Sistemas de Comunicação Óptica Acesso Óptico

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1 Sistemas de Comunicação Óptica Acesso Óptico João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 136

2 Arquitectura da rede de acesso A rede de acesso divide-se em sub-rede de transporte (entre a central local e a unidade remota) e sub-rede de distribuição (entre a unidade remota e o assinante). Na sub-rede de transporte a informação transmitida é multiplexada e transmitida em formato digital sobre fibras ópticas. A topologia dessa rede pode ser em estrela, no caso de se usar o PDH, ou anel no caso do SDH. Sub-rede de transporte Sub-rede de distribuição ADM ADM Central local ADM ADM Fibra óptica de protecção ADM ADM Unidade remota UR Unidade óptica de rede ONU Unidade de interface de rede NIU Assinante ADM ADM Fibra óptica de serviço Fibra óptica ONU Cobre NIU Par de fibras de fibras de serviço UR Podem-se definir várias arquitecturas para a sub-rede de distribuição:fttcab, FTTC/FTTB, FTTH, dependendo da distância entre a ONU e o assinante (NIU). João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 137

3 Arquitecturas em fibra Na arquitectura FTTH (fibre to the home) a fibra óptica vai até às intalações do assinante, e deste modo a ONU realiza as funções do NIU. Na arquitectura FTTC (fibre to the curb) ou FTTB (fibre to the building) cada ONU serve entre 8 a 64 casas, ou edifício (tipicamente 100 m do assinante). Neste caso, há uma rede de distribuição adicional entre a ONU e a NIU, em cobre (par simétrico, ou par coaxial) ou via rádio. Notar que o sinal entre a unidade remota e a ONU é um sinal multiplexer TDM (por exemplo um sinal E1). A solução FTTCab (fibre to the cabinet) a ONU está mais afastada do assinante, requerendo também uma rede de distribuição adicional. Outra arquitectura alternativa, designada rede óptica passiva ou PON (passive optical network), substitui a unidade remota por um componente passivo (acoplador em estrela, encaminhador de comprimentos de onda óptico), de modo que toda a rede entre a central local e a unidade remota é passiva. Tem como vantagem a fiabilidade elevada e fácil manutenção. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 138

4 Redes Ópticas Passivas para FTTx FTTEx FTTCab FTTC FTTH/B Concentrador NIU ADSL ( < 6 KM ) Central Local OLT ONU ONU < 8 Mbit/s ADSL/VDSL ( < 1 KM ) NIU < 26 Mbit/s ONU VDSL ( < 300 M ) < 52 Mbit/s NIU PON: Passive Optical Network ONT João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 139

5 Fibra no acesso local: Iniciativas AT&T (USA): Projecto Lightspeed: Usa as soluções FTTH e FTTC/FTTCab. Na primeira fase do projecto projecta-se ter 18 milhões de casa passadas. Verizon (USA). Tem em curso um programa de forte investimento para soluções FTTx Deutshe Telecom: Tem 3 milhões de casas passadas com tecnologia FTTCab( <1km)/ VDSL 50 Mbit/s Iliad (França): Investimento de 1000 milhões de euros para construir uma infra-estrutura em fibra óptica com soluções FTTx/ VDSL 50 Mbit/s. O objectivo é o de ter 4 milhões de casas passadas. Portugal Telecom: Admite investir nas redes de acesso em fibra FTTX/VDSL 100 Mb/s, condicionada a alguma desregulamentação do sector. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 140

6 TPON- PON para telefonia O tráfego descendente (sinal TDM) proveniente da central local é difundido para todos os ONUs, num único comprimento de onda, usando um repartidor óptico. Cada ONU acede ao sinal multiplex e extrai o canal correspondente. Diferentes time-slots podem ser atribuídos a cada ONU de acordo com as necessidades. A ligação ascendente opera num outro comprimento de onda e usa um protocolo da acesso TDMA. A informação de cada ONU é inserida num intervalo de tempo predeterminado da trama TDMA. De modo a que a informação dos diferentes ONUs chegue à central no time-slot apropriado é necessário sincronizar os relógios de todos os ONUs pelo relógio da central. Para tal, cada ONU mede o seu atraso de propagação relativamente à central e ajusta o seu relógio de acordo com esse atraso. Esta arquitectura permite que o equipamento relativamente caro da central seja partilhado por todos os utilizadores, e faz uso de componente ópticos baratos. Quer a central local quer os ONU podem usar s de Fabry-Perot. A rede TPON pode servir até 128 ONUs, com um débito por ONU de Mb/s (7x2 Mb/s+ cabeçalhos). João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 141

