que quer dizer que o sentido descendente da rede não representa um problema de dimensionamento ao nível físico. Recorda-se que, no sentido ascendente e a 10 Gbps, é necessário recorrer a um código FEC para que a rede seja viável do ponto de vista físico. Ao nível económico, faz todo o sentido aplicar um código ao sinal descendente da rede, já que os custos adicionais, associados à introdução de descodificadores nas ONUs e de um codificador na OLT, não são significativos. Na Tab. 3.6 apresentam-se os valores da potência de emissão para esta situação. Tab. 3.6: Valores da potência média de sinal à saída do emissor da OLT (em dbm), correspondentes a uma probabilidade de erro de bit com um valor de 10-3 e para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL. Fotodetector PON # PIN PON # PON # PON # PON # APD PON # PON # PON #

62 Conclui-se que a rede TDM-PON de grande cobertura é fisicamente viável. Deve-se acrescentar, no entanto, que o sentido ascendente exige potências de emissão na ONU bastante superiores às que são exigidas no sentido descendente, ou seja na OLT. Esta diferença deve-se sobretudo ao facto de que, no sentido descendente, tanto o sinal como o ruído de amplificação óptica sofrem perdas de potência na componente de acesso PON, enquanto, no sentido ascendente, somente o sinal é afectado. Além disso, qualquer sinal ascendente sofre a interferência de todas (quatro, neste caso) as componentes de ruído ASE, o que não sucede no sentido descendente. O cenário associado à PON#4 encontra-se sujeito a uma maior quantidade de ruído (pelo menos no sentido descendente) e possui o percurso com maior comprimento, pelo que deveria corresponder à situação mais crítica, ou seja aquela que exigiria maior potência de emissão. No entanto, os resultados mostram que isso não é verdade, sugerindo, inclusive, que esta representa a situação mais fácil de gerir. Para justificar esta questão, basta pensar que, apesar de todas as dificuldades, o cenário #4 é o que possui maior número de amplificadores intermédios, habilitados a contribuir com mais amplificação. Por exemplo, o cenário correspondente à PON#1, teoricamente o menos crítico, é o que exige um maior nível de potência de emissão, porque possui um único amplificador. Note-se que, estas considerações só são válidas quando os ganhos dos amplificadores são mais do que suficientes para compensar as perdas de potência do anel da rede WDM DL + WDMA UL Híbrido: Resultados E Sua Interpretação Antes de iniciar a apresentação dos resultados, explica-se como é que o método de cálculo se altera, quando se transita da rede TDM-PON de grande cobertura para a WDM/TDM-PON. Segundo o Cap. 2, uma das principais diferenças, entre os esquemas de transmissão usados por estas redes, reside no plano de comprimentos de onda. Enquanto na TDM-PON, é atribuído o mesmo par de comprimentos de onda a todas as componentes de acesso (ver Tab. 2.1), na WDM/TDM-PON, cada componente é servida por um par único na rede (ver Tab. 2.2). Isto passa a permitir a transmissão simultânea de sinais, da central para clientes de diferentes componentes de acesso e vice-versa, o que, por sua vez, aumenta o número de sinais e de comprimentos de onda que circulam na rede e, eventualmente, os níveis totais de potência. Por conseguinte, o método de determinação dos ganhos reais dos amplificadores (em saturação) tem que ser alterado (ver Anexo C). Além disso, já tinha sido visto que era necessário mudar a estrutura da OLT, com a introdução de um mux/demux WDM, e passar a utilizar a Eq. (3.8), para o cálculo da sua atenuação. Em síntese, modifica-se o plano de comprimentos de onda, o método de determinação dos ganhos reais dos amplificadores e a expressão utilizada para o cálculo da atenuação da OLT. Está claro que, a utilização de outro plano de comprimentos altera os valores dos parâmetros dependentes do comprimento de onda, como, por exemplo, a respostividade do receptor. No entanto, considera-se que os amplificadores possuem ganho e potência de saturação constantes em 40

