Rede Local Passiva Óptica versus Rede Local Metálica Ativa

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1 III SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE 2016 Rede Local Passiva Óptica versus Rede Local Metálica Ativa Rafael Nóbrega de Carvalho 1, André Luís da Rocha Addabe 2 Abstract This article proposes a practical and theoretical comparison between traditional local area networks (LAN) which uses active equipment and copper cables in the signal distribution, and passive optical local area networks which uses passive elements and fiber optics cables in the signal distribution, presenting theoretical concepts and practical numbers from Index Terms Fiber-to-the-home, passive optical network, local area network. Resumo Este artigo propõe uma comparação teórica e prática entre redes locais tradicionais, que utilizam equipamentos ativos e cabeamento metálico, e redes locais ópticas passivas, que utilizam elementos passivos para distribuição do sinal e cabeamento óptico, apresentando conceitos teóricos e indicadores de estudos de caso para embasar a conclusão do artigo. Palavras chave Fiber-to-the-home, rede óptica passiva, rede local. equipamentos do núcleo da rede localizam-se na sala de telecomunicação central ou data center, esses por sua vez se interligam com os switches de distribuição e subsequentemente aos switches de acesso. Do rack em que se localiza o switch de acesso é encaminhado o cabeamento que atenderá a área de trabalho dos usuários, cada elemento presente em cada nível de hierarquia da rede necessita de salas com infraestrutura de controle de temperatura, espaço para acomodação e alimentação de energia. I. INTRODUÇÃO O advento de redes de acesso passivas nas arquiteturas FTTx (Fiber To the x) já não é mais novidade para ninguém, trata-se de uma tecnologia consagrada e amplamente utilizada por provedores de serviços de diversos níveis no Brasil e no mundo. Aplicar o conceito de rede óptica passiva em um ambiente LAN (Local Area Network), pode-se considerar sim um conceito relativamente novo. Este trabalho tem como objetivo expor as vantagens técnicas, operacionais e financeiras dessa nova tecnologia e responder à pergunta: Porque optar por uma rede local óptica passiva ao invés de uma rede metálica ativa (rede local tradicional)? II. DESENVOLVIMENTO A. Rede Local Tradicional As redes locais tradicionais se baseiam na utilização de equipamentos ativos em topologias, dependendo do tamanho da rede, com 2 ou 3 níveis de hierarquia (acesso, distribuição e núcleo, vide Figura 1). No núcleo da rede se encontra o roteador, elemento de camada 3 responsável pelo roteamento das informações das VLANs (Virtual Local Area Network) para a internet. Conectado ao roteador está o switch central (core) que faz a comunicação de camada 2 da rede local. Os Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. (André Luís da Rocha Abbade). Figura 1 Diagrama de redes LAN tradicionais. A maior parte do cabeamento utilizado é metálico, cabeamento proveniente dos racks nas salas de telecomunicações dos switches de acesso, tendo uma limitação

2 de distância de 100 metros, com a necessidade de trabalho cada vez mais específico e sofisticado no que diz respeito à blindagem do cabo e de seus pares para o cancelamento de interferência, isso para que o cabo metálico possa dispor de maior largura de banda e assim a rede possa trafegar com altas taxas de transmissão de dados. A blindagem aumenta o peso e o diâmetro total do cabo, o que interfere diretamente no manuseio, na instalação, encaminhamento e acomodação destes. Devido ao tráfego de altas frequências pela rede metálica, além da preocupação com a blindagem do cabo e seus pares, faz-se necessário outros cuidados como infraestrutura separada para dados e elétrica. Desta forma, os encaminhamentos de cabos e quadros são separados, juntando com a necessidade de áreas para os equipamentos ativos em cada nível de hierarquia da rede, demanda uma ocupação de espaço físico relativamente alta, o que, dependendo do espaço disponível para o projeto, pode se tornar um fator impeditivo. Mesmo que haja espaço físico disponível, isto representa um custo indireto que muitas vezes não é mensurado, mas que pode ser bastante significativo. B. GPON / FTTx A tecnologia GPON (Gigabit Passive Optical Network) é uma tecnologia amplamente utilizada nas redes de acesso, baseadas nos conceitos FTTH (Fiber To The Home), para entregar serviços tripleplay (dados, voz e vídeo) a assinantes residenciais utilizando fibra óptica desde o escritório do provedor até as residências dos assinantes [1]. A ideia fundamental de uma Rede Óptica Passiva (PON Passive Optical Network) é não utilizar nenhum componente ativo entre o núcleo da rede e