7 Arquitectura APON (ATM-PON) A ligação descendente (OLT-ONU) é feita no comprimento de onda de 1.55 μm e a descendente (ONU-OLT) no comprimento de onda de 1.3 μm. OLT (Optical Line Terminationl) Unidade Remota 1310/1550 nm mux ONU μm 1.3 μm Repartidor/ combinador ONU k ONU N Cada ONU deve operar ao débito binário agregado de todos os ONUs. As normas das TPON baseadas em ATM (APON) especificam um débito descendente de 622 Mbit/s e um débito ascendente de 155 Mbit/s. Usando um derivador de 1/32 o débito descendente permite proporcionar a cada ONU cerca de 20 Mb/s. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 142

8 Sincronização de ONUs em redes TPON-ATM A sincronização entre as ONUs e a OLT (optical line termination) na central local é feita em três fases: ajuste esparso (AE), ajuste fino estático (AFE) e ajuste fino dinâmico (AFD). O ajuste esparso é realizado através da medida rigorosa na OLT da fase de um sinal sinusoidal (tom) de baixo nível transmitido pela ONU em processo de sincronização. Medida da fase e cálculo do atraso a introduzir pela ONU OLT Comando para activação do AE Envio do sinal sinusoidal Célula ATM para activação do AFE com informação do atraso. ONU Corrente de injecção Tom da ONU Dados Potência óptica Espectro Tom Dados f Os ajustes finos estático e dinâmico são baseados na medida do tempo médio de chegada das células ATM. Depois de activado o processo AFE a ONU envia uma célula AFE, e depois de recebida pela OLT a sua posição temporal é comparada com um referência, o que vai permitir obter o valor do atraso a introduzir pela ONU. Os mecanismos AFD são baseados na posição de um preâmbulo enviado no início de células especiais. Os processos AE e AFE têm lugar no início do funcionamento do sistema, ou sempre que uma nova ONU é introduzida. O processo AFD ocorre continuamente. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 143

9 Normas PON A APON deu origem a duas novas normas: BPON (Broadband Passive Optical Network) e GPON (Gigabit Passive Optical Network). Outra norma relevante é a EPON (Ethernet PON). BPON Débito: ou Mb/s descendente e Mb/s ascendente Comprimentos de onda: ascendente, descendente Repartidor Óptico: até 32 saídas Atenuação máxima entre o OLT e ONU: 25 db em classe A e 30 db classe B s: Para a ligação descendente DFB, e para a ligação ascendente FP BPON Débito: ou 2,488 Gb/s descendente e ou Mb/s ascendente Comprimentos de onda: ascendente, descendente Repartidor Óptico: até 64 saídas Atenuação máxima entre o OLT e ONU: 20 db (classe A), 25 db (classe B) e 30 db (classe C) s: Para a ligação descendente DFB, e para a ligação ascendente FP João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 144

10 Ethernet PON (EPON) Ethernt PON é uma rede baseada numa PON que transporta tráfego encapsulado em tramas Ethernet (norma IEEE 802.3). Usa um código de linha 8B/10B e opera com os débitos típicos da Ethernet (10/100/1000/10000 Mbit/s). No sentido descendente as tramas Ethernet transmitidas pelo OLT passam através de um repartidor 1:N e chegam a cada ONU. Cada ONU extrai as tramas que lhe são destinadas com base no endereço MAC (media-access control). Trama Ethernet Repartidor ONU OLT ONU 2 Débitos: 1.25 Gb/s ascendente e descendente Lambdas; idêntico à GPON e BPON Repartidor óptico: 16 saídas ONU Cada ONU extrai a trama que lhe é destinada usando o endereço MAC João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 145

11 Ethernet PON (EPON) (2) No sentido ascendente há o problema da contenção. Duas tramas que cheguem simultaneamente ao OLT colidem. Neste caso não de pode aplicar um mecanismo similar ao CSMA/CD (carrier sense multiple access with colision detection) usado nas LANs, já que cada ONU não vê as outras ONUs. Para sincronizar as diferentes ONUs usa-se um esquema TDMA semelhante ao usado na APON. Assim, a cada ONU é alocado um time-slot, com capacidade para transportar várias tramas Ethernet. Os esquemas de alocação de time-slots podem ser estáticos ou dinâmicos. Neste último caso a dimensão do time-slot é ajustada em função da fila de espera na ONU. ONU OLT ONU 2 Time-slot 1 Trama Ethernet Combinador ONU Cada ONU armazena em memória as tramas recebidas dos utilizadores até que o seu time-slot chegue. Nesta altura envia todas as tramas armazenadas em rajada, à velocidada máxima do canal. Se não houver tramas em número suficiente para encher um time-slot são enviados caracteres de 10 bit sem informação. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 146