63 ambas as bandas de transmissão. De resto, o estudo da rede WDM/TDM-PON de grande cobertura é conduzido de modo similar ao da secção anterior. Começa-se por tratar o sentido ascendente, para o qual se apresentam as Fig. 3.7 e 3.8, que traçam a variação da probabilidade de erro de bit no receptor da OLT, em função da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, quando se usam, respectivamente, os fotodetectores PIN e APD PON #1: 1.25 Gbps PON #1: 2.5 Gbps PON #1: 10 Gbps PON #2: 1.25 Gbps PON #2: 2.5 Gbps PON #2: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) (a) (b) 10-2 PON #3: 1.25 Gbps 10-2 PON #4: 1.25 Gbps 10-4 PON #3: 2.5 Gbps PON #3: 10 Gbps 10-4 PON #4: 2.5 Gbps PON #4: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) (c) (d) Fig. 3.7: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor da OLT, em função da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL Híbrido e quando se utiliza um fotodetector PIN: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON #3, (d) PON # PON #1: 1.25 Gbps 10-2 PON #2: 1.25 Gbps 10-4 PON #1: 2.5 Gbps PON #1: 10 Gbps 10-4 PON #2: 2.5 Gbps PON #2: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) (a) (b) 10-2 PON #3: 1.25 Gbps 10-2 PON #4: 1.25 Gbps 10-4 PON #3: 2.5 Gbps PON #3: 10 Gbps 10-4 PON #4: 2.5 Gbps PON #4: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dbm) (c) (d) Fig. 3.8: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor da OLT, em função da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL Híbrido e quando se utiliza um fotodetector APD: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON #3, (d) PON #4. 41

64 A Tab. 3.7 apresenta os valores da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, calculados para uma probabilidade de erro de bit de Os dados presentes nesta tabela revelam uma ligeira diferença entre os desempenhos do PIN e do APD, mas que, à semelhança do que se passa na TDM-PON, ainda não permite estabelecer uma preferência quanto ao tipo de fotodetector a utilizar no receptor da OLT. De acordo com as Eq. (3.7)-(3.9), a introdução do desmultiplexador WDM, já referenciado, aumenta o valor da atenuação da OLT em 7 db. Assim, conclui-se que o sinal e o ruído ASE sofrem maiores perdas de potência na rede WDM/TDM-PON do que na TDM-PON. Neste sentido, o ruído térmico (independente da potência do sinal) passa a ter um maior peso sobre o valor total de ruído, sendo este o principal motivo por detrás da ténue diferença de desempenhos (ver Anexo E). Tab. 3.7: Valores da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU (em dbm), correspondentes a uma probabilidade de erro de bit de e para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL Híbrido. Fotodetector PON # PIN PON # PON # PON # PON # APD PON # PON # PON # Como era expectável, o sistema não tem o desempenho considerado como aceitável quando o débito binário vale 10 Gbps. Para resolver este problema, recorre-se, novamente, à utilização de um código FEC, cujo resultado se pode observar na Tab 3.8. Tab. 3.8: Valores da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU (em dbm), correspondentes a uma probabilidade de erro de bit de 10-3 e para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL Híbrido. Fotodetector PON # PIN PON # PON # PON # PON # APD PON # PON # PON #

65 Visto que, o sentido ascendente da rede é fisicamente viável, passa-se ao tratamento do descendente. As Fig. 3.9 e 3.10 traçam a variação da probabilidade de erro de bit no receptor de uma ONU, em função da potência média de sinal à saída do emissor da OLT PON #1: 1.25 Gbps PON #1: 2.5 Gbps PON #1: 10 Gbps PON #2: 1.25 Gbps PON #2: 2.5 Gbps PON #2: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) (a) (b) 10-2 PON #3: 1.25 Gbps 10-2 PON #4: 1.25 Gbps 10-4 PON #3: 2.5 Gbps PON #3: 10 Gbps 10-4 PON #4: 2.5 Gbps PON #4: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) (c) (d) Fig. 3.9: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor de uma ONU, em função da potência média de sinal à saída do emissor da OLT, para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL Híbrido e quando se utiliza um fotodetector PIN: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON #3, (d) PON # PON #1: 1.25 Gbps 10-2 PON #2: 1.25 Gbps 10-4 PON #1: 2.5 Gbps PON #1: 10 Gbps 10-4 PON #2: 2.5 Gbps PON #2: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) (a) (b) 10-2 PON #3: 1.25 Gbps 10-2 PON #4: 1.25 Gbps 10-4 PON #3: 2.5 Gbps PON #3: 10 Gbps 10-4 PON #4: 2.5 Gbps PON #4: 10 Gbps Probabilidade de Erro de Bit Probabilidade de Erro de Bit Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dbm) (c) (d) Fig. 3.10: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor de uma ONU, em função da potência média de sinal à saída do emissor da OLT, para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL Híbrido e quando se utiliza um fotodetector APD: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON #3, (d) PON #4. 43

