Planeamento e Projecto de Redes. Capítulo 3. Redes de Transporte

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1 Planeamento e Projecto de Redes Capítulo 3 Redes de Transporte João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 93

2 Estrutura Estratificada das Redes de Telecomunicações Camada de rede de serviços Tecnologias usadas: PDH, SDH, OTN Camada de rede de transporte PDH: Plesiochronous Digital Hierarchy; SDH: Synchronous Digital Hierarchy; OTN: Optical Transport Network Camada de serviços: Consiste em redes de diferentes serviços (circuitos, IP,etc.) Camada de transporte: Fornece à camada superior uma plataforma apropriada para transferência de informação, que se pretende independente dos serviços. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 94

3 Rede de Transporte (Transport Network) A rede de transporte (transport network) é uma plataforma tecnológica que assegura uma transferência transparente e fiável da informação à distância, permitindo suportar diferentes serviços. A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento, protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade. A rede de transporte é constituída por diferentes elementos de rede ligados entre si segundo uma certa topologia física (anel ou malha) e interagindo directamente com o plano de gestão. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 95

4 Multiplexagem (Multiplexing) Multiplexagem (multiplexing) designa a operação pela qual vários sinais analógicos ou digitais são combinados num único sinal tendo em vista a sua transmissão sobre um único canal. O dispositivo que realiza a operação de multiplexagem designa-se multiplexador (MUX), enquanto o dispositivo que realiza a operação inversa designa-se desmultiplexador (DEMUX). A multiplexagem pode ser realizada no domínio do tempo (TDM, Time-Division Multiplexing), no domínio da frequência (FDM, Frequency Division Multiplexing) ou no domínio do comprimento de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing). A operação de multiplexagem inversa (inverse multiplexing) consiste em separar um fluxo de informação em vários fluxos, os quais são transmitidos por diferentes canais e agregados na recepção. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 96

5 FDM e WDM Na multiplexagem por divisão na frequência (FDM) cada sinal (analógico ou digital) vai modular uma portadora com uma frequência própria. f f f 1 f N M U X f 1 f N f Aplicações: Redes de TV por cabo D E M U X f 1 f N f f Na multiplexagem por divisão no comprimento de onda (WDM) os sinais ópticos obtidos a partir da modulação de lasers são multiplexados. L 1 L 2 L N Laser λ 1 λ 2 λ N M U X Fibra Óptica λ 1, λ 2,...λ Ν Aplicações: Redes OTN e WDM D E M U X λ 1 λ 2 λ Ν R1 R2 R3 Receptor Óptico Na emissão N sinais eléctrícos vão modular N lasers, cada um emitindo num comprimento de onda próprio. Na recepção os N sinais ópticos obtidos a seguir ao DEMUX são convertidos para o domínio eléctrico e regenerados com receptores ópticos. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 97

6 Multiplexagem por Divisão no Tempo (I) A multiplexagem por divisão no tempo (TDM) permite que uma via de transmissão seja usada simultaneamente por vários utilizadores (canais, channels). Trama (frame) N M U X N canais de entrada (N input channels) Bits de sincro Bits do canal 1 multiplexador Bits do canal 2 Bits do canal 3 Via de transmissão Bits do canal N desmultiplexador D E M U X N N canais de saída (N output channels) Desvantagem do TDM A transmissão da informação na via é organizada em tramas (frames). Cada trama contém um número fixo de time-slots. Cada time-slot é atribuído a um determinado canal de entrada. Se esse canal não transmitir informação o time-slot correspondente está vazio. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 98

7 Multiplexagem por divisão no tempo (II) A multiplexagem TDM pode-se realizar usando interposição de bit (bit interleaving) ou interposição de palavra (word interleaving). No primeiro caso, a cada canal atribui-se um time-slot constituído por um único bit, enquanto no segundo caso a cada canal corresponde um time-slot constituído por vários bits (palavra). Interposição de palavra (word interleaving): Exemplo da multiplexagem de 4 canais: Palavra de 8 bit do canal C1 Multiplexagem Desmultiplexagem C C 1 1 C 2 Trama C 2 C 4 C 3 C 2 C 1 C 3 C 4 t 4 t 3 t 2 t 1 Time-slot Sincronismo (Synchronism) C 3 C 4 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 99

8 Relógios e Sincronismo (Clocks and Synchronism) A geração de sinais de sincronismo é feita por relógios (clocks). Um relógio ideal gera sinais isócronos (isochronous signals), ou seja sinais em que a frequência é constante (pelo menos em valor médio). Sinais de relógio (Clock signals) T o Relógio isócrono T 0 t t t Relógio real Desfasagem positiva Desfasagem negativa t Frequência nominal f 0 =1/T 0 A precisão (accuracy) de um relógio expressa em ppm (parte por milhão) traduz o afastamento da frequência real (f r ) da nominal (f 0 ). Estão definidas quatro hierarquias de precisão (níveis stratum). Precisão = f 0 f f 0 r Nível Precisão (ppm) Stratum 1 Stratum 2 Stratum 3 Stratum Os relógios de stratum 1 são relógios atómicos (césio ou rubídio) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 100

9 Redes Síncronas e Plesiócronas (Synchronous and Plesiocronous Networks) Dois relógios são síncronos (synchronous) se operam com a mesma frequência e com uma diferença de fase constante. Os relógios não síncronos designam-me por assíncronos (asynchronous). Os relógios assíncronos dividem-se em: mesócronos (mesochronous), plesiócronos (plesiochronous) e heterocronous (heterochronous). Relógios mesócronos: têm a mesma frequência, mas a relação de fase é aleatória. Relógios plesiócronos: têm a mesma frequência nominal, mas a real pode ser ligeiramente diferente. Relógios heterocronous: têm a frequência e fases diferentes. Redes síncronas e plesiócronas Relógio de stratum 1 Rede plesiócrona Rede síncrona Relógios com a mesma frequência nominal, mas independentes NE 1 NE 2 NE 3 NE 4 Relógios com a mesma frequência nominal, controlados por um relógio central NE 1 NE 2 NE 3 NE 4 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 101

10 Redes de Sincronização: Mestre-Escravo Na arquitectura mestre-escravo (master-slave) a rede apresenta uma topologia em árvore com diferentes níveis hierárquicos. O nível mais elevado contém o PRC (Stratum 1), o qual pode ser duplicado de modo a garantir uma reserva em caso de falha. Percurso de distribuição de sincronismo normal Percurso de distribuição de sincronismo alternativo PRC SEC PRC: Primary Reference Clock SSU: Synchronisation Supply Unit SEC: Synchonous Equipment Clock Não são permitidas malhas fechadas SSU SSU SSU Os PRC e SSU são elementos da rede de sincronismo. Os SEC são relógios do equipamento síncrono. Anel SSU SEC Cadeia SSU Sub-rede com capacidade de auto-reconfiguração do sincronismo em caso de falha Nas redes SDH usa-se o octeto SSM (Status Message byte) para informar os elementos da rede, do estado da fonte se sincronismo. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 102

11 Estrutura de uma Trama TDM (E1) A frequência de amostragem (sampling frequency) mínima (f a ) de um sinal deve ser igual ou superior ao dobro da frequência máxima do sinal (f a 2B). Um canal telefónico usa uma banda entre os 300 e os 3400 Hz. Para uma frequência máxima de 4000 Hz, tem-se uma frequência de amostragem de 8 khz, ou seja, um período de amostragem de 125 μs. Codificando cada amostra com 8 bits tem-se um débito de 64 kbit/s. A trama (frame) de um sinal E1 é consituída por 32 time-slots, a que correspondem 32 canais (30 de informação). Time-slot 8 bits μs Trama E1 (E1 frame) Cada conjunto de 8 bits (time-slot) não poderá durar mais de 125μs/32=3.9 μs, o que corresponde a ns por bit, ou seja, um débito binário (bit rate) de Mbit/s. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 103

12 Sistema de Multiplexagem Primário E1 (ITU-G704) A trama correspondente ao sinal E1 tem uma duração de 125 μs e está dividida em 32 intervalos de tempo (time slots). Os intervalos de tempo numerados de 1 a 15 e 17 a 32 são atribuídos a canais de informação, cada um com um débito de 64 kbit/s. Os intervalos de tempo 0 e 16 são usados, respectivamente, para fins de sincronização de trama (framing) e sinalização (signalling). No intervalo de tempo 0 das tramas ímpares é transmitido o padrão de enquadramento de trama (PET) (frame alignment word), enquanto nas tramas pares é transmitido um padrão de não enquadramento (NPET) PET 1 2 S1 S PEM: padrão de enquadramento de multitrama de sinalização NPET 1 2 S3 S PET 1 2 S5 S PET 1 2 S29 S NPET 1 2 PEM xxxx Multitrama de sinalização (16x125μs=2 ms) Si: sinalização correspondente ao canal i. A sinalização de cada canal é actualizada de 2 em 2 ms. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 104

13 Hierarquia Plesiócrona Europeia Na hierarquia PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) os relógios dos diferentes elementos de rede (regeneradores e multiplexadores) não estão perfeitamente sincronizados. A primeira hierarquia PDH (sistema multiplex primário) europeia (european plesiochronous hierarchy) corresponde à multiplexagem de 30 canais de 64 kbit/s, enquanto as hierarquias de ordem superior obtêm-se multiplexando 4 de ordem inferior. 30 canais (64 kb/s) Mux Mux primário primário X30 X30 E Mbit/s (30 canais) E Mbit/s (120 canais) X4 X4 X4 X4 E Mbit/s (480 canais) X4 X4 E Mbit/s (1920 canais) Os relógios da hierarquia europeia requerem as seguintes precisões: Hierarquia E1 E2 E3 E4 Precisão 50 ppm 30 ppm 20 ppm 15 ppm João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 105

14 Hierarquia Plesiócrona Americana A nível mundial para além da hierarquia europeia há também as hierarquias plesiócronas americana e japonesa as quais têm a particularidade de serem incompatíveis entre si. As primeiras hierarquias PDH americana e japonesa usam como sistema multiplex primário um sistema com 24 canais de 64 kb/s. Hierarquia plesiócrona americana: 24 canais (64 kb/s) Mux Mux primário primário X24 X24 DS Mbit/s (24 canais) X4 X4 DS Mbit/s (96 canais) DS Mbit/s (672 canais) X7 X7 DS-n: Digital Signal ol Level n X6 X6 DS Mbit/s (4032 canais) Os sinais DS-n são transportadas usando um carrier system (inclui a componente de transmissão e as interfaces) designado por T-n. Assim, o DS1 é transportado através do T1. O DS2 através do T2, etc João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 106

15 Desvantagens da PDH (1) Não há normalização para débitos superiores a 140 Mbit/s. Incompatibilidade entre equipamento de diferentes fabricantes. Falta de flexibilidade. É díficil usar o equipamento PDH para funções de inserção/extracção de canais. Difícil a monitorização do desempenho dos canais ao longo da transmissão. Capacidade muito limitada para funções de gestão centralizada (não há canais nas tramas destinados a esta função). Não tem interfaces normalizadas a nível óptico (ex. definição dos códigos a usar, do nível de potência, da largura de linha das fontes). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 107

16 Desvantagens da PDH (2) Cascata de multiplexadores/desmultiplexadores usados para extrair um E1 de um E4. Terminal de linha de 140 Mb/s DMUX Mb/s 8 Mb/s 2 Mb/s MUX Terminal de linha de 140 Mb/s Mb/s As interfaces só estão normalizadas a nível eléctrico MUX Interface eléctrica normalizada (G.703) Terminal de linha óptica Interface óptica proprietária do fabricante Códigos de linha, níveis de potência óptica, tipo de fibra, não normalizados. Fibra óptica João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 108

17 Redes de Transporte SDH (SDH Transport Networks) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 109

18 A hierarquia Digital Síncrona A hierarquia SONET (Synchronous Optical Network) foi proposta pela Bellcore (Telecordia) em 1985, com o objectivo de transportar os sinais DS-n no domínio óptico. A hierarquia SDH (Synchronous Digital Hierarchy) foi definida posteriomente pelo ITU-T como uma norma internacional, compatível com a SONET e com capacidade para transportar os sinais PDH E-n. A informação transmitida na SDH/SONET está organizada em tramas TDM. O sinal básico SDH designa-se por Synchronous Transport Module (STM). O sinal básico SONET no domínio eléctrico designa-se por Synchronous Tranport Signal (STS), enquanto no domínio óptico designa-se por Optical Carrier (OC). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 110

19 Débitos SONET/SDH Hierarquias SONET e SDH SONET SONET SDH Débito Binário (Óptico) (Eléctrico) (Mb/s) OC-1 STS OC-3 STS-3 STM OC-12 STS-12 STM OC-48 STS-48 STM OC-192 STS-192 STM OC-768 STS-768 STM As hierarquais SDH também foram definidas para o transporte de células ATM e pacotes IP empacotados em PPP (point-to-point protocol) ou HDLC (high-level data link control). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 111

20 VantagensdaSDH (1) Há normas até 10 Gbit/s: Apropriada para as rede de transporte. STM Mbit/s, STM Mbit/s, STM Mbit/s, STM Mbit/s, STM Gbit/s (STM: Synchronous Transport Module). Compatibilidade entre o equipamento de diferentes fabricantes e entre as hierarquias europeias e americanas. Função de inserção/extracção simplificada. Como a tecnologia é síncrona é fácil identificar os canais de ordem inferior. Gestão centralizada fácil. A trama SDH dispõe de um número elevado de octetos para comunicação entre os elementos de rede e um centro de gestão centralizada, usando o sistema TMN (Telecommunications Management Network). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 112