12 Arquitectura WPON Na arquitectura WPON (WDM PON) o laser transmissor na central local é substituído por uma matriz de lasers emitindo na terceira janela. Central Local Unidade Remota λ 1, λ 2,... λ N, banda de 1.55 μm Filtro óptico λ 1 ONU 1 Banda de 1.55 μm 1.3 μm Derivador/ combinador λ k ONU k λ 1, λ 2,... λ N, banda de 1.55 μm λ N ONU N Cada ONU recebe a informação da central local num comprimento de onda dedicado. Para isso, cada ONU tem um filtro óptico para seleccionar esse comprimento de onda. Assim, é possível que a electrónica de cada ONU, trabalhe ao débito correspondente à informação recebida. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 147

13 Arquitectura WRPON Na arquitectura WRPON (wavelength routing PON) o derivador óptico é substituído por um encaminhador óptico tipo AWG. λ 1, λ 2,... λ N, banda de 1.55 μm λ 1 ONU 1 AWG λ k ONU k combinador 1.3 μm Central Local Unidade Remota λ N ONU N O encaminhador envia os diferentes comprimentos de onda para os diferentes ONUs. A utilização do AWG vai eliminar as perdas de derivação da solução WPON. A principal desvantagem desta solução reside na necessidade de usar lasers DFB na banda de 1.55 μm, que a torna cara. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 148

14 LAN com tecnologia óptica (1) Nas LAN (local area network) o meio de transmissão e a largura de banda são partilhadas por diferentes estações (computadores). As técnicas de acesso múltiplo usadas podem ser dedicadas ou por contenção. As técnicas dedicadas fazem uso do TDMA, ou FDMA e as técnicas por contenção de CSMA/CD (carrier-sense multiple access/collision detection) ou troca de um testemunho (token). As últimas são as mais usadas nas LAN. O papel das fibras ópticas nas LAN consistem em substituir os meios de cobre de modo a aumentar a largura de banda e distância de transmissão. As topologias mais usuais são o bus ou estrela. Topologia em Bus 4 3 AC1 AC2 ACN 1 2 P 1 P 2 Conector Acoplador direccional Estação 1 P 3 Estação N P1 C = 10log P A P d 1 10log = 10log P 2 3 C 10 João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 149

15 LAN com tecnologia óptica (2) A atenuação total entre a estação 1 e a estação N é dada por onde A c é a atenuação de um conector, A d são as perdas em excesso de um acoplador direccional e A f é a atenuação da fibra óptica. O valor do coeficiente de acoplamento C que minimiza a atenuação total é dado por Topologia em estrela A A C d N ( db) = 2NAc + Ace + Acr + 2C ( N 2)10log( C = Ad + 10log N Conector (A c ) ( / 2) ) + A f P 1 P 1 2 N N Acoplador Conector (A ce ) Conector (A cr ) em estrela 1 2 N Estação 1 Estação N Atenuação total entre a estação 1 e a estação N A = N + 10log N + A 1N 2Ac + Ace + Acr + Ad log2 f João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 150

16 Gigabit Ethernet A arquitectura da gigabit Ethernet é a seguinte: Normas gigabit Ethernet com fibras ópticas Tipo de Fibra MAC 1Gb/s 62.5 μm MMF 62.5 μm MMF 50 μm MMF 50 μm MMF 10 μm SMF RS GMII Códificador/Descodificador 8B10B 1000 BASE SX (850 nm) Largura de banda (MHZ.km) N/A Alcance (metros) PCS 2 a a a a 550 Não suportado PMA Serializa/Des-serializa Recupera o relogio Tipo de Fibra PMD 62.5 μm MMF 62.5 μm MMF 50 μm MMF 50 μm MMF 10 μm SMF MDI Transmissor / óptico Largura de banda (MHZ.km) N/A PMD Fibra Conector de fibra Outras normas 1000 BASE LX (1300 nm) Alcance (metros) a a a a 5000 RS:Reconsiliation Sublayer GMII: Gigabit Media Independent Interface PCS: Physical Coding Sublayer PMA: Physical Medium Attachment PMD: Physical Medium Dependent MDI: Medium Dependent Interface 1000Base-ZX (1550 nm) SM ---até 100 km 1000Base-T, ( 4 pares de cobre) ---- máx 100 m Parâmetros Fonte Largura espectral Potência emitida média (max) Potência emitida média (min) Potência recebida média (min) Potência recebida média (max) 1000BAS E-SX FP 0.85 nm dbm -17 dbm 0 dbm 1000BASE _LX FP 4 nm -3 dbm dbm -19 dbm -3 dbm João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 151