o elemento de acesso do assinante em uma distância limitada em até 20km, devido às perdas do sinal óptico. A distribuição do sinal é feita através de um divisor óptico (Splitter) que possui fator de divisão de 1 para 2 até 1 para 64 fibras, podendo ter mais de um nível de divisão, sendo que cada fibra após a divisão final atende um respectivo cliente. A divisão total em uma rede GPON é geralmente para 64 ou 128 usuários por interface. Com a utilização apenas de elementos passivos, otimiza-se os gastos com equipamentos, manutenção da rede e infraestrutura, facilitando a implantação do projeto como um todo, além de se ter uma estrutura pronta para acompanhar futuros avanços tecnológicos. Não se trata de uma arquitetura muito nova no mercado de telecomunicações no Brasil, diversos provedores já adotaram para sua rede de acesso o modelo FTTx (FTTC - Fiber To The Curb/ FTTB - Fiber To The Building/ FTTH Fiber To The Home), que se trata de uma rede de transmissão baseada na arquitetura PON. Figura 2 - Arquitetura PON, conceito FTTH. A Figura 2 apresenta a estrutura básica de uma rede PON. Os equipamentos utilizados nesta rede e suas respectivas funções são: 1- OLT Optical Line Terminator: Concentrador da rede, responsável pela distribuição do acesso e gestão (Controle de acesso, gerência de banda, disponibilização de serviços, etc.). A maioria dos modelos são modulares sendo compostos por placas denominadas de Optical Line Terminator Unit (vide Figura 4), estas possuem as interfaces de uplink (Ethernet recebe sinal WAN Wide Area Network) e GPON ou EPON (Ethernet Passive Optical Network) (SFP Small form-factor pluggable disponibiliza o sinal óptico de acordo com o padrão GPON). Trata-se de um equipamento extremamente robusto e um chassi OLT como o apresentado na Figura 3, pode ter capacidade de atender milhares de usuários, dependendo de sua configuração. Devido a só existir elementos passivos na rede, é de responsabilidade da OLT também codificar o sinal de cada assinante para que na outra ponta o terminal possa extrair apenas o sinal do seu respectivo cliente. Figura 3 - Chassi OLT. Figura 4 - Optical Line Terminator Unit. 2- ONU/ONT Optical Network Unit/Terminal (vide Figura 5) Elemento de acesso da rede, localizado dentro da estrutura do assinante. Sua principal função é decodificar o sinal referente ao seu respectivo cliente e converter o sinal óptico recebido da OLT em sinal elétrico (IEEE Ethernet). Existem modelos que basicamente só realizam a conversão do sinal, porém outros, dependendo da aplicação proposta, podem realizar roteamento de camada 3, QoS (IEEE

3 802.1), e até mesmo disponibilizar para o usuário o sinal Wi- Fi (IEEE ). Figura 5 - Optical Network Unit / Terminal 3- Divisor óptico (Splitter) Elemento que caracteriza a rede passiva, construído a partir da fusão de fibras ópticas, é responsável pela distribuição do sinal óptico proveniente de uma fibra em várias outras, possui fator de divisão de até 64 usuários a partir de apenas uma fibra óptica de entrada. Ao dividir o sinal, para cada divisão de 1 para 2, o divisor óptico introduz uma perda de potência de 3dB (metade da potência disponibilizada em cada fibra de saída) e este é o principal parâmetro de atenuação que determina a limitação de distância de 20 km entre a OLT e o ONU/ONT no usuário final. A Figura 6 apresenta um modelo de splitter com divisão de 1 para 8. Figura 7 Comparação entre a estrutura de uma rede LAN tradicional e uma PON LAN. Com isso, todas as vantagens anteriormente citadas das redes ópticas passivas, agora se aplicam a rede local. Ou seja, menor ocupação de espaço, dependendo do caso é possível substituir uma sala inteira com rack, refrigeração e alimentação de energia apenas por uma caixa de emenda óptica (vide Figuras 8 e 9), que pode simplesmente ser instalada diretamente na parede de um shaft ou em um rack de dimensões bem menores. Figura 6 Divisor Óptico 1x8. C. Rede local óptica passiva (PON LAN) A popularidade das redes FTTH levou a criação de uma nova aplicação para o conceito da tecnologia GPON, o FTTD (Fiber-To-The-Desk). Nesta solução a proposta é de, utilizando as premissas de redes passivas, levar fibras ópticas direto às mesas dos usuários, entregando os serviços disponíveis na rede local. Nesse caso toda a infraestrutura está localizada dentro da área local da rede (LAN). A OLT se localiza na sala principal de telecomunicações, os divisores ópticos substituem os switches de distribuição e de acesso (tendo como referência a topologia de redes LAN tradicionais) e as ONUs/ONTs se localizam nas mesas dos usuários como elementos de terminação. A Figura 7 mostra uma comparação entre os dois tipos de rede. Figura 8 Típico rack de andar de uma rede LAN tradicional.