21 VantagensdaSDH (2) Elevada disponibilidade permitindo uma provisão rápida dos serviços requeridos pelos clientes. Tal deve-se ao facto da SDH fazer uso intensivo de software, em contrapartida com a PDH cuja funcionalidade reside no hardware. Elevada fiabilidade. As redes SDH usam mecanismos de protecção que permitem recuperações rápidas a falhas (da ordem dos 50 ms), quer das vias de comunicação, quer dos nós da rede. Normalização das interfaces ópticas (definindo os códigos a usar, os níveis de potência, as características dos lasers e das fibras, etc.). Possibilidade de monitorizar o desempenho dos diferentes canais. Plataforma apropriada para diferentes serviços. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 113

22 Desvantagens da SDH Técnica complexa devido à necessidade de registar a relação de fase entre os sinais dos tributários e o cabeçalho. A justificação por octeto usada na SDH é mais problemática relativamente ao jitter originado no processo de desmultiplexagem, do que a justificação por bit. A estrutura de multiplexagem não está organizada de modo muito eficiente no que diz respeito ao transporte dos tributários CEPT. Por exemplo, só é possível transportar 3x34 Mbit/s numa trama STM-1, embora a capacidade do STM-1 permitisse 4x34 Mbit/s. A estrutura de multiplexagem não está organizada de modo uniforme no que diz respeito ao transporte dos tributários plesiócronos. Um determinado tributário pode ser transportado usando diferentes opções de multiplexagem. Não suporta de modo eficiente as tramas Ethernet. SDH nova geração João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 114

23 Definição dos Elementos de Rede (1) Regenerador: Regenera o relógio e a forma dos sinais de entrada. Possui canais de comunicação a 64 kb/s para transmitir mensagens. STM-N R STM-N Multiplexador terminal: Agrega sinais plesiócronos ou síncronos de modo a formar sinais STM-N de débito mais elevado. PDH SDH (STM-M) MT STM-N (N>M) Multiplexador de inserção/extracção (add/drop multiplexer): Permite extrair/inserir, quer sinais PDH, quer sinais SDH de débito mais baixo do que o da linha. STM-N Oeste STM-N Este Tributários PDH, SDH (STM-M) M<N João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 115

24 Definição dos Elementos de Rede (2) Comutador de cruzamento ou cruzador (DXC, digital cross-connect): Proporciona funções de comutação apropriadas para estabelecer ligações semi-permanentes a nível do VC-1, VC-3, VC-4, e permite o restauro das redes. STM-N STM-N STM-N STM-N Os comutadores de cruzamento são usados para interligar anéis SDH, ou como nós de redes em malha. 1 E3 C,2 E3 B,3 A DXC 4 C 2 4 Fibra Óptica 1 B João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 116

25 Topologias Físicas (1) Topologia em cadeia PDH SDH MT STM-N R STM-N MT PDH SDH PDH SDH PDH SDH Topologia em anel com duas ou quatro fibras Duas fibras ópticas Quatro fibras ópticas João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 117

26 Topologias Físicas (2) Anéis unidireccionais e bidireccionais Anel unidireccional Anel bidireccional Topologia emalhada (usada no núcleo central da rede) DXC DXC DXC DXC DXC DXC A presença dos DXC permite implementar um sistema de restauro dinâmico para fazer face a falhas na rede. Com esta técnica o sistema de gestão da rede reencaminha o tráfego por percursos alternativos àqueles onde ocorreram falhas. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 118

27 Arquitectura de uma Rede de Transporte DXC DXC DXC DXC DXC DXC Rede Dorsal ( STM-64) DXC Rede Metropolitana (STM-4 ou STM-16) Nó concentrador (Hub) TM Rede de Acesso (STM-1) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 119

28 Exemplificação do Papel do Transporte A rede de transporte neste exemplo é representada pelo plano inferior e é constituída por multiplexadores interligados por fibras ópticas. A camada de rede de serviços é representada por centrais de comutação telefónica (CC). d Camada de rede de serviço CC CC c Tecnologias de rede para o transporte: SDH (Synchronous Digital Hierarchy), WDM, (Wavelength Division Multiplexing), OTN (Optical Transport Network) CC a CC E A Camada de rede de Transporte B b D C João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 120

29 Rede de Transporte em Aplicações de Dados CR Rede de Serviços (pacotes) ER CR CR ER ER Elementos de rede SDH DXC: Cruzador digital (digital crossconnect) : Multiplexador de inserção/extracção (add/drop multiplexer) 2.5 Gbit/s Elementos de rede de pacotes ER: Edge router CT: Core router DXC Rede de Transporte (SDH) Mbit/s Usada para interligar diferentes routers de uma rede IP ou diferentes comutadores de uma rede Ethernet Numa rede IP (Internet Protocol) os routers são usados para encaminhar os pacotes Os edge routers são aqueles que estão mais próximos do utilizador, enquanto os core routers fazem parte da dorsal da rede. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 121

30 Estabelecimento de Caminhos Fases do estabelecimento: 1) O sistema de gestão configura os diferentes elementos de rede envolvidos no circuito; 2) Os elementos de rede de serviço iniciam a sua actividade. Interligações representadas: 1: CL3 CT1 2: CL2 CT3 CT3 Rede de Serviços (circuitos) CL2 CL3 CT1 CT2 CL1 Sistema de Gestão de Rede 2.5 Gbit/s DXC Rede de Transporte (SDH) Mbit/s A informação de gestão é enviada através do DCC (Data Communication Channel) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 122

31 Modelo de Camadas da SDH (1) (layers model) Rede de transporte SDH Camada de caminho Camada de transmissão Ordem superior Ordem inferior Camada de secção Camada física Sub-camada de secção de multiplexagem Sub-camada de secção de regeneração João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 123

32 Modelo de Camadas da SDH (2) Algumas das funcionalidades das camadas (layers): Caminho (path) : Identificação da integridade da ligação, especificação do tipo de tráfego transportado no caminho e monitorização de erros. Secção de multiplexagem (multiplexing section): Sincronização, comutação de protecção, monitorização de erros, comunicação com o sistema de gestão. Secção de regeneração (regeneration section): Enquadramento de trama, monitorização de erros, comunicação com o sistema de gestão. Física (physical): Forma dos pulsos ópticos, nível de potência, comprimento de onda, sensibilidade dos receptores, etc. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 124

33 Modelo de Camadas da SDH (3) Cada camada (com excepção da física) tem um conjunto de octetos que são usados como cabeçalho da camada (layer overhead). Estes octetos são adicionados sempre que a camada é introduzida e removidos sempre que esta é terminada. MT Regenerador R Multiplexador de inserção/extracção Multiplexador terminal MT S. Regeneração S. Regeneração S. Regeneração Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem Caminho Inserção de cabeçalhos Serviços Camadas: Caminho Cabeçalho de caminho Secção de Multiplexagem Cabeçalho de secção de multiplexagem Secção Regeneração Física Cabeçalho de secção de regeneração Multiplexador terminal Regenerador Multiplexador Multiplexador terminal João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 125

34 Modelo de Camadas SDH (4) CL3 CT1 CT3 Rede de Serviços (circuitos) CL2 CL3 CT1 CT2 CL1 2.5 Gbit/s Caminho Mbit/s TM S. multiplexagem Rede de Transporte DXC: crossconnect TM: multiplexer terminal : multiplexer de inserção/extracção CT: central de trânsito CL: central local João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 126

35 Estrutura da Trama Básica Uma trama SDH básica (STM-1) contém três blocos: - Cabeçalho de secção (SOH, section overhead) - Ponteiro (PT, pointer): permite localizar a informação transportada no VC - Contentor virtual (VC, virtual container): capacidade transportada (payload) + cabeçalho de caminho (path overhead). A duração da trama é igual a 125 μs, o que corresponde a 8000 tramas/s. Cabeçalho da secção de regeneração Ponteiro Cabeçalho da secção de multiplexagem SOH PT SOH Contentor Virtual Representação bidimensional de uma trama STM-1: matriz com 9 linhas e 270 colunas, a que correspondem 2430 octetos. Os diferentes octetos são transmitidos linha a linha, começando pela 1ª linha e 1ª coluna. Uma trama STM-1 suporta 63 E1, ou 3 E3, ou 1 E4 125 μs Contentores virtuais usados: VC-12 para o E1, VC-3 para o E3 e VC-4 para o E4 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 127

36 Cabeçalho de Secção da Trama STM-1 (1) Estrutura do cabeçalho de secção (section overhead) Cabeçalho de secção de regeneração Ponteiro A1 B1 D1 H1 A1 Δ Δ h1 A1 Δ Δ h1 A2 E1 D2 H2 A2 Δ Δ h2 A2 h2 J0 F1 D3 H3 X X H3 X X H3 X: usados para uso nacional Δ: informação dependente do meio de transmissão (fibra óptica, feixe hertziano, etc). B2 B2 B2 K1 K2 Cabeçalho de secção de multiplexagem D4 D7 D10 S1 D5 D8 D11 M1 D6 D9 D12 E2 X X Ex: Comandos de aprovisionamento remoto de capacidade; reportagem de alarmes; reportagem de parâmetros de desempenho, etc. Cabeçalho de secção de regeneração A1, A2 : Padrão de enquadramento de trama (A1= , A2= ). Jo: Traço de secção de regeneração. Verifica a integridade da ligação a nível de secção. B1: Monitorização de erros a nível da secção de regeneração. D1- D3: Canal de comunicação de dados. Transporta informação de gestão de rede. E1: Canal de comunicação de voz (64 kb/s) entre regeneradores. F1: Canal de utilizador. Diferentes aplicações. Ex: transmissão de dados, alarmes, etc. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 128

37 Cabeçalho de Secção da Trama STM-1 (2) Cabeçalho de secção de multiplexagem B2: Monitorização de erros a nível da secção de multiplexagem. K1- K2: Comutação de protecção automática (Transporta o protocolo APS). D4- D12: Canal de comunicação de dados a 576 kbit/s. Transporta informação de gestão de rede entre os elementos que terminam a secção de multiplexagem e entre estes e o sistema de gestão de rede. S1: Indicador da qualidade do relógio. Transporta mensagens referentes ao tipo de relógio usado no processo de sincronização. M1: É usado para transportar uma indicação de erro remoto ou REI (remote error indication) a nível de secção de multiplexagem. O alarme REI é enviado para o ponto onde a secção de multiplexagem é originada e indica o número de blocos detectados errados a partir da informação dada pelo B2. E2: Canal de comunicação de voz (64 kb/s) para comunicações vocais entre as extremidades da camada de multiplexagem. Ponteiro H1, H2: Octetos de ponteiro. Indicam o início do contentor virtual na trama. H3: Octetos de acção do ponteiro. Usados para justificação negativa. h1, h2: Octetos com um valor invariável. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 129

38 Formação da Trama STM-N Sinais SDH multiplex de ordem superior são obtidos através de uma multiplexagem por interposição de palavra (octeto) de vários STM-1 O débito binário do sinal STM-N é N Mbit/s STM-1 #1 STM-1 #2 STM-1 #N SOH SOH SOH PT VC PT VC PT VC SOH SOH SOH 125 μs 125 μs 125 μs 9 N SOH PT SOH 261 N Contentor virtual N 125 μs João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 130

39 Subestruturas Modulares do STM-1 Contentor (C) Unidade básica usada para transportar informação dos tributários (ex PDH). Inclui ainda octetos de justificação fixa (sem informação) para adaptar os débitos dos tributários aos débitos dos contentores e bits usados para justificação dos tributários PDH. Contentor Virtual (VC) O contentor virtual consiste num contentor mais o cabeçalho de caminho. O VC é uma entidade que não sobre modificações desde o ponto onde o caminho é originado até ao ponto onde é terminado. Os VCs transmitidos directamente no STM-1 designam-se contentores virtuais de ordem superior, e os restantes de ordem inferior. Unidade Administrativa (AU) Consiste num contentor virtual de ordem superior mais um ponteiro de unidade administrativa. O ponteiro regista a relação de fase existente entre o contentor virtual e a trama e específica o início do contentor virtual. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 131

40 Subestruturas modulares do STM-1 (2) Grupo de unidade administrativa (AUG) Resulta da combinação por interposição de octeto de várias unidades administrativas. Adicionando o cabeçalho de secção à AUG obtem-se a trama STM-1. Unidade tributária (TU) A unidade tributária consiste num contentor virtual de ordem inferior mais um ponteiro da unidade tributária. Como o VC de ordem inferior pode flutuar dentro do VC de ordem superior, o início do primeiro dentro do segundo é indicado pelo ponteiro da unidade tributária. Grupo de unidade tributária (TUA) Resulta da combinação de várias unidades tributárias por interposição de octeto. Em alguns casos é necessário proceder a justificação fixa, para adaptar débitos binários. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 132

41 Transporte das Hierarquias E3 e E4 no STM-1 Transporte do E3 e E4 E3 E4 Octetos sem informação Octetos sem informação Mapeamento do E3 C-3 C-4 Cabeçalho de caminho de ordem superior Cabeçalho de caminho de ordem superior Alinhamento VC-3 VC-4 Ponteiro da AU-3 Ponteiro da AU-4 Multiplexagem por interposição de octeto AU-3 Unidade administrativa Multiplexagem de 3 AU-3 AU-4 Unidade administrativa AUG AUG Cabeçalho de secção Cabeçalho de secção STM-1 STM-1 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 133