17 10 Gigabit Ethernet As versões actuais da Ethernet operam a 10 Mbit/s, 100 Mbit/s e 1 Gbit/s. 10 Gbit Ethernet (10GbE) é uma versão ultrarápida (10 Gbit/s) que está actualmente em fase de normalização. As aplicações da 10GbE são: curta distância (<100m ): interligação de equipamento de alta velocidade, e servers com volumes de disco elevados; distância intermédia (<3 km): interligação de edíficios e campus; longa distância (<10 km): redes metropolitanas, redes empresariais; ultra longa distância (até 80 km): redes dorsais (backbones). Arquitectura da 10 GbE Total de 72 bits 10GMII Relógio Gbit/s (3.125 Gbaud com 8B10B) MDI Canais ópticos em paralelo ou em série MAC 10Gb/s 32 linhas de dados+ 4 controlo PCS + PMA PMD ou Relógio João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 152

18 Camadas e interfaces do nível físico 10GMII (10-Gigabit Media Independent Interface) : interface normalizada entre a camada MAC e a camada física. Permite que a camada MAC trabalhe com diferentes implementações da camada física. PCS (Physical Coding Sublayer): responsável pela codificação/descodificação da informação proveniente da camada MAC. Há vários tipos de códigos que podem ser implementados: 64B66B, baralhamento (scrambling), PAM-5, etc. O PAM-5 é um código multi-nível usado na norma 1000-Base T. PMA (Physical Medium Attachment): responsável pela conversão série/paralelo e vice-versa. A sincronização dos relógios também é efectuada ao nível desta camada. PMD (Physical Medium Dependent): responsável pela transmissão do sinal. Têm-se diferentes dispositivos PMD de acordo com o meio de transmissão. MDI (Medium Dependent Interface): refere-se ao conector usado. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 153

19 Implementação a nível físico Há duas alternativas para implementar o 10GbE a nível físico: solução série e solução paralelo. A solução série divide-se em LAN PHY e WAN-PHY. A solução série baseia-se no uso de um canal físico operando a 10 Gbit/s. Na solução LAN PHY usa-se um débito binário de 10 Gb/s. Na solução WAN-PHY o sinal depois de codificado (64/66B) deverá ser compatível com o STM-64 (9.953 Gb/s). Para construir a trama SDH usa-se uma sub-camada entre a PCS e a PMA designada por WIN (WAN interface sub-layer. MUX Comando de laser Sinal Óptico 10 Gbit/s (sem codificação) Na solução paralelo há vários canais múltiplos, que podem ser implementados usando diferentes fibras, ou diferentes comprimentos de onda (WDM). Fibras em paralelo WDM MUX Comando de laser 4 s 4 Fibras Ópticas Comando 4 s de laser 1 fibra óptica MUX WDM Débito binário por fibra 2.5 Gbit/s (sem codificação) Débito binário por fibra Gbit/s (sem codificação) João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 154

20 Propriedades das tecnologias usadas Na implemetação série a operação emissão/recepção é relativamente simples e só requer um laser/receptor óptico. A principal desvantagem é que requer electrónica de alta velocidade e lasers com larguras de banda elevadas. Para reduzir a banda de transmissão requerida pode-se usar uma codificação PAM. Na solução paralelo a principal desvantagem é a necessidade de um módulo colector/distribuidor dos diferentes canais e a necessidade de requerer várias fontes/receptores ópticos. A electrónica e as fontes operam, contudo, a débitos mais baixos, o que implica custos mais baixos. As diferentes interfaces para a 10 GbE são as seguintes: Interface Meio Distância Fonte 10GBase-SX Fibra Multimodal m VCSEL, ou FP laser 10GBase-LX Fibra Monomodal ou multimodal 5-15 km VCSEL, FP ou DFB laser 10GBase-Ex Fibra Monomodal >40 km DFB laser 10GBase-Cx Par de cobre <20 m Tensão eléctrica João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 155