66 A Tab. 3.9 apresenta os valores da potência média de sinal à saída do emissor da OLT, calculados para uma probabilidade de erro de bit de Tal como sucedia para o caso do esquema TDM DL + TDMA UL, o APD é o tipo de fotodetector que deve ser utilizado no sentido descendente da rede (ver Anexo E). Reunindo todos os dados apresentados, conclui-se que o sentido descendente é fisicamente realizável, indo de encontro aos requisitos propostos. Tab. 3.9: Valores da potência média de sinal à saída do emissor da OLT (em dbm), correspondentes a uma probabilidade de erro de bit de e para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL Híbrido. Fotodetector PON # PIN PON # PON # PON # PON # APD PON # PON # PON # À primeira vista, o desempenho da rede WDM/TDM-PON de grande cobertura deveria ser significativamente pior do que o da TDM-PON, para ambos os sentidos de transmissão. Note-se que, no anel da rede híbrida transmite-se um sinal WDM, cuja potência é (quatro vezes) superior ao sinal da rede TDM-PON de grande cobertura e que deveria conduzir a um efeito de saturação bastante mais intenso. No entanto, isto não se verifica e os ganhos dos amplificadores praticamente não se alteram (ver Secção C.3, Anexo C). Agora, interessante é tentar perceber porque é que, no sentido ascendente, o desempenho da rede WDM/TDM-PON é semelhante ao da TDM-PON e, no descendente, é pior. A razão disto está no esquema mux/demux WDM, inserido na OLT da rede WDM/TDM-PON. No sentido ascendente, tanto o sinal como o ruído ASE sofrem a atenuação do desmultiplexador, o que permite manter aproximadamente o mesmo valor da relação sinal-ruído, enquanto no descendente só o sinal é atenuado pelo multiplexador. Se com a introdução de tal atenuação, que não existia na rede TDM-PON, só o sinal é atenuado, é lógico que o desempenho se degrade de forma acentuada WDM/TDM DL + TDMA UL: Resultados E Sua Interpretação Como já foi referido, este esquema conjuga o método utilizado no sentido ascendente do esquema TDM DL + TDMA UL com a técnica aplicada no sentido descendente do esquema WDM DL + WDMA UL Híbrido. Assim, os resultados obtidos na secção permanecem válidos para o seu upstream e os da secção para o seu downstream. 44

67 RN #1 RN #4 RN #2 RN # Resultados Para O Estado De Protecção Encerrado o estudo do estado de serviço, passa-se, agora, à apresentação dos resultados da análise da camada física da rede PON de grande cobertura, no seu estado de protecção (consulte 2.3, Cap. 2). Nesta secção, apenas se apresentam os resultados relativos à rede WDM/TDM-PON de grande cobertura, já que o estudo para os outros esquemas de transmissão é idêntico. A Fig ilustra os percursos tomados pelos sinais, nas quatro possíveis situações de falha dos troços de fibra do anel da rede. De acordo com o Cap. 2, só transitam para protecção os RNs que se encontram após o local da falha, segundo o sentido retrógrado ou dos ponteiros do relógio. Como os sinais que fluem nas componentes de acesso, correspondentes a estes RNs, vão descrever outros percursos, os desempenhos de rede vão-se alterar. Quando ocorre uma falha no primeiro troço de fibra do anel da rede, todos os RNs comutam para o estado de protecção, pelo que esta pode ser considerada a situação mais crítica. Logo, se garantir-se um desempenho de rede aceitável nesta situação, também se garantirá nas restantes. (a) (b) OLT (c) (d) Fig. 3.11: Percursos descritos pelos sinais, quando ocorre uma falha num troço de fibra do anel da rede: (a) troço #1, (b) troço #2, (c) troço #3 e (d) troço #4. 45

68 Considere-se, então, a situação de falha no troço #1, representada na Fig (a). Por comparação desta com a Fig. 2.1 (ver Cap. 2), conclui-se que o funcionamento da rede em protecção representa o espelho do funcionamento em serviço. Observando os percursos descritos pelos sinais, pode-se dizer que quando o RN# (com inteiro, a variar de 1 a 4) entra em protecção, a sua posição relativamente à OLT altera-se, passando a ficar à mesma distância que o RN# 5 está da OLT no estado de serviço. Deste modo, conclui-se que o método utilizado para o cálculo do desempenho de rede associado à PON#, quando o respectivo RN se encontra em protecção, é análogo ao usado na determinação do desempenho referente à PON# 5,nas condições normais de funcionamento. Falta só referir quais os esquemas de amplificação que devem ser utilizados. Como tinha sido visto no Cap. 2, os amplificadores de um RN, que comute para a protecção, passam a actuar sobre diferentes sentidos de transmissão. Portanto, se, no estado de serviço, o amplificador opera sobre o sinal ascendente, em protecção vai amplificar o descendente e vice-versa. Isto quer dizer que, em protecção, o esquema de amplificação do anel exterior actua sobre os sinais ascendentes e o do anel interior sobre os descendentes (ver Tab. 3.1) WDM DL + WDMA UL Híbrido: Resultados E Sua Interpretação A Tab apresenta os valores da potência média (em dbm) de sinal à saída dos emissores de uma ONU (sentido ascendente, UL) e da OLT (sentido descendente, DL), calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-3 (com FEC), na situação de falha do primeiro troço de fibra do anel. Nesta análise utilizaram-se fotodetectores APD, para ambos os sentidos de transmissão. Como se viu em , é indiferente o tipo de fotodetector que se utiliza no receptor da OLT, mas, no downstream, é preferível utilizar um fotodetector APD. Tab. 3.10: Valores da potência média de sinal (dbm) à saída dos emissores de uma ONU (UL) e da OLT (DL), calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-3, na situação de falha do primeiro troço de fibra do anel. PON UL DL PON # PON # PON # PON # PON # PON # PON # PON #