42 Estrutura de Multiplexagem Estrutura de multiplexagem do SDH ATM E3: Mb/s DS3: Mb/s DS2: Mb/s C-3 C-2 VC-3 VC-2 TU-3 TU VC-3 AU-3 3 AUG 1 STM-N=N Mb/s N STM-N E1: Mb/s DS1: Mb/s E4: Mb/s ATM C-12 C-11 C-4 VC-12 VC-11 C - Contentor VC - Contentor Virtual TU - Unidade Tributária TUG - Grupo de Unidade Tributária AU - Unidade Administrativa AUG - Grupo de Unidade Administrativa TU-12 TU-11 3 Em TUG TUG-3 3 Alinhamento Mapeamento Multiplexagem VC-4 AU-4 A informação entre os routers IP pode ser enviada usando o esquema Packet over Sonet/SDH. Os pacotes IP são encapsulados no protocolo PPP (Point-to- Point Protocol) e o signal resultante é depois transmitido num STM-N. existe processamento de ponteiros João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 134

43 Contentores Virtuais de Ordem Superior Os contentores virtuais VC-3 e VC-4 obtêm-se adicionando, respectivamente, aos contentores C-3 e C-4 um cabeçalho de caminho de ordem superior J1 J1 B3 B3 VC-4 C2 G1 F2 H4 C4 VC-3 C2 G1 F2 H4 C3 Cabeçalho de caminho de ordem superior F3 K3 N1 Duração=125 μs F3 K3 N1 O cabeçalho de caminho de ordem superior é constituído por 9 octetos iniciando-se com octeto J1, que é também o primeiro octeto do VC. O contentor VC-4 é constituído por 261 9=2349 octetos, o que dá um débito de Mbit/s. Ao VC-3 corresponde um débito de Mb/s. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 135

44 Unidade Administrativa AU-4 Uma AU-4 é uma estrutura síncrona constituída por 9x261+9 octetos, que inclui um VC-4 mais um ponteiro de unidade administrativa AU-4 (PTR AU-4). 261 colunas PTR AU-4 AU-4 9 linhas H1 h1 h1 H2 h2 h2 H3 H3 H3 J1 B3 C2 VC-4 G1 F2 C4 H4 No ponteiro do AU-4 têm-se h1=1001xx11 e h2= F3 K3 N1 O VC-4 pode flutuar dentro do AU-4. O ponteiro do AU-4 contém a posição (endereço) do primeiro octeto (J1) do cabeçalho de caminho do VC-4. Cada modificação do ponteiro de 1 unidade corresponde a uma deslocação do VC-4 no AU-4 de 3 octetos. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 136

45 Esquema de Endereçamento do Ponteiro do AU-4 A cada posição do ponteiro da AU-4 correspondem 3 octetos. A cada posição do ponteiro do AU-3 corresponde um octeto. 261 colunas Cabeçalho de regeneração Posição indicada pelo ponteiro: 87 Um valor de 0 do ponteiro indica que o J1 do VC-4 se encontra na posição 0 H1 h1 h1 H2 h2 h2 H3 H3 H3 Cabeçalho de multiplexagem Cabeçalho de regeneração H1 h1 h1 H2 h2 h2 H3 Cabeçalho de multiplexagem Trama #n-1 VC-4 #n μs Trama #n João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 137

46 Esquema de Endereçamento do Ponteiro do AU-4 (II) A cada posição do ponteiro da AU-4 correspondem 3 octetos. A cada posição do ponteiro do AU-3 corresponde um octeto. 261 colunas Cabeçalho de regeneração Posição indicada pelo ponteiro: 522 Um valor de 0 do ponteiro indica que o J1 do VC-4 se encontra na posição 0 H1 h1 h1 H2 h2 h2 H3 H3 H3 Cabeçalho de multiplexagem Cabeçalho de regeneração H1 h1 h1 H2 h2 h2 H3 Cabeçalho de multiplexagem Trama #n μs VC-4 #n Trama #n João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 138

47 Concatenação Concatenação é o processo de agregação de X contentores de mesmo tipo de modo a formar um contentor de maior capacidade. A concatenação poder ser contínua ou virtual. Concatenação contínua (CC): Cria contentores de grande capacidade, que não podem ser segmentados, para transmissão. Todos os elementos de rede têm de suportar a funcionalidade concatenação contínua. Concatenação virtual (VC): Corresponde a uma operação de multiplexagem inversa. Os contentores de grande capacidade podem ser segmentados nos VCs usuais para fins de transmissão. Só os elementos de rede fonte e terminação do caminho é que necessitam de suportar a funcionalidade concatenação virtual. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 139

48 Concatenação Contínua Permite transportar tráfego com um débito binário superior ao permitido pelo C-4. A concatenação é identificada pelo sufixo c e o número de concatenações por X. Por exemplo, um VC-4 concatenado é representado por VC-4-Xc (genérico VC-n-Xc) e uma AU-4 por AU-4-Xc (genérico AU-n-Xc). No caso do AU-4-Xc a concatenação dos ponteiro é feita usando multiplexagem por interposição de octeto. O primeiro ponteiro tem as funções usuais dos ponteiros da AU-4, enquanto os restantes X-1 ponteiros transportam o indicador CI octetos VC-4-4C O cabeçalho de caminho do primeiro VC-4 transporta os octetos normais. Os cabeçalhos de caminho dos outros VC-4 transportam octetos de enchimento (sem informação). J1 B3 C2 G1 F2 H4 F3 K3 N1 C-4-4c Capacidade do C-4-4c Mb/s João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 140

49 SDH de Nova Geração (Next Generation SDH) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 141

50 Ineficiências da SDH Convencional A utilização da estrutura de contentores da SDH convencional (incluindo a concatenação contínua ) é muito pouco eficiente para o transporte de dados. Aplicação Débito da aplicação Estrutura/ Ineficiência Ethernet 10 Mbit/s VC-3 /80% Fast Ethernet 100 Mbit/s VC-4/33% Gigabit Ethernet 1 Gbit/s VC-4-16C/58% Enterprise Systems Connection ESCON 200 Mbit/s VC-4-4C/67% A fragmentação dos contentores virtuais vai também contribuir para aumentar a ineficiência. STM-1 livre A B C SDH NE-A STM-16 SDH NE-B D E F STM-1 #1 STM-1 #2 STM-1 #3 STM-1 #4 STM-1 #5 STM-1 #6 STM-1 #7 STM-1 #8 STM-1 #9 STM-1#10 STM-1#11 STM-1#12 STM-1#13 STM-1#14 STM-1#15 STM-1#16 Etapa 1: Os primeiros 8 STM-1 são atribuídos à ligação entre A e D, enquanto os últimos 8 STM-1 são usados entre B e E. STM-1 #1 STM-1 #2 STM-1 #3 STM-1 #4 STM-1 #5 STM-1 #6 STM-1 #7 STM-1 #8 STM-1 #9 STM-1#10 STM-1#11 STM-1#12 STM-1#13 STM-1#14 STM-1#15 STM-1#16 Etapa 2: Os utilizadores A-B libertam 2 STM-1 e os utilizadores B-E libertam outros 2. Os utilizadores C-F requerem uma capacidade VC-4-4c. Embora fisicamente haja capacidade disponível, como os STM-1 livres não são contínuos, não é possível satisfazer o pedido de C-F. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 142

51 Tecnologias Chave da SDH-NG GFP (Generic Framing Procedure) É uma técnica ( ITU-T Rec. G7041) apropriada para mapear o tráfego de pacotes (Ethernet, Escon, etc) em canais SDH ou OTN de débito fixo. O mapeamento pode ser feito de modo transparente (GFP-T), ou usando as tramas dos clientes completas (GFP-F). Concatenação virtual ou VCAT (Virtual Concatenation) É um mecanismo (ITU-T G707) que permite combinar um número variável de contentores virtuais de diferentes ordens de modo a criar canais de capacidade muito elevada. É mais eficiente do que a concatenação contínua para o tráfego de pacotes e contrariamente aquela não requer que todos os elementos de rede suportem essa funcionalidade. LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme) Permite modificar dinamicamente a capacidade alocada pelo VCAT através da adição/remoção de membros do caminho estabelecido (ITU-T Rec. G7042). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 143

52 Protocolo GFP O protocolo GFP foi definido por ITU-T G.7041 e proporciona um mecanismo para encapsular diferentes sinais de dados em redes SDH ou OTN (ver cap. 4). O serviço GFP apresenta dois modos de funcionamento: Modo Transparente ou GFP-T (Transparent) e modo enquadrado ou GFP-F (Framed). A solução GFP-T corresponde a um encapsulamento de nível 1 e vai gerar tramas de comprimento constante. Está optimizado para tráfego que usa o código de blocos 8B10B (Gigabit Ethernet, Fibre Channel, etc.) A solução GFP-F corresponde a um encapsulamento de nível 2 e e vai gerar tramas de comprimento variável. Optimizado para tráfego Ethernet, IP/PPP, DVB, etc. Na solução GFP-F deve ser extraído o pacote completo do cliente antes da trama GFP ser gerada. Isto envolve, por exemplo, a memorização de uma trama completa no caso da Ethernet, o que vai aumentar a latência (atraso) do processo. Na solução GFP-T não se verifica esse atraso porque o processamento é feito a nível de blocos de 10 bits. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 144

53 Estrutura da trama GFP A trama GFP inclui o cabeçalho principal (core header) e a área do campo de informação. A área do campo de informação inclui o cabeçalho do campo de informação, o campo de informação em si e um FCS (CRC-32) para proteger a integridade do campo de informação (detectar e corrigir erros). Os mecanismos de protecção (CRC-16) do cabeçalho principal e do cabeçalho do campo de informação são independentes. Trama GFP Cabeçalho (core header) Área do campo de informação 2 16 =65536 Indicador do comprimento do campo de informação Controlo de erros do cabeçalho Cabeçalho do campo de informação 4 a 64 octetos Campo de Informação octetos FCS (opcional) 4 octetos 2 octetos 2 octetos, Indica o tipo HEC CRC-16 de informação Payload header (CRC-16+payload identifier+ campos opcionais) Frame check sequence (CRC-32) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 145

54 Trama GFP (continuação) O cabeçalho principal (core header) consiste em dois campos:1) Indicador de comprimento do campo (2 octetos) que indica a dimensão do campo de informação;2) HEC (Header Error Control) usado para proteger a integridade do cabeçalho principal, o qual é baseado no código CRC-16 (permite a correcção de erro de 1 bit e a detecção de erro em vários bits). O cabeçalho do campo de informação é um campo com dimensão variável (entre 4 e 64 octetos). Contém dois campos obrigatórios: Payload Type Identifer (PTI) e o Type Header Error Control( thec). O thec contém um CRC- 16 e é usado para proteger a integridade do cabeçalho do campo de informação. O PTI contém informação sobre o tipo de informação transportada pelo campo de informação e sobre o modo como a informação é mapeada (modo transparente, ou modo enquadrado) Para além das funções de controlo de erros e de indicação do comprimento do campo de informação o cabeçalho principal também é responsável pela delimitação (enquadramento) da trama. A função de delimitação de trama permite identificar o início da trama. Inicialmente quando a primeira trama chega ao receptor, é calculado o CRC-16 sobre os dois primeiros octetos, o qual é comparado com o CRC-16 presente no campo HEC. Se não coincidirem avança um bit e tenta de novo. Se houver coincidência é provável que tenha identificado o início da trama. Para comprovar salta para a segunda trama. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 146

55 Transporte de Pacotes IP sobre SDH/WDM Existem diferentes soluções para o transporte de pacotes, originados quer com o protocolo IP, quer com os protocolos SAN, sobre uma rede SDH/WDM. AAL5 ATM PPP IP (Internet Protocol) MPLS VLAN Vídeo DVB SAN Os protocolos SAN, tais como Fibre Channel, Enterprise Systems CONnectivity (ESCON) e Fibre CONnectivity (FICON) eram transportados tradicionalmente sobre soluções proprietárias 10/100/1000 Mbps Ethernet Fibre Channel ESCON FICON SAN: Storage Area Networks DVB: Digital Video Broadcasting HDLC PPP: Point-to-point protocol GFP HDLC: High-level Data Link control Concatenação contínua SDH Concatenação virtual LCAS VLAN: Virtual LAN MPLS: Multiprotocol Label switching WDM, OTN, Fibra óptica João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 147

56 Storage Area Networks De: U. Troppens et al., Storage Networks Explained, Wiley, 2004 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 148

57 Concatenação Virtual O ponto de partida para implementar a concatenação virtual consiste em segmentar um fluxo de informação (ex: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, etc.) em diferentes contentores de ordem superior ou inferior, ligados entre si a nível lógico através da integração no mesmo grupo de concatenação virtual ou VCG (virtual concatenation group). Os elementos do grupo são transportados individualmente através da rede SDH e recombinados na terminação do VCG de modo a originar o fluxo original. A concatenação virtual é representada por v e o número de contentores que pertencem ao grupo por X. VC-n-Xv Tipo de Número VCs de VCs Concatenação virtual Capacidades dos diferentes contentores em concatenação virtual Contentores VC-11-Xv VC-12-Xv VC-3-Xv Tipo Ordem inferior Ordem inferior Ordem superior Capacidade disponível (Mb/s) X (X=1,..,64) X (X=1,..,64) X (X=1,..,256) VC-4-Xv Ordem superior X (X=1,..,256) Os diferentes elementos do grupo podem ser encaminhado seguindo todos o mesmo percurso, ou diferentes percursos (multi-percurso). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 149