4 usuários, podem ser instaladas junto com a infraestrutura elétrica, sem a necessidade de blindagem ou de aterramento. A tecnologia PON LAN possui uma vantagem muito grande também em projetos de atualização de rede em construções muito antigas ou prédios tombados, pois seus cabos são mais leves e mais fáceis de instalar, além de não existir necessidade de salas de telecomunicações intermediárias, desta forma, a necessidade de mudanças ou reformas nessas estruturas é mínima, o que entrega uma solução que antes não existia para esse tipo de edificação. Figura 9 caixa de emenda para 16 fibras. Outra grande vantagem das redes ópticas passivas é que o diâmetro e o peso dos cabos são muito menores, logo, a estrutura de encaminhamentos, como dutos e eletrocalhas, diminui drasticamente. Figura 10 Cabo de fibra óptica x cabo metálico. Com a diminuição da estrutura das salas de telecomunicações intermediárias, ou até mesmo a extinção delas, o consumo de energia diminui drasticamente. Como consequência da diminuição do número de equipamentos ativos, menor peso e ocupação de cabos (vide Figura 10), e menor necessidade de infraestrutura, o custo total da implementação do projeto (CAPEX) é menor que em redes metálicas. Além do custo de implementação do projeto, o custo de operação é reduzido também, pois reduz o consumo de energia consumida pela rede e como a gerência da rede fica centralizada na OLT, se tem uma necessidade de uma equipe técnica de manutenção menor. Com uma rede totalmente óptica entre os equipamentos ativos da rede, se tem uma capacidade de transmissão muito superior à das redes metálicas tradicionais, o que deixa a solução implantada hoje pronta para suportar taxas muito superiores, tornando a rede à prova de futuro [1]. Outra vantagem significativa é que as caixas de emendas ópticas que acomodam os splitters e as emendas e encaminham os cabos ópticos para a área de trabalho dos D. Estudo de caso Um dos casos de maior sucesso de implantação de rede PON LAN no mundo é o projeto feito pela Motorola no Hotel Marriott na cidade de Nova Iorque. O projeto se transformou no documento que este artigo apresenta como estudo de caso [5]. Trata-se de um dos primeiros projetos a implantar um serviço tripleplay (Voz, dados e vídeo) através de uma arquitetura PON em uma rede local. Originalmente a rede local do hotel foi desenhada com uma solução de cabeamento metálico tradicional, pois redes passivas não eram comumente previstas no momento de concepção do projeto. Os representantes da Motorola (Vision Technologies) após apresentar os benefícios que uma rede local passiva entregaria ao novo hotel, convenceram os donos do prédio a investir nesta nova estrutura de rede para a sua LAN. O plano desenvolvido pela equipe de implementação provisionou equipamentos ativos da Motorola operando no padrão GPON. Em cada andar foram instalados dois splitters 1x32 e uma ONT por andar para oferecer o acesso à internet via Wi-Fi, além de uma ONT para cada quarto que entregará os serviços de telefonia, TV e uma conexão cabeada para hospedes com perfil de segurança diferenciado. Devido ao hotel ainda estar em fase de construção durante a elaboração de boa parte do projeto, assim que a infraestrutura estava pronta para implementação da rede passiva iniciou-se a preparação para a ativação dos serviços seguindo o cronograma: Teste do cabo de fibra óptica instalado pela empreiteira; Conectar o sistema de núcleo da rede e estabelecer os uplinks; Conectar o sistema de telefonia IP; Instalação das ONTs nos quartos; Programação dos protocolos e informações necessárias para configuração das VLANs; Integração do sistema de TV à rede GPON. Após o cronograma cumprido foram realizados os testes finais na rede. Foram testados 16 quartos por vez em capacidade máxima: simultaneamente foram realizadas ligações, download de vídeos, utilização de equipamentos sem fio e com as TVs ligadas durante todo o tempo. Todos esses testes apresentaram resultados positivos. O retorno de investimento estimado nesse projeto foi de 65% de economia geral e de 57% de economia de TCO (Total

5 Cost of Onwership). Além desses números, em eficiência enérgica, somando a diminuição de necessidade de alimentação elétrica e refrigeração foi alcançada uma economia de 68%. Além do retorno do investimento inicial, o projeto apresentou outros pontos de melhoria se comparados com redes metálicas tradicionais. Se tratando de segurança a nova solução PON do hotel Marriott utiliza criptografia de 128 bits para proteção dos dados e como esta solução utiliza somente cabos de fibra óptica não é necessário se preocupar com interferência eletromagnética. Com a drástica diminuição da hierarquia da rede, se torna muito mais fácil também a detecção de problemas. Devido aos níveis de hierarquia serem interligados por um único cabo de fibra óptica, os problemas que