69 A análise da Tab permite concluir que, a rede PON de grande cobertura não possui um desempenho aceitável no estado de protecção. Salienta-se, ainda, que o sentido ascendente de transmissão é o mais crítico, o que vem reforçar aquilo que se tinha dito anteriormente acerca da elevada especificidade do seu esquema de amplificação (ver e Anexo D). Na secção seguinte exploram-se os problemas introduzidos pelo mecanismo de protecção, sobretudo ao nível físico, e propõem-se soluções. Ao observar a Tab. 3.10, verifica-se que, em protecção, o desempenho da rede melhora, à medida que se avança da PON#4 para a PON#1. Na secção tinha-se visto que, em serviço, passava-se exactamente o contrário. Isto confirma o que foi dito inicialmente sobre o facto do funcionamento da rede em protecção constituir o espelho do funcionamento em serviço Problemas Introduzidos Pelo Mecanismo De Protecção Os esquemas de amplificação, que actuam sobre os sinais, mudam consoante o estado da rede (serviço ou protecção). Para o sinal descendente, em serviço, o esquema toma a ordem 34, 34, 34 e 34 db enquanto, em protecção, tem-se 14.5, 14.5, 14.5 e 34 db. No sentido ascendente, o esquema passa de 14.5, 14.5, 14.5 e 34 db para 34, 34, 34 e 34 db. Como se constatou na secção anterior, todas estas alterações trazem sérias consequências ao nível de desempenho da rede. A Fig apresenta os esquemas de amplificação no estados de serviço e de protecção. (a) Fig. 3.12: Esquemas de amplificação no estado de: (a) serviço, (b) protecção. (b) Para solucionar este problema, de nível físico, aproveita-se a flexibilidade já demonstrada pelo esquema de amplificação descendente e iguala-se o esquema de amplificação ascendente de protecção ao de serviço. Em termos práticos, os amplificadores de 1 a 4, presentes no anel exterior, passam a apresentar os seguintes valores de ganho e de potência de saturação: 14.5 db, 17 dbm; 14.5 db, 17 dbm; 14.5 db e 17 dbm; 34 db, 18 dbm. 47

70 Os amplificadores, presentes no anel interior, mantêm as suas características iniciais. A Fig apresenta os esquemas de amplificação finais. (a) Fig. 3.13: Esquemas de amplificação finais no estado de: (a) serviço, (b) protecção. (b) Ao igualar o esquema ascendente de protecção ao de serviço, também se iguala o esquema descendente de serviço ao de protecção. Porém, a Tab indica que, em protecção, a rede apresenta um desempenho aceitável no sentido descendente, pelo que o mesmo se continua a verificar em serviço. A Tab apresenta os valores da potência média (em dbm) de sinal à saída dos emissores de uma ONU (sentido ascendente, UL) e da OLT (sentido descendente, DL), calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-3 (com FEC), em ambos os estados de rede. Note-se que, de modo a garantir o desempenho de rede aceitável demonstrado pela Tab. 3.11, é necessário utilizar APDs nas ONUs e aplicar códigos FEC aos sinais, em ambos os sentidos. Como é indiferente o tipo de fotodetector da OLT, utiliza-se um PIN. Tab. 3.11: Valores da potência média de sinal (dbm) à saída dos emissores de uma ONU (UL) e da OLT (DL), calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-3, em ambos estados de rede. PON UL DL PON #1 PON#2 PON#3 PON#4 PON #1 PON#2 PON#3 PON# Serviço Protecção Serviço Protecção Serviço Protecção Serviço Protecção Serviço Protecção Serviço Protecção Serviço Protecção Serviço Protecção