58 Concatenação Virtual vs. Contínua Uma das vantagens da concatenação virtual consiste no aumento significativo das eficiências de mapeamento. Aplicação Débito da aplicação Eficiência Conc. Contínua Eficiência Conc. Virtual Ethernet 10 Mbit/s VC-3 /20% VC-11-7v /89% Fast Ethernet 100 Mbit/s VC-4/67% VC-3-2v/100% Gigabit Ethernet 1 Gbit/s VC-4-16c/42% VC-4-7v/95% 10 Gb Ethernet 10 Gbit/s VC-4-64c/100% VC-4-64v/100% DVB 270 Mb/s VC-4-4c/45% VC-3-6v (93%) ESCON 160 Mbit/s VC-4-4c/27% VC-3-4v/83% FiCON 850 Mb/s VC-4-16c /35% VC-4-6v /95% Fibre Channel 1700 Mb/s VC-4-16c/71% VC-4-12v/95% João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 150

59 Implementação da Concatenação Virtual Caso do encaminhamento multi-percurso: Etapa 1 Nó fonte H4 VC-3 #0 H4 VC-3 #0 Nó terminção Etapa 5 Etapa 2 VC-3-3v SQ=0 SQ=1 SQ=2 H4VC-3 H4VC-3 VC-3 H4 H4 VC-3 #2 H4 VC-3 #1 Etapa 3 H4 H4 VC-3 #1 VC-3 #2 SQ=1 SQ=0 SQ=2 H4 H4VC-3 H4 Etapa 4 VC-3-3v O atraso diferencial não pode ultrapassar os 250 ms Etapa1: O elemento de rede fonte aloca o tráfego em memória de modo a formar um sinal SDH contínuo. Etapa2: São constituídos os diferentes contentores virtuais que pertencem ao mesmo VCG os quais são identificados pelo indicador de sequência ou SQ (sequence indicator). Etapa3: Os diferentes contentores virtuais são transportados individualmente através da rede SDH podendo seguir caminhos diferentes, o que conduz a tempos de propagação diferentes- atraso diferencial. Etapa4: Os diferentes contentores são armazenados em memória no nó receptor, para compensar o atraso diferencial. Etapa5: Os contentores são realinhados, colocados em ordem e recombinados de modo a originar o fluxo inicial. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 151

60 LCAS No SDH convencional para alterar a capacidade de um caminho era necessário interromper a ligação e consequentemente o fluxo de tráfego, alterar a capacidade e voltar a estabelecer a ligação e o tráfego. O LCAS foi concebido para gerir a capacidade alocada a qualquer caminho, de modo dinâmico em resposta a mudanças nos padrões de tráfego, adicionando ou removendo membros de um VCG, sem haver necessidade de interromper a ligação. O LCAS é um protocolo de sinalização, que permite sincronizar as alterações de capacidade entre o nó fonte e o nó terminal através do envio de mensagens apropriadas entre esses dois nós. Essas mensagens são enviadas usando um octeto apropriado (H4) do cabeçalho de caminho. O LCAS também pode ser usado para remover temporariamente VCs que falham. Consequentemente, a capacidade vai ser reduzida, enquanto a falha não for reparada. Funciona, como um técnica de sobrevivência em presença de falhas nas ligações. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 152

61 Elementos de Rede SDH-NG (I) Multiservice Provisioning Platform (MSPP) Virtual Private Networks Digital Video Broadcasting StorageAreaNetworks (Fiber Channel, ESCON, etc.) Um MSPP resulta da evolução dos s convencionais com interfaces PDH e ópticas para um nó de acesso que inclui: Interfaces PDH convencionais Interfaces de dados como Ethernet, GigE, Fiber Channel, ou DVB Funcionalidades GFP (Generic Framing Procedure), VCAT(Virtual Concatenation) e LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme) Interfaces ópticas desde STM-1 até STM-16 Funcionalidades SDH-NG João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 153

62 Elementos de Rede SDH-NG (II) Multiservice Switching Platform (MSSP) O MSSP é o elemento de rede SDH-NG equivalente ao cruzador da SDH, realizando agregação de tráfego e cruzamento não só ao nível STM-N, como também ao nível VC. A nível de dados (Ethernet) o MSSP para além das funções de mapeamento de tráfego, suporta também funções de switching. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 154

63 Exemplo: CISCO SDH MSPP Plataforma apropriada para aplicações multiserviço, em redes metro. Interfaces E1 (75 Ohm) Cartas de temporização, comunicação e controlo Suporta as interface usais, E1, E3, E4, DS3, as soluções 10/100/1000 Mb/s Ethernet e o transporte óptico desde 155 Mb/s (STM-1) até 320 Gb/s (32- STM-64 comprimentos de onda). Cartas de cruzamento Permite diferentes topologias físicas: anel, linear, estrela, etc. Cartas com interfaces ópticas de débitos elevados (STM-64 e STM-16) Suporta diferentes esquemas de protecção: MS-SPRing (2 e 4 fibras), SNCP, caminho em malha, etc. Fonte: João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 155

64 Cartas do CISCO SDH MSPP (I) Carta Ethernet Multidébito de 10 portos Suporta 10/100/1000 Mbps Base T; 100 Mbps Fx, Lx, Bx; 1000 Mbps SX, LX, Zx. Suporta VCAT e LCAS Suporta encapsulamento GFP- F e Cisco HDLC Suporta esquemas de protecção/restauro SDH com tempos de resposta inferiores a 50 ms Porto Ethernet multidébito: 10/100/1000 Mbps Concatenação virtual e contínua 1000 Mbps: VC4-7v, VC4-8c, VC4-16c, VC3-21v 100 Mpps: VC4; VC3-2v; VC3-3v, VC12-50v João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 156

65 Cartas do CISCO SDH MSPP (II) Carta STM-64 com interface óptica XFP Carta STM-1 com 8 portos Permite a transmissão de um débito até 10 Gbps, com um BER máximo de a uma distância máxima de 80 km (atenuação máxima =22 db, tolerância à dispersão máxima de 1600 ps/nm). Proporcional 8 interface emissoras/ receptoras, cada uma operando a um débito de 155 Mbps (STM- 1) e usando óptica de 1310 nm. Interface óptica Suporta VC-4-nc ( com N=2, 3, 4, 4,16, 32), assim como VC-11, VC-12, VC-3 e VC-4. Suporta protecção SNCP, e MSP. Suporta esquemas de protecção tais como : SNCP, MS-SPRing de 2 e 4 fibras e protecção de caminho em redes em malha. Suporta sinais concatenados (VC3-3c) e não concatenados (VC- 11/12, VC-3 e VC-4) Interface óptica STM-1 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 157

66 Cartas do CISCO SDH MSPP (III) Carta de temporização, controlo e comunicação (TCC) Carta responsável pelo cruzamento dos VCs (XC-VXC Cross-connect) Permite inicializar o sistema, reporta alarmes, gera sinais de controlo para provisionamento de capacidade, detecta falhas no sistema e outras funções OAM e termina os canais DCC da camada de regeneração e de multiplexagem Incorpora um relógio de stratum 3 o qual é controlado por um sinal de sincronismo exterior. Processa as mensagens SSM, de modo a seleccionar o melhor relógio externo. Suporta cruzamentos a nível de VC-11/12, VC-3, VC-4 e VC-4-Xc (com X=2, 3, 4, 16 e 64). Disponibiliza uma capacidade de comutação de 60 Gb/s para VC de ordem superior (1152x1152 VC-3, ou 384x384 VC-4) e de 5 Gb/s para os VCs de ordem inferior (2016x2016 VC-12). Interface RJ45 Possuí uma interface RJ45 (10 Base T) para interligação com o sistema de gestão de rede. Os sinais de controlo requeridos nas operações de cruzamento são proporcionados pela carta TCC. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 158

67 Aplicação da NG-SDH em Redes Empresariais MSPP Fonte: Cisco João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 159

68 Aplicação da NG-SDH na Rede Metro MSSP (MultiService Switching Platform) = MSPP+ Switching Ethernet LH/ELH = Long Haul/Extended Long Haul Fonte: Defining the Multiservice Switching Platform, White Paper, Cisco João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 160

69 Redes Ópticas e OTN João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 161

70 Espectro Óptico e Comprimentos de Onda Os sistemas de comunicação óptica operam na banda do espectro electromagnético com comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, ou seja na região do infra-vermelho (não visível pelo olho humano). Banda usada pelos sistemas de comunicação óptica νλ = c Ultra-violeta Visível Infra-vermelho Comprimento de onda Frequência λ (μm) ν (Hz) O ITU (International Telecommunications Union) definiu seis bandas passíveis de serem usadas pelos sistemas de comunicação sobre fibra óptica. Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L Banda U λ(nm) As bandas mais usadas pelos sistemas comerciais são as bandas O e C. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 162

71 Largura de Banda de Transmissão A relação entre um espaçamento no domínio da frequência (Δν) e um espaçamento no domínio do comprimento de onda (Δλ) é dada por c ν Δλ Δ 2 0 onde λ 0 é o comprimento de onda central na banda considerada e c é a velocidade de propagação da luz no vazio. λ A largura de banda total de transmissão correspondente às bandas do ITU é calculada na tabela seguinte: Banda Designação λ 0 (nm) Δλ (nm) Δν (THz) O Original E Extended S Short C L U Conventional Long Ultralong Total 59 THz João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 163

72 Transmissão sobre Fibra Óptica João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 164

73 Elementos de uma Ligação Óptica Estrutura de uma ligação óptica Fibra óptica Conector Sinal Eléctrico Emissor Óptico Sinal óptico Repetidor Receptor Óptico Sinal Eléctrico t t t Emissor óptico: consiste numa fonte óptica e em circuitos electrónicos; a fonte óptica é normalmente um díodo laser; faz a conversão dos sinais eléctricos em ópticos. Receptor óptico: consiste num fotodíodo, que é responsável por converter o sinal do domínio óptico para o domínio eléctrico, e por circuitos electrónicos apropriados para amplificar o sinal. Repetidor: pode ser um amplificador óptico, ou um regenerador; o primeiro amplifica o sinal óptico e o segundo dá ao sinal o formato original. Fibra óptica: consiste numa guia cilíndrico geralmente de vidro que permite a transmissão dos sinais ópticos à distância. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 165

74 Vantagens das Fibras Ópticas Baixa atenuação Na terceira janela (λ=1.55 μm) o coeficiente de atenuação tem um valor de cerca de 0.2 db/km. Largura de banda elevada A largura de banda disponível na terceira janela é de cerca de 200 nm (25 THz). Considerando a 2ª e 3ª janelas têm-se cerca de 400 nm (50 THz). Dimensões e peso reduzidos Um cabo óptico ocupa uma secção que é 1/10 da secção ocupada por um cabo coaxial e o seu peso é de cerca de 1/30. Imunidade à interferência electromagnética A sílica (SiO 2 ) não é sensível à interferência electromagnética. Custo reduzido As fibras ópticas são fabricadas com vidro purificado, cuja matéria prima é a sílica. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 166

75 Atenuação das Fibras versus Meios Metálicos 100 α (db/km) 50 Par simétrico Cabo Coaxial Fibra multimodal de índice gradual Fibra monomodal Frequência (MHz) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 167

76 Estrutura das Fibras Ópticas Um fibra óptica é um guia de ondas cilíndrico que guia as ondas luminosas ao longo do seu eixo. As fibras ópticas usadas nas telecomunicações são fabricadas usando vidro de sílica (SiO 2 ). Estrutura genérica de uma fibra óptica: Perfil transversal Perfil longitudinal Núcleo (core) (GeO 2 / SiO 2 ) Vidro bainha (n 2 ) Bainha (Cladding) (SiO 2 ) 2a Vidro núcleo (n 1 ) Revestimento primário (primary coating) (polímeros) n 1 >n 2 O índice de refracção n 2 da bainha deve ser ligeiramente inferior ao do núcleo n 1 para que haja condições para propagação da luz. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 168

77 Estrutura das Fibras Ópticas (II) Núcleo (GeO 2 / SiO 2 ) n(r) Índice em degrau Bainha (SiO ) 2 2a Índice parabólico g=1 g=2 g= Revestimento primário interior Revestimento primário exterior a r A variação do índice de refracção é dada por n1 1 2Δ n( r) = n2 = n1 r a g ( 1 2Δ) 1/ 2 1/ 2 r a r > a n1: valor máximo do índice de refracção, a: raio do núcleo, g: parâmetro de perfil, Δ: diferença de índices normalizada 2 2 n1 n2 n1 n2 Δ = 2 2n n 1 1 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 169