geralmente se apresentam são de configuração e programação, podendo assim serem resolvidos muitas vezes remotamente, sem a necessidade de profissionais locados no sitio para investigar a rede fisicamente. Além de todas as vantagens citadas anteriormente, a solução GPON disponibiliza uma largura de banda de 1,3 Gigabits, que comparados com os 500 Megabits disponíveis na solução Ethernet tradicional, o que representa diretamente uma melhoria drástica, além de quando houver necessidade de upgrade da rede poder substituir apenas os equipamentos terminais, sem precisar alterar a configuração da rede cabeada, o que sustenta o princípio de que esta rede é de fato a prova de futuro. Na totalização desse projeto foram atendidos com serviços de voz, dados, TV e Wi-Fi, um total de 650 quartos divididos em 65 andares. Foram utilizados equipamentos Motorola, Cisco e Ruckus, sendo necessárias 28 portas PON, 650 ONTs para os quartos e 54 ONTs para o serviço Wireless. III. CONCLUSÕES Os Estudos apresentados nesse artigo mostram que de fato as vantagens da rede óptica local passiva sobre redes metálicas tradicionais são enormes em diversos argumentos. O projeto pode exigir um investimento inicial um pouco maior no núcleo da rede, porém os custos são menores em toda a estrutura da rede cabeada, de tal forma que o retorno alcançado, como mostrado anteriormente, paga o investimento necessário para o projeto. Entretanto, a despeito de todas as vantagens financeiras que a rede passiva entrega, o maior benefício é o legado de uma rede a prova de futuro [1], pois você deixa a estrutura da rede pronta para evoluções de várias gerações de tecnologias para frente. Fica como proposta para trabalhos futuros, acompanhar e avaliar os resultados das novas redes LAN que estão sendo implantadas no Brasil. Diversas empresas já estão oferecendo esta solução e em breve será possível avaliar os resultados e comparar os benefícios obtidos. REFERÊNCIAS [1] Furukawa - Guia de aplicação laserway para ambientes enterprise (online) Disponível na internet. URL: %C3%A3o%20Laserway%20/guia-de-aplicacao-laserway-2015.pdf [2] IBM Smarter Networks with Passive Optical LANs Innovating Enterprise Infrastructure and Lowering TCO (on-line) Disponível na internet. URL: ibm.com/connections/files/form/anonymous/api/library/7d7b88cc- a7ad fef-cc1ce66fcc9c/document/fc31599c-03a8-46d8-8d33-17e78e9dc879/media/ibm%20smarter%20networks%20whitepaper.p df [3] The ABC s of Motorola s Passive Optical LAN Solution: How educational institutions can leverage Passive Optical LAN for a costeffective, green, converged network to support current and future educational needs. (On-line) Disponível na internet. URL: f_motorolas_passive_optical_lan_solution.pdf [4] Tellabs How Enterprises are Solving Evolving Networks Challenges with Passive Optical LAN (on-line) Disponível na internet. URL: h_passive_optical_lan.pdf [5] Marriott PON Delivering Voice, Data and Video over Fiber. A vision Technologies case study providing an overview of the design, installation and financial considerations of a Passive Optical Network for the new Merriott hotel, New Your City Disponível na internet. URL: 20Final.pdf ¹ Rafael Nóbrega de Carvalho. Em 2012, obteve respectivamente o título de Engenheiro de Telecomunicações.. Entre 2013 e 2015 trabalhou na equipe de rede de acesso da vivo SP, também como analista de telecomunicações da empresa Schneider Electric, fazendo parte da equipe responsável pela gestão dos ambientes de redes e telecomunicações que atendiam os 12 mil clientes internos da empresa. Atualmente ocupa o cargo de diretor técnicocomercial da empresa Lanbras Soluções para Redes Estruturadas, sendo responsáveis pelos projetos ópticos e de infra estrutura. ² André Luis da Rocha Abbade. Mestre em Telecomunicações pelo Inatel em Em 1990 e 2002, obteve respectivamente os títulos de Engenheiro Eletricista e Especialista em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações pelo Inatel. Em 2012 concluiu o curso de Pós-Graduação em Gestão Empresarial pela FGV. De 1990 a 1994 atuou como engenheiro nas empresas: NEC do Brasil; Siret; e Arcos. Atuou como engenheiro da Telemig/Telemar/Oi no período de 1994 a 2001, ocupando diversos cargos nas áreas de engenharia de provisionamento de redes até 1998 e de operação e manutenção de rede de acesso e de transporte até É Prof. no Inatel desde 1999, tendo ministrado as disciplinas Técnicas de Atendimento a Terminais, Comunicações Ópticas, Empreendedorismo e Inovação ; Engenharia Econômica e Matemática Financeira. Atualmente ocupa também os cargos de: Coordenador do Curso Superior de Tecnologia em Gestão de Telecomunicações e Gerente de Educação Continuada no Inatel Competence Center. Sócio fundador da empresa V2Tech Soluções de Monitoramento e Rastreamento Veicular. Principais áreas de atuação: Comunicações Ópticas e Empreendedorismo.