78 Tipos de Fibras Fibra multimodal - Fibra com indíce em degrau (step index) - Fibra com índice de variação gradual (graded index) (50 ou 62.5μm) 2π V = an1 2Δ > λ Fibra monomodal - Fibra padrão ou G Fibra de dispersão deslocada ou fibra G Fibra de dispersão deslocada, com dispersão não nula ou G655 2π V = an1 2Δ λ A maior dimensão do núcleo facilita a ligação entre fibras ou entre estas e os transceptores Ex: a=10 μm, n 1 =1.5, Δ=0.01 V=0.85 λ=1.55 μm V=2.49, λ=0.85 μm 50 ou 62.5μm 125 μm 8.6 a 9.5 μm 125 μm João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 170

79 Abertura Numérica O cone de aceitação de uma fibra óptica define um ângulo sólido segundo o qual toda a radiação incidente é transmitida pela fibra. Cone de aceitação θ a n 1 Núcleo Bainha n 0 A abertura numérica (AN) de uma fibra corresponde ao seno do ângulo de aceitação. Para uma fibra com índice em degrau têm-se 2 2 n1 n1 n2 AN = sinθa = 2Δ, com Δ = n 0 : índice de refracção do ar 2 n0 2n Δ: diferença de índices normalizada 1 Para garantir uma injecção de radiação na fibra dentro do cone de aceitação é conveniente usar uma lente convergente. Lente Emissor Óptico Valores típicos: Fibra multimodal 62.5/125 AN=0.275 Fibra multimodal 50/125 AN=0.2 Fibra monomodal AN=0.14 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 171

80 Propagação nos Diferentes Tipos de Fibras Fonte: Wikipedia Numa fibra óptica somente um número finito de raios a certos ângulos discretos têm possibilidade de se propagar. Esses ângulos estão relacionados com um padrão de distribuição do campo electromagnético denominados modos. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 172

81 Limitações das Fibras Ópticas Atenuação: Traduz-se na redução do valor da potência óptica com a propagação ao longo da fibra. Pulso óptico na entrada t t Pulso óptico na saída 0 L Fibra óptica de comprimento L z Dispersão: Traduz-se na deformação da forma do pulso com a propagação ao longo da fibra. Pode ser intermodal ou intramodal. t t 0 L z Devido à dispersão os pulso vizinhos passam a interferir entre si limitando a velocidade de transmissão João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 173

82 Caracterização da Atenuação A atenuação (A f ) é uma medida da perda de potência do sinal óptico resultante da propagação ao longo da fibra óptica e exprime-se usualmente em decibel (db), ou seja A 10 log p p (0) ( L) o f = p o (0): potência na entrada em mw p o o (L): potência na saída em mw É usual nas comunicações em fibra óptica exprimir a potência óptica em dbm, definida como sendo o nível de potência, em escala logarítmica, medido relativamente a 1 mw, ou seja p o P 0 (dbm) = 10log 1mW 0 dbm = 1 mw 30 dbm= 1W Por sua vez Po ( L)(dBm) = Po (0)(dBm) Af (db) A fibra óptica é caracterizada em termos do coeficiente de atenuação, definido como sendo a atenuação por unidade de comprimento, ou seja α(db/km) = A f (db)/ L(km) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 174

83 Atenuação em Função do Comprimento de Onda A atenuação das fibras ópticas de sílica varia em função do comprimento de onda e apresenta um mínimo em cerca de 1.55 μm. O limite fundamental para o coeficiente de atenuação das fibras de sílica em 1.55 μm é de 0.16 db/km. O valor típico desse coeficiente, para 1.55 μm, para as fibras disponíveis no mercado é à volta de 0.2 db/km, mas é possível encontrar fibras com valores entre db/km. Coeficiente de atenuação (db/km) Absorção ultravioleta Difusão de Rayleigh Absorção OH Comprimento de onda (μm) Absorção no infravermelho Coeficiente de Atenuação (db/km) Fibra óptica monomodal Corning SMF-28e (fibra seca) nm db/km Comprimento de Onda (μm) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 175

84 Física da Atenuação A atenuação num fibra óptica deve-se fundamentalmente a três fenómenos: absorção do material, difusão de Rayleigh e perdas nas curvas. Absorção do material: Traduz-se na conversão da energia luminosa em outra forma de energia. A absorção do material é devida a dois factores: as propriedades intrínsecas do material de fibra (intrínseca) e devida à presença de impurezas (extrínseca). A absorção intrínseca resulta de ressonâncias electrónicas no domínio do ultravioleta e de ressonâncias vibracionais no domínio do infravermelho. A absorção extrínseca resulta hoje em dia fundamentalmente da presença de iões OH, os quais conduzem a uma forte absorção em μm. Hoje em dia, já se produzem fibras em que essa absorção é praticamente eliminada (fibras secas). Difusão de Rayleigh: Resulta do facto da densidade do material não ser homogéneo o que conduz a flutuações microscópicas do índice de refracção. Essas flutuações originam difusão da radiação em todas as direcções e constituem o principal factor de atenuação nas fibras até lambdas da ordem de 1.6 μm. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 176

85 Perdas nas Curvas Na presença de curvas a fibra óptica está sujeita a perdas radiativas. Estas perdas podem ser significativas se o raio de curvatura for inferior a poucos centímetros (cerca de 3 cm). Este problema levou ao desenvolvimento de fibras quase insensíveis às curvas, à custa do aumento da complexidade da estrutura da fibra. Fibra padrão Fibra insensível a curvas Fonte: Ming-Jun Li, Bend-insensitive optical fibers simplify fiber-to-thehome installations, Optoelectronics & Optical Communications, 21 Abril 2008, SPIE. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 177

86 Vantagens das Fibras Insensíveis a Curvas O desenvolvimento de fibras tolerantes a curvas permitiu reduzir a dimensão dos armários de rua e veio facilitar significativamente a extensão da fibra óptica até à casa dos utilizadores. Fonte: H. Kogelnik, OFC2008 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 178

87 Dispersão Intermodal A dispersão intermodal só ocorre nas fibras ópticas multimodais e resulta do facto de diferentes modos terem diferentes tempos de propagação. L P 0 P δτ t θ c Bainha t τ max τ min O alargamento do pulso, definido a meia potência é aproximado por L δτ = τ max τ min n1δ c :índice em degrau L δτ = τ max τ min n1δ 10c :índice parabólico O desvio padrão do alargamento devido à dispersão intermodal é definido por δτ σ int er = 2 3 : pulsos rectangulares σ int er = 2 δτ 2ln 2 O produto largura de banda óptica comprimento da fibra é dado por B c L :índice em degrau n Δ 1 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 179 B 0 2 : pulsos gaussianos 4.4c L :índice parabólico 2 n Δ 1

88 Dispersão Intramodal A dispersão intramodal ou cromática resulta do facto de diferentes comprimentos de onda de um modo apresentarem diferentes velocidades de propagação na fibra. n(λ) Fibra G.652 v g λ=1.3 μm L Tempo de propagação: τ = = Lτ g v g Comprimento de onda Comprimento de onda Atraso de grupo Um sinal com uma largura espectral Δλ apresenta um alargamento temporal a meia potência Δτ (ou σ intra quando expresso em desvio padrão). dτ Δτ = g LΔλ = Dλ LΔλ dλ D λ 0 σ int ra = Dλ Lσ λ D λ [ ps/(nm.km) ]: parâmetro de dispersão cromática G.652 G.655 G μm 1.55 μm λ João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 180

89 Produto Débito Binário Comprimento O débito binário de um sistema de transmissão digital óptico é limitado pela dispersão devida à fibra óptica. Para impedir que a interferência intersimbólica seja elevada é necessário garantir que o alargamento do pulso seja inferior ao período de bit (T b =1/D b ), sendo usada normalmente a seguinte regra 1 D b com σ d = σ 2 2 intra : monomodais e σ d = ( σint er+ σint ra) :multimodais 4σ d Para o caso das fontes com largura espectral elevada (LED, Laser FP, Laser DFB com modulação directa) obtém-se (fibras monomodais) 1 D b L ( λ = 1.55 μm, Dλ = 17 ps/(nm.km), σ λ = 0.1nm) 4D λ σ λ L 147 Gbit/s km Para o caso de fontes com largura espectral reduzida (Laser DFB+modulador externo) (fibras monomodais) 2 D b π c L ( λ = 1.55 μm, Dλ = 17 ps/(nm.km) ) 2 12 λ D λ Para um débito de 10 Gbit/s tem-se no primeiro caso um comprimento máximo da ligação de cerca de 14.7 km e no segundo caso de 66.6 km. 2 D b D b L (Gbit/s) 2 km João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 181

90 Limites do Parâmetro de Dispersão:ITU-T Os valores máximos do parâmetro dispersão são fixados pelo ITU-T (International Telecommunications Union- Telecommunication Sector). A recomendação G-652 impõe o seguinte limite para uma fibra padrão operando entre 1260 e 1360 nm, com um comprimento de onda de dispersão nula (λ 0 ) entre λ 0min =1300nm e λ 0max =1324 nm. D λ 4 S 0 λ 0 = λ ps/(nm.km), Declive de dispersão nula(s0 ) : 0.093ps/(nm 3 4 λ 2.km) 1200 λ 1600 nm Para fibras com dispersão deslocada a recomendação G-653 impõe D λ = S λ 2 ( λ ) ps/(nm.km), S 0.085ps/(nm.km) onde λ 0 é o comprimento de onda de dispersão nula ( 1.55μm) e λ é o comprimento de onda de trabalho. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 182

91 Compensação de Dispersão Para aumentar a distância entre os regeneradores para além dos limites impostos pela dispersão pode-se usar técnicas apropriadas para compensar os efeitos da dispersão. Fibra compensadora de dispersão Fibra com um parâmetro de dispersão negativo elevado na região de 1550 nm. Razão de compensação Fibra monomodal padrão (L, D λ ) L c, D λc D λ L + Dλ c Lc = 0 Dλc L DCR = D L λ c D l λ L+L L c Fibra compensadora de dispersão Gestão de dispersão Troços de fibra com dispersão alternadamente positiva e negativa. l Factor de mérito = Dλ c α c ps nm.db L 1, D λ1 L 2, D λ2 L 1, D λ1 L 2, D λ2 D λ1 L1 + Dλ 2L2 = 0 D λ l Fibra com parâmetro de dispersão negativa Fibra com parâmetro de dispersão positiva l João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 183

92 Bandas de Utilização das Fibras Janela Designação Banda (nm) Tipo de fibra Aplicações Primeira Multimodal LAN, Ethernet Ex:1000 Base-Sx Segunda O Monomodal (G.652) Mono λ PON, Ethernet Terceira C Monomodal Mono λ (G.655) e WDM Quarta L Monomodal WDM (G.653) Quinta E Monomodal WDM (All Wave) Sexta S Monomodal WDM, LAN (G.652) PON João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 184

93 Ligação de Fibras Ópticas As fibras ópticas são fabricadas com comprimentos que variam entre cerca de 2 e 50 km. Para distâncias maiores é necessário ligar diferentes troços. As ligações podem ser permanentes (juntas), ou temporárias. As primeiras são realizadas por fusão das extremidades da fibra, enquanto as segundas são realizadas com fichas (ou conectores). Máquina de fusão Fichas ST Fichas FC Fonte: Yamasaki As juntas apresentam perdas de inserção inferiores a 0.1 db e as fichas entre 0.1 e 0.3 db. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 185

94 Estrutura dos Cabos Ópticos Os cabos ópticos são projectados tendo presentes dois aspectos: 1) Minimizar a atenuação adicional resultante do fabrico e uso do cabo; 2) Manter a integridade física da fibra (na instalação e em serviço). O cabo é revestido no exterior por uma bainha para proteger o cabo de efeitos mecânicos, térmicos, químicos ainda da humidade. No caso dos cabos submarinos têm-se também uma blindagem metálica para aumentar a resistência mecânica. Há cabos que podem ter várias dezenas (mesmo centenas) de fibras ópticas. Os cabos com mais de 24 fibras estão organizados em subunidades. Tensor central Membro reforçador (dieléctrico ou metálico) Subunidade com várias fibras Fibra com revestimento secundário Bainha do cabo (polietileno João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 186

95 Cabos de Fibra Óptica Cabo de distribuição Cabo de distribuição Cabo aéreo Cabo blindado Fonte: H. Kogelnik, OFC2008 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 187

96 Acopladores O acoplador direccional é usado para combinar e derivar sinais nas redes ópticas. Entrada 1 Comprimento de acoplamento Saída 1 P 1 P 2 Entrada 2 Saída 2 P 4 P 3 Parâmetros: Coeficiente de acoplamento: Perdas em excesso: Combinando de modo apropriado acopladores direccionais é possível construir repartidores ópticos passivos 1:N. Repartidor óptico passivo 1x8: P o P o /8 P /8 o P /8 o P o /8 P1 C = 10log A P P 1 3 = 10log d P + P 2 3 Atenuação total do repartidor 1xN At = log 2 N Ad + 10log( N) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 188

97 Componentes Optoelectrónicos e Sistemas João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 189

98 Princípios Físicos O princípio de operação dos diferentes componentes optoelectrónicos é resultado de três processos: absorção, emissão espontânea, emissão estimulada. Representação num diagrama com dois níveis energéticos: Absorção Emissão espontânea Emissão estimulada E 2 E 2 E 2 Fotão de energia hν 12 =E 2 -E 1 hν 12 hν 12 hν 12 hν 12 Aos dois fotões corresponde a mesma fase e frequência E 1 E 1 E 1 No processo de absorção têm-se a transição de um electrão do estado fundamental para o estado excitado através da absorção de um fotão. Na emissão espontânea o electrão decai espontaneamente para o estado fundamental originando um fotão. Na emissão estimulada o decaimento do electrão dá-se pela acção de um fotão estimulante. As ondas associadas aos dois fotões têm a mesma fase e frequência. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 190

99 Díodo Laser O LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) é um oscilador óptico e é constituído por um amplificador óptico inserido numa cavidade reflectora, a qual origina realimentação positiva. Amplificador de fibra dopada Amplificador de semicondutor Laser de Fibra Laser de Semicondutor (Díodo Laser) Os díodos laser usam uma cavidade de Fabry-Perot como cavidade ressonante. As faces do material semicondutor constituem as superfícies semi-reflectoras (espelhos) da cavidade. P o /2 Sinal óptico emitido Corrente de injecção (I) R 1 R 2 P o /2 Região activa Potência Óptica (P o ) I <I th : emissão espontânea I I th : emissão estimulada L I th Corrente Eléctrica (I) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 191

100 Exemplo de Lasers (FP) Ex: T13F (/ FP: Fabry-Perot Características: Comprimento de onda de emissão = 1310 nm Potência de emissão: Varia entre 0.2 e 2 mw (I th +25 ma) conforme o modelo Largura espectral típica (Δλ): 2 nm Corrente de limiar típica (I th )= 10 ma Aplicações: Redes SDH (STM-1 e STM-4) Módulo com pigtail( não arrefecido) Módulo com conector (não arrefecido) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 192

101 Exemplo de Lasers (DFB) Ex: T15D ( Características: Comprimento de onda de emissão = 1550 nm Potência de emissão (pico): 5 mw Largura espectral típica (Δλ): 0.1 nm (sem modulação) Corrente de limiar típica (I th )= 12 ma Com pigtail e não arrefecido DFB: distributed feedback Aplicações: Redes SDH (STM-1 e STM-4, STM-16), GigabitEthernet João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 193

102 Estrutura de uma Fonte Óptica Uma fonte óptica inclui a estrutura modular do laser, o circuito de excitação (responsável pela modulação do sinal óptico), o circuito de controlo de potência e o circuito de controlo de temperatura. V Estrutura modular de um laser t Controlo de potência Circuito de excitação PIN Díodo Laser Adaptação óptica Fibra óptica Guia térmico Termistor Elemento de Peltier Estrutura modular do laser Controlo de temperatura João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 194

103 Fotodetecção No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico. hc λ < λ c =, h = E Fotodíodos PIN g 34 J.s Os fotodíodos PIN são baseados numa junção p-n com material intrínseco (I) colocado entre os dois tipos de semicondutor. A junção é polarizada inversamente. E c E v Fotão _ + Par electrãolacuna Campo Eléctrico E g Banda de condução Banda de valência InP p Região de absorção InPAs i Região de depleção O campo eléctrico é intenso em quase toda a região de absorção. InP n + João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 195 x

104 Caracterização dos Fotodetectores Num fotodíodo PIN ideal por cada fotão incidente na região de absorção seria originado uma par electrão-lacuna na região de depleção. Num PIN real a eficiência de conversão η (designada por eficiência quântica) é inferior a um. Potência óptica incidente, P o PIN η, R λ Foto-corrente, I η = ritmo de geração de pares electrão - lacuna = ritmo de fotões incidentes Respostividade (A/W) R I ηq = hv λ = = Po I / q P hν o / [ μm] λ η 1.24 q=carga do electrão= C h=constante de Planck= J.s ν:frequência da radiação óptica Num fotodetector APD (Avalanche Photodiode) o processo de multiplicação por avalanche é caracterizado por um ganho m(t) aleatório com valor médio M. Fotão incidente Par electrãolacuna + _ + + _ Ionização por impacto _ Multiplicação de avalanche i( t) = R m( t) P Corrente instantânea: λ 0 Corrente média: I =< i >= Rλ MP0 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 196

105 Caracterização do Sinal Recebido Admitindo que o fotodetector é um PIN a corrente na sua saída tem a contribuição do sinal e do ruído quântico. Essa corrente é dada, respectivamente, para o nível lógico 1 (i 1 (t)) e para o nível 0 (i 0 (t)) por nível lógico1: i1 ( t) = R λ Pr (1) + iq1( t) nível lógico 0 : i0( t) = R λ Pr (0) + iq0( t) Tendo presente que o receptor introduz ruído de circuito, a corrente na saída do filtro (para os dois níveis lógicos) é dada por Corrente de ruído para o nível 1 nível lógico1: i 1( t) = I1 + n1 ( t) nível lógico 0 : i0 ( t) = Io + n0( t ) Corrente de ruído para o nível 0 Valor médio da corrente para o nível 1 Valor médio da corrente para o nível 0 Densidade de probabilidade I I 1 σ 1 p(i 1) Corrente I 1 Instante de decisão D I 0 p(i o) D I 0 Limiar de decisão σ 0 t 0 Tempo João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 197

106 Estatística do Sinal Amostrado O sinal i(t) é aplicado à entrada de um regenerador, cujo esquema de blocos é o seguinte: Amostragem i(t) i(t 0 ) Decisão e formatação do pulso i(t 0 )> D simbolo 1 i(t 0 )< D simbolo 0 Recuperação de relógio Admite-se que a amostra i(t 0 ) tem uma distribuição Gaussiana com média I 1 e variância σ 12 =<n 12 > para o nível lógico 1 e média I 0 e variância σ 02 =<n 02 > para o nível lógico 0. σ = σ q + σ ,1 c σ = σ q + σ ,0 c 2 2 σ q, 1 = 2qR λ Pr (1) Be, n q, 0 2qR λ Pr (0) Be, n σ = σ 2 c = 4 k BTfnBe, n / Rb B e,n : largura de banda de ruído do receptor; f n : factor de ruído do receptor; R b :resistência de polarização do fotodetector; T :Temperatura em K; K B : constante de Boltzmann ( J/K) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 198

107 Avaliação de Desempenho A probabilidade de erro é dada por P e = p1 Pr( 0/1) + p0pr (1/ 0) p 1 :probabilidade a priori de enviar o símbolo 1 p 0 :probabilidade a priori de enviar o símbolo 0 Pr(0/1):probabilidade de decidir pelo 0 tendo enviado o 1 Admitindo a equiprobabilidade dos símbolos, obtém-se para a probabilidade de erro, ou BER (razão de erros binários) a seguinte expressão: P e D I0 erfc σ 0 2 A função complementar de erro é definida por erfc( x) = 2 π x e t 2 dt = 1 4 Pr(1/0):probabilidade de decidir pelo 1 tendo enviado o 0 I1 erfc σ1 O limiar de decisão óptimo (D op ) que minimiza o BER, corresponde a fazer Pr(0/1)=Pr(1/0) e erfc( x) x x 2 π x 3 D 2 x=4.5, erfc(x)=1.966x10-10 x=4.7, erfc(x)=2.995x10-11 x=5.0, erfc(x)=1.538x10-12 D I I D σ I + σ I Q = I op 0 1 op = = Q D op = σ o σ σ1 + σ σ 0 1 +σ 0 1 I P e = 1 erfc Q 2 2 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 199

108 Sensibilidade A sensibilidade do receptor ( P r ) é definida como a potência óptica mínima necessária para obter um valor de P e, normalmente para (Q 7). Para um receptor baseado num fotodíodo PIN o ruído quântico é desprezável. Nesta situação a sensibilidade do receptor é aproximada por P r = 1 2 P (1) + r Pr (0) = 1 r r Q R 2 σ λ c Ruído de circuito branco P r Be, n D b A sensibilidade do receptor com PIN diminui com a raiz do débito binário. Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência para garantir o mesmo desempenho. Débito Binário Tipo Sensibilidade Sobrecarga Sensibilidade de receptores que operam a 1.55 μm 155 Mbit/s pinfet -36 dbm -7 dbm 622 Mbit/s pinfet -32 dbm -7 dbm 10 Gbit/s pin -20 dbm 0 dbm Sobrecarga: valor máximo da potência na entrada do fotodetector João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 200

109 Transmissão Digital Óptica Considera-se um sistema de transmissão digital óptico com compensação da dispersão, através de uma fibra compensadora de dispersão (DCF): Fonte óptica Fibra Óptica DCF Fotodíodo Préamplificador Filtro v(t) Regenerador P s (1) P s (0) Juntas P r (1) P r (0) Receptor óptico BER Razão de extinção (r) =P s (0)/P s (1) As fontes ópticas podem ser de três tipos: LED, Laser modulado directamente e laser+modulador externo. P 0 Laser modulado directamente P 0 t Laser + modulador externo Modulador externo P 0 t Corrente I V t t João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 201

110 Dimensionamento de Ligações sem Amplificação Ligação limitada pela atenuação Fonte óptica L Receptor óptico Atenuação total t Ps Acoplador Ligações ponto-a-ponto A ( db) = αl + na + 2A j c n juntas na j Fibra Óptica A c Pr A ( db) = αl + na + 4A + A log2 N + 10log N t Ligações ponto-a-multiponto (1XN) j c d Balanço de potência (Power Budget) Potência máxima Potência mínima Sobrecarga Sensibilidade Atenuação mínima(a min ) Atenuação máxima (A max ) Penalidade de caminho óptico ΔP r Ganho do sistema em potência Margem do sistema G s = P ( mín) P M s s = G s t r A ΔP Inclui a margem de segurança necessária para suportar variações dos parâmetros devido a variações de temperatura e envelhecimento Devida à dispersão, reflexões, PMD (polarization mode dispersion), etc. r João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 202

111 Orçamento de Potência Pontos de interface definidos pela norma ITU-T G. 691 Equipamento de transmissão MPI-S Fibra Óptica Repetidor MPI-R Equipamento de recepção MPI : main path interface Orçamento de potência para uma ligação STM-64 do tipo L-64.2a (distância 80 km, λ= 1550 nm) Características dos componentes Saída/sensibilidade /perdas Margem de potência (db) Potência mínima transmitida (P s MPI-S -2 dbm Sensibilidade do receptor ( P r (min))@ MPI-R - 26 dbm Balanço de potência (power budget) 24 db Atenuação da fibra (0.22 db/km 80 km) db 6.4 db Perdas nas juntas (0.05 7) (troços com 10 km) db 6.05 db Conectores ( db) Penalidade do caminho óptico máxima db -2.0 db 5.45 db 3.45 db Margem do sistema Outras características relevantes são a potência máxima transmitida P s (max) = 2 dbm (@ MPI-S) e a potência de sobrecarga = -9 dbm (@ MPI-R), o que conduz a uma atenuação mínima de 11 db. Note-se que de acordo com os dados da tabela anterior a atenuação máxima é igual a 22 db. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 203

112 Compensação de dispersão e equipamento de recepção Na transmissão de sinais STM-64 os sistemas que operam na distância de 40 km, são projectados sem compensação de dispersão. Se se adicionar mais 40 km já é necessário compensar a dispersão deste novo troço. MPI-R OA DCF Compensação de dispersão Receptor óptico Equipamento de transmissão O equipamento de transmissão nesta situação para além do receptor óptico deverá incluir uma fibra compensadora de dispersão (DCF), um amplificador óptico para compensar a atenuação adicional da DCF e um receptor óptico. Para uma fibra óptica G.652 operando em 1550 nm, têmse uma parâmetro de dispersão de 17 ps/(nm.km). A um troço de 40 km, corresponde, assim, uma dispersão acumulada de 680 ps/nm. Se se usar a DCF38, para 1550 nm o parâmetro de dispersão é -39 ps/(nm.km). Requer-se, assim, uma DCF com 17.4 km. Como é coeficiente de atenuação é igual a db/km, tem-se uma atenuação total de 5 db. Fonte: THORLABs João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 204

113 Sistemas com Amplificação e Regeneração Sistemas com amplificação óptica Usam-se amplificadores ópticos para compensar a atenuação da fibra óptica. O processo de amplificação têm lugar no domínio óptico. Emissor óptico G G Receptor óptico Fibra óptica Amplificador óptico Sistemas com regeneradores Os regeneradores usam-se para combater a distorção (deformação) do sinal devida à dispersão da fibra óptica. O processo de regeneração tem lugar no domínio eléctrico. É necessário converter o sinal do domínio óptico para o eléctrico e vice-versa. Emissor óptico R R Receptor óptico Fibra óptica Regenerador João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 205

114 Tipos de Amplificadores Ópticos Amplificador de fibra dopada A amplificação tem lugar num troço de fibra dopada (érbio para a banda de 1.55 μm e neodímio para a banda de 1.3 μm). A alimentação é feita por um laser. Sinal óptico de entrada Acoplador Amplificador de Raman Laser Laser bombeador Fibra dopada Sinal óptico de saída A amplificação tem lugar na fibra óptica usada na transmissão do sinal óptico através do efeito de Raman. Sinal óptico de entrada Acoplador Laser Laser bombeador Fibra óptica Sinal óptico de saída Amplificador de semicondutor (SOA, semiconductor optical amplifier) A amplificação tem lugar numa heterojunção de material semicondutor, acoplada à fibra óptica. Corrente de injecção Fibra óptica Fibra óptica João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 206

115 Fundamentos dos EDFAs O amplificador de fibra dopada a érbio ou EDFA (Erbium-doped fibre amplifier) é construído dopando a parte central do núcleo (diâmetro de cerca de 2.5 μm) de uma fibra óptica de sílica com iões de érbio (Er 3+ ). O iões de érbio são activados pela energia fornecida por um laser bombeador, permitindo criar uma inversão de população, e realizar amplificação por emissão estimulada. O EDFA é usualmente bombeado por lasers de semicondutor operando a 980 nm ou 1480 nm. O bombeamento é usado para excitar os iões de érbio da banda fundamental para a banda excitada de maior energia ( 4 I 11/2 ). Os iões excitados decaem rapidamente dessa banda para a banda 4 I 13/2, designada por metaestável. Esta banda é caracterizado por um tempo médio de fluorescência (τ) longo de 14 ms, permitindo realizar uma inversão de população. 980 nm Bombeamento energético 1480 nm Transição não radiativa (1μs) 4 I 11/2 4 I 13/2 Emissão estimulada ( nm) τ = 14 ms 4 I 15/2 O ganho do amplificador permanece insensível às variações do sinal de entrada, desde que estas sejam mais rápidas do que o tempo de fluorescência (τ). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 207

116 Sistema WDM Ponto-a-Ponto Os elementos essenciais de um sistema de multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) são os multiplexadores (MUX), responsáveis por agregar vários canais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer e os desmultiplexadores (DMUX) que realizam a operação inversa. Laser 1 λ 1 Sinal multiplex λ1,λ 2,λ 3,..., λ N λ 1 Receptor Óptico 1 Laser 2 λ 2 MUX EDFA EDFA EDFA DMUX λ 2 Receptor Óptico 2 Laser N λ N Fibra óptica monomodal λ N Receptor Óptico N Plataformas de transporte DWDM (2012) Fabricante Equipamento Capacidade Número de λs Ciena 6500 Packet Optical Platform 8.8 Tb/s 88 λs 100 Gb/s Alcatel-Lucent 1830 Photonic Services Switch 4.4Tb/s 8.8Tb/s 44 λs 100 Gb/s 88 λs 10 Gb/s Nokia Siemens Networks hit Tb/s 96λs 100Gb/s Ericsson Marconi MHL 3000 Core 3.2Tb/s 80 λs 40 Gb/s João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 208

117 Técnicas de Multiplexagem WDM A multiplexagem por divisão de comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) pode ser efectuada recorrendo a dois métodos. Multiplexagem selectiva Pλ 1 Pλ 2 Pλ Ν α(pλ 1 + Pλ Pλ Ν ) α 2 Pλ 1 D M M α 2 Pλ 2 U U X Fibra Óptica X α 2 Pλ Multiplexador Ν Desmultiplexador α : perdas Multiplexagem não selectiva Pλ 1 Pλ 2 C O M (Pλ 1 + Pλ Pλ Ν )/Ν D E R Pλ 1 /Ν 2 Pλ 2 /Ν 2 Pλ Ν /Ν 2 Pλ Ν Combinador óptico Derivador óptico Filtros ópticos selectores de canal Na multiplexagem selectiva usam-se dispositivos baseados nas grelhas difractoras ou AWG. A principal vantagem desta solução é que as perdas são independentes do número de comprimentos de onda usados. Na multiplexagem não selectiva a separação dos canais é feita usando filtros ópticos. Neste caso as perdas dependem do número de λs. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 209

118 Multiplexagem Selectiva MUX/DEMUX baseados em grelhas difractoras λ 1 λ 2 λ N MUX Todos os comprimentos de onda são focados no mesmo ponto focal e acoplados a uma fibra óptica. Grelhas difractoras Lente Fibras ópticas λ 1 + λ λ N DMUX Um sinal de luz policromático ao incidir numa grelha difractora é difractada e dirigida para diferentes pontos no espaço. MUX/DEMUX baseados em AWG (arrayed waveguide grating) Desmultiplexagem 0 Perdas λ 3 λ 2 λ 1 λ 4 λ 5 Acoplador em estrela Acoplador em estrela λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 Transmitância (db) crosstalk f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 2 +FSR Free Spectral Range f Foram fabricados AWGs para 256 canais (comprimentos de onda), com um espaçamento entre canais de 0.2 nm (25 GHz), perdas de inserção de cerca de 5 db e crosstalk< 33 db. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 210

119 Normalização dos Comprimentos de Onda A normalização dos comprimentos de onda a usar nas redes WDM é importante para garantir a interligação de equipamentos de diferentes fabricantes e permitir aos fabricantes a redução dos custos de fabrico. A normalização de comprimento de onda é feita pela norma G.692 do ITU-T e usa um espaçamento idêntico na frequência para essa normalização. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz ( 0.4 nm), com a frequência central nominal de THz ( nm) THz 50 GHz 50 GHz 50 GHz frequência Outro parâmetro importante é o desvio máximo da frequência nominal de canal. Este desvio não deve ser muito elevado, caso contrário contribui para aumentar o crosstalk e as perdas. Para Δf 200 GHz o ITU-T especificou um desvio máximo de ±Δf/5. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 211

120 Papel da Rede de Transporte Óptica Router B Rede de Serviços (Rede IP) Router E Router F Router A Router C Router D 1 O: multiplexador de inserção/extracção óptico 2 4 OTM: multiplexador óptico terminal Rede de Transporte SDH 3 OXC: comutador de cruzamento óptico Caminho Óptico (1 3) O O O OXC O O O Rede de Transporte WDM OTM O Caminho Óptico ( router D router F) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 212

121 Elementos de Rede Ópticas Os elementos de uma rede óptica incluem amplificadores ópticos (OA), multiplexadores ópticos terminais (OTM, optical terminal multiplexer), multiplexadores de inserção/extracção (O, optical add/drop multiplexers) e cruzadores ópticos (OXC, optical crossconnects). Esses elementos de rede estão interligados entre si através de fibras ópticas de acordo com determinada topologia física (anel, malha, etc.). Os OLTs multiplexam diferentes comprimentos de onda num fibra óptica e também desmultiplexam um sinal WDM nos comprimentos de onda individuais. Os Os são usados em pontos da rede em que é necessária terminal localmente uma certa fracção dos comprimentos de onda transmitidos. São usados nas redes em anel. Os OXCs são usados quando é necessário comutar comprimentos de onda de uma fibra, para outra fibra, como é o caso das redes em malha. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 213

122 Amplificadores Ópticos de Linha Os amplificadores ópticos de linha são colocados no meio das vias ópticas, a intervalos periódicos, tipicamente entre km. Este amplificadores normalmente incluem dois blocos de amplificação EDFA, e um compensador de dispersão situado entre esses blocos. No caso dos amplificadores usados nas banda C e L, essas bandas são separadas na entrada e usam-se diferentes EDFAs para cada banda. λ 1, λ 2,... λ N EDFA EDFA Terminação do canal de supervisão óptica λ so Compensação de dispersão λ so Adição do canal de supervisão óptica Receptor Laser O canal de supervisão óptica é extraído e terminado na entrada do amplificador e é adicionado na saída. Este canal é usado para controlar e monitorizar o desempenho dos amplificadores ópticos. É transportado num comprimento de onda diferente do usado para o tráfico. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 214

123 Multiplexador Óptico Terminal (OTM) O multiplexador óptico terminal é usado nas extremidades das ligações ponto-a-ponto para multiplexar e desmultiplexar diferentes comprimentos de onda. Inclui três elementos funcionais: transponder, multiplexador WDM e amplificador óptico. Transponder Router IP Não é ITU λ O/E/O ITU λ 1 SDH Não é ITU λ O/E/O ITU λ 2 MUX EDFA λ 1,λ 2,λ 3,λ so SDH ITU λ 3 Função de adaptação Adição do canal de supervisão óptica Multiplexador óptico terminal Laser λ so A adaptação realizada pelos transponder corresponde às seguintes funções: - Alteração dos comprimentos de onda, de modo a ter na saída λs ITU-T; - Adição de cabeçalhos para funções de gestão; - Adição de códigos FEC (forward error correction); - Monitorização do BER (bit error rate). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 215

124 Tipos de Os Num O o sinal WDM é desmultiplexado e os comprimentos de onda que requerem processamento local são extraídos e posteriormente inseridos. Os restantes comprimentos passam directamente do DMUX para o MUX. Os Os podem ser fixos ou reconfiguráveis. Nos primeiros o conjunto dos comprimentos de onda extraídos/inseridos é fixo, enquanto nos segundos pode ser alterado em resposta a mudanças nos padrões de tráfego. O fixo λ N O reconfigurável λ N λ 1, λ 2,.. λ N DMUX λ 2 λ 2 MUX λ 1, λ 2,.. λ N λ 1, λ 2,.. λ N DMUX MUX λ 2 λ1 λ 1 λ 1 Extracção Inserção Transponders(O/E/O) Transponders (O/E/O) Comutador óptico João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 216

125 Estrutura de um RO Estrutura de um RO (Reconfigurable O) Comprimento de onda expresso Fonte: I. Kaminow et al., Optical Fiber Telecommunications V. B, Fig. 8.2 WADD: wavelength add/drop device Dispositivo usado para inserir/extrair lambdas OA: Optical amplifier: amplificador óptico tipo EDFA. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 217

126 Configurações de OXCs A configuração de um OXC pode ser opaca ou transparente. Nas configurações opacas há conversões O/E ou E/O dentro do OXC,enquanto nas transparentes a configuração é totalmente óptica. Um OXC é constituído por vários OTMs, que realizem entre outras as funções de multiplexagem/desmultiplexagem, e por uma matriz de comutação. A matriz de comutação pode ser óptica ou eléctrica. OXC com comutação óptica OXC com comutação eléctrica λ 1 λ 1, λ 2, λ 3 λ OTM 2 λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 λ 1, λ 2, λ 3 λ 1 OTM λ 2 λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 λ 1, λ 2, λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 OTM λ 1 λ 2 λ 3 Matriz de comutação óptica λ 1 λ 2 λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 λ 1, λ 2, λ 3 OTM λ 1 λ 2 λ 3 Matriz de comutação eléctrica λ 1 λ 2 λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 λ 1, λ 2, λ 3 OTM λ 1 λ 2 λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 λ 1, λ 2, λ 3 OTM λ 1 λ 2 λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 Gera λs ITU- não usa transponders Conversão O/E Conversão E/O João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 218

127 Exemplo de Comutadores Ópticos (MEMS) Comutadores basedos em sistemas micro-electro-mecânicos Os sistemas micro-electro-mecânicos ou MEMS (micro-electro-mechanical systems) são dispositivos mecânicos em miniatura fabricados usando substratos de silício. Os comutadores MEMS consistem em espelhos miniatura movíveis com dimensões da ordem das centenas de micrómetro. Conjunto de micro-espelhos movíveis desenvolvidos num substrato de silício (Lucent) Os micro-espelhos são deflectidos de uma posição para outra usando técnicas electromagnéticas, electro-ópticas ou piezoeléctricas. A estrutura mais simples é a do espelho 2D. Num estado o espelho está paralelo com o substrato não deflectindo o feixe de luz. No outro estado o espelho move-se para uma posição vertical e o feixe de luz é deflectido. Noutra estrutura o espelho pode rodar em torno de dois eixos de modo contínuo. Designa-se por espelho 3D. O tempo de comutação de um estado para outro é de cerca de 10 ms em ambas as estruturas. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 219

128 Comutadores Ópticos com MEMS Comutadores com espelhos 2D O comutador baseado em espelhos 2D usa uma arquitectura barra-cruzada. Na configuração com fibras ópticas nas entradas e nas saídas é necessário colimar os feixes na saída e na entrada das fibras para reduzir a sua divergência. A dimensão máxima dos comutadores deste tipo que é possível fabricar num único substrato está limitada a dimensões entre 32x32 a 64x64. Comutadores com espelhos 3D Matriz de espelhos Um espelho 3D permite implementar um comutador 1xN. Na figura ao lado representa-se um comutador 1152x1152 (Xros) baseado numa arquitectura de Spanke, e fazendo uso de duas matrizes de espelhos 3D cada uma com 1152 espelhos. Fibras de entrada Fibras de saída João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 220

129 Transparência das Redes Ópticas Uma das grandes vantagens da redes ópticas é ser transparente aos serviços. O utilizador pode enviar informação digital a qualquer débito (dentro de certos limites), usando qualquer formato, ou qualquer tipo de protocolo. Pode também transmitir informação analógica. Associada à transparência está o conceito de rede totalmente óptica. Nesta rede a informação é transmitida da fonte para o destino num formato óptico, sem qualquer conversão O/E, ou E/O dentro da rede. Estas redes designam-se por totalmente transparentes. Estas rede totalmente transparentes não usam regeneração e por isso comportam-se como rede analógicas onde os factores degradadores (ruído, distorção, interferência, etc ) são acumulados, o que limita a sua extensão. Enquanto não for possível dispor de regeneradores ópticos será de esperar a existência de alguma conversão opto-electrónica dentro das redes. O OXC Sub-rede óptica totalmente transparente Cliente da rede óptica O O O O O O Cliente da rede óptica Sub-rede óptica totalmente transparente Processamento opto-electrónico (regeneração) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 221

130 Elemento de Rede SDH-NG+WDM Multiservice Transport Platform (MSTP) Fonte: José M. Caballero Migration to next generation SDH, Trend Communications Virtual Private Networks Digital Video Broadcasting StorageAreaNetworks (Fiber Channel, ESCON, etc.) Um MSTP resulta da adição a um MSPP de funções de inserção extracção no domínio óptico. Permite o provisionamento de comprimentos de onda extremo-a extremo ao longo de uma rede, evitando o uso de transponders para para funções de conversão O-E-O. Tipicamente é usado nas redes de núcleo e metro. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 222

131 Rede de Transporte Óptica A rede de transporte óptica ou OTN (Optical Transport Network) foi fruto de normalização recente do ITU-T (G.709, G.872, G.959) tendo como alvo o transporte a longa distância com débitos binários desde 2.5 Gb/s até 100 Gb/s. A OTN define uma hierarquia de transporte óptica ou OTH (Optical Transport Hierarchy), conceptualmente algo similar à SDH. A OTH é estruturada em duas etapas, sendo a primeira etapa realizada no domínio eléctrico e a segunda no domínio óptico. A primeira etapa consiste no mapeamento dos sinais dos tributários numa trama de comprimento fixo e na adição de cabeçalhos apropriados, conduzindo à formação da entidade OTU-k (Optical Channel Transport Unit). O valor de k está associado ao débito binário (OTU-1: Gb/s; OTU-2: 10.7 Gb/s, OTU-3: 43 Gb/s, OTU-4 : 112 Gb/s). A segunda etapa consiste na formação dos canais ópticos, na multiplexagem WDM e na introdução dos cabeçalhos apropriados e conduz à formação da entidade OTM-n.m (Optical Transport Module), (n: número de canais ópticos e m=0, para canais com débito misto e m=1, 2, 3 ou 4, para k=1, 2, 3 ou 4). João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 223

132 Estrutura de Camadas da OTH A estrutura de camadas da OTH está representada na figura seguinte. Clientes (SDH, ATM, IP, Ethernet) Adição de cabeçalhos das diferentes camadas no domínio eléctrico Unidade de carga do canal óptico ou OPU-k OPU Carga do cliente Domínio eléctrico (Envoltório digital) Unidade de dados do canal óptico ou ODU-k Unidade transporte do canal óptico ou OTU-k ODU Canal óptico ou OCh OTU FEC Domínio óptico Secção de multiplexagem óptica ou OMS-n Secção de transmissão óptica ou OTS-n OTM-n.m Os cabeçalhos das camadas ópticas são enviados em modo não associado no canal de supervisão óptica O sinal proveniente dos clientes é mapeado na camada OPU (optical channel payload unit). Esta camada adiciona octetos sem informação para adaptar os débitos e introduz o seu cabeçalho. A OPU é convertida em seguida na ODU (optical channel data unit) através da adição do correspondente cabeçalho. A fase seguinte consiste na conversão da ODU na OTU (optical channel transport unit) através da adição do cabeçalho e do campo FEC (forward error correction). Cada OTU vai modular uma fonte óptica. O sinal óptico obtido juntamente com um cabeçalho apropriado corresponde à entidade OCh (optical channel). A camada OMS (optical multiplex section) é responsável pela multiplexagem WDM e pela adição do seu cabeçalho. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 224

133 Papel das Camadas Ópticas da OTH As camadas ópticas da OTH são: camada de canal óptico (OCh, optical channel), camada de secção de multiplexagem óptica (OMS, optical multiplex section) e camada de secção de transmissão óptica (OTS, optical transmission section). Funcionalidades das camadas: Camada de canal óptico: Acomodação de dispersão por canal, identificação de canal, comutação de protecção de canal. Camada de secção de multiplexagem óptica: Multiplexagem óptica, atribuição de comprimento de onda, identificação do comprimento de onda, comutação de protecção de multiplexagem, conversão de comprimento de onda. Camada de secção de transmissão óptica: Amplificação óptica, compensação de dispersão através dos amplificadores de linha. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 225

134 Definição das Camadas Ópticas O canal óptico (OCh) corresponde a uma ligação extremo a extremo numa rede totalmente óptica, também designada por caminho óptico. Cada via entre um OTM e um O (ou OXC) corresponde à secção de multiplexagem óptica (OMS). Cada via OMS é constituída por vários segmentos (OTS), sendo cada segmento delimitado por um estágio de amplificação. Amplificador de linha AL OXC OTM Transponder S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão Secção de Multiplexagem Canal óptico (OCh) S. de Multiplexagem Caminho Óptico O AL λ 1 λ 2 OXC O Transponder OTM S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão Secção de Multiplexagem Canal óptico (OCh) S. de Multiplexagem Caminho Óptico (usa dois λs) João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 226

135 Subdivisão da Camada de Canal Óptico O canal óptico (OCh) por sua vez é subdividido em várias sub-camadas no domínio eléctrico: unidade de carga (OPU), unidade de dados (ODU ) e unidade de transporte (OTU). Unidade de carga (OPU) (Optical Channel Payload Unit ) Unidade de dados (ODU) (Optical Channel Data Unit) Unidade de transporte (OTU) (Optical Channel Transport Unit) Adapta o débito binário do sinal do tributário ao débito binário desta estrutura (OPU-1: Gb/s, OPU-2: Gb/s, OPU-3: Gb/s, OPU Gb/s) através da introdução de octetos sem informação e da realização de justificação positiva/negativa. Tal como o OPU é criado quando o sinal do tributário entra na rede óptica e mantém-se intacto ao longo da rede. É comparável aos contentores virtuais da SDH. Esta unidade é terminada/ criada em cada ponto de regeneração. É responsável por processar o código FEC. OPU/ODU OTU OTU OTU OTM OXC OTM OTM O OTM OTM OTM Caminho Transponders/ regeneradores João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 227

136 Estrutura da Trama da OTU-k Numa representação bidireccional a trama da entidade OTU-k está estruturada em 4080 colunas e 4 linhas e contem os seguintes blocos: capacidade transportada, cabeçalhos de OPU, ODU e OTU e campo de FEC (Forward Error Correction), este último usado para detecção e correcção de erros. OTU: - Enquadramento de trama (6 octetos) - Enquadramento de multitrama (1 octeto) - Monitorização de desempenho (3 octetos - Canal de comunicação de dados (2 octetos) - 2 octetos reservados. ODU: - Monitorização de um canal em ligações em cascata - Supervisão extremo a extremo - Canal de comunicação de dados - Protecção de canal. OPU: - Etiqueta de sinal (identifica a capacidade transportada) - Octetos para funções de justificação - Octetos reservados Duração das tramas (OTU-k): k= μs; k= μs; k= μs, k= μs Estrutura da trama OTU-k octetos OTU ODU Cabeçalho de OPU Capacidade transportada Campo FEC FEC Reed-Solomon Code RS (255, 238) BER=10-4 s/fec BER= c/fec João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 228

137 Estrutura dos Cabeçalhos A estrutura dos cabeçalhos de ODU e OTU é a seguinte: PET PEM SM GCC Res OTU RES TCM TCM6 TCM5 TCM4 FTTL TCM3 TCM2 TCM1 PM RES ODU GCC1 GCC2 APS RES No cabeçalho da OTU a função dos diferentes campos é a seguinte: PET- padrão de enquadramento de trama: conjunto de octetos usados para sincronizar a trama; PEM-padrão de enquadramento de multitrama: sincronizar a multitrama em que alguns sinais (ex: traço) estão estruturados; SM: monitorização de secção: inclui identificador de traço, BIP-8, BDI (backward defect indication), BEI (backward error indication, etc; GCC (General Communication Channels): canais usados para transportar informação de gestão, equivalente aos canais DCC da SDH. RES- reservado. No campo da ODU a função dos diferentes campos é a seguinte: TCM (Tandem Connection Monitoring)- monitorização das ligações em cascata com seis níveis de monitorização: cada campo inclui um identificador de traço, BIP-8, BDI e BFI; PM (Path Monitoring) monitorização extremo-a-extremo: inclui indicador de traço, BIP-8, BDI e BEI; APS (Automatic Protection Switching) funções de protecção similares às da SDH; FTTL( Fault Type, Fault Location) identificação do tipo de falha e da sua localização. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 229

138 Monitorização das Ligações em Cascata A funcionalidade de TCM (Tandem Connection Monitoring) permite a um operador monitorizar a qualidade de uma ligação que se inicia e termina na sua rede, mas atravessa a rede de outros operadores. Operador A Operador B Operador A Utilizador Utilizador TCM1 Monitorização de QoS a nível do utilizador TCM2 Monitorização de QoS a nível do operador TCM3 Monitorização dos vários domínios de interligação O operador A deve ter capacidade de monitorizar a qualidade do sinal que passa na rede do operador B. Em presença de uma falha na ligação, com utilização de monitorização das ligações em cascata é possível identificar facilmente a sua localização. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 230

139 Códigos FEC Os códigos FEC usados na OTN são os códigos de Reed-Solomon. Estes códigos fazem partem dos códigos de blocos cíclicos e lineares usados para detectar e corrigir erros. Estes códigos partem de k símbolos de informação e geram n símbolos, introduzindo r=n-k símbolos redundantes - RS(n,k). Admitindo que um símbolo tem m bits, tem-se que n=2 m -1. Estes códigos têm capacidade para corrigir r/2 símbolos errados. Para as aplicações nas redes ópticas tem-se, habitualmente, m=8, n=255 e r=16 o que conduz ao código RS(255,239). Para exemplificar o funcionamento de um código de blocos considere-se um código de Hamming (7,4), Este código parte de símbolos com 4 bits e gera palavras de código com 7 bits. Ex: Número do bloco Sequências de entrada Sequências de saída O número de bits diferentes entre duas palavras do código designa-se por distância de Hamming p. No caso anterior p=3. Este código permite detectar até p-1 erros e corrigir até (p-1)/2 erros Os códigos RS(255, 239) apresentam ganhos de codificação da ordem dos 6 db, o que permite reduzir significativamente o valor do BER (Ex: 10-4 s/fec e 2x10-13 c/fec). Para feitos de processamento do FEC cada linha da OTU é sub-dividida em 16 sub-linhas (3824/16=239) usando interposição de byte. Cada codificador FEC processa uma desta sub-linhas gerando 16 octetos redundantes. Os octetos redundantes das 16 sub-linhas são multiplexados, originando os 256 octetos que são colocados no fim do campo OTU. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 231

140 Transmissão de Cabeçalhos das Camadas Ópticas Os cabeçalhos associados às diferentes camadas ópticas são transmitidos no canal de supervisão óptica (OSC, optical supervisory channel), normalizado pelo ITU-T para ser transmitido no comprimento de onda de 1510 nm. Cada caminho óptico é caracterizado pelo seu identificador de canal óptico, o qual permite identificar, verificar a integridade e gerir a conectividade desse caminho. Para transmitir o identificador de canal óptico, adiciona-se uma sub-portadora, designado por piloto, ao sinal que modula o laser. Esse piloto tem uma frequência, normalmente na banda entre 1 e 2 MHz. O piloto pode ser também usado para monitorizar a potência. Cada caminho óptico pode ser caracterizado por um piloto com frequência única, a qual funciona como identificador de canal. Pode-se ainda ter uma frequência piloto por cada comprimento de onda, sendo o identificador de canal um sinal digital que modula o piloto. Inserção do piloto Monitorização do piloto Monitorização do piloto Terminação do piloto O canal de supervisão óptica é extraído, processado e inserido em todos os elementos de rede AL O OXC OSC OSC OSC Transponder João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 232

141 Aspectos de Gestão Os diferentes elementos a gerir (amplificadores ópticos, OTMs, Os e OXCs) designam-se por elementos de rede (NE). Cada elemento de rede é gerido pelo seu sistema de gestão de elemento ou EMS (element management system). A informação de gestão é processada em cada NE, pelo agente (software implementado num microprocessador), o qual comunica com o EMS. Um EMS pode gerir um ou mais elementos de rede. A comunicação do EMS com os elementos de rede é feita através da rede de comunicação de dados ou DCN (data communication network). O DCN pode ser transmitido pelo canal de supervisão óptica. Os diferentes EMS comunicam com o sistema de gestão de rede, através da rede de gestão ( rede IP). Tem uma visão completa da rede, permitindo estabelecer caminhos ópticos Sistema de gestão de elemento Sistema de gestão de rede Sistema de gestão de elemento Rede de comunicação de dados Rede de comunicação de dados O AL OXC O OTM OSC OSC João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 233

142 Cabo Submarino Ópticos: Exemplos Exemplos de cabos submarinos ópticos EASSy: The fact that the Eastern Africa seaboard lacked a fibre optic cable system meant it had to rely exclusively on satellite links for voice and data transmission at about ten times the cost and at transmission speeds of less than a quarter those of fibre optic links. Unlike satellite-based telecommunication systems, fibre optic cables provide high quality broadband international connectivity and cost less to access and maintain Preliminary Technical Description: SDH Transmission System length: 10,500km (Main Trunk Length) System design life of 25 years Direct Optical Amplification Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) 3 Fibre pairs: 3 x 10 Gb/s per fibre pair initially Upgradeable to 32 x 10 Gb/s Wavelengths per fibre pair System Interface at STM-1 Electrical (STM4/16 optional) Países servidos pelo EASSy :Quénia, Uganda, Tanzânia, Ruanda, Burundi, Somália, Moçambique e Zâmbia. Fonte: O cabo submarino óptico EASSy (Eastern African Submarine Cable System) foi projectado para ligar vários países das costa este de África, que não têm acesso directo à rede de cabos submarinos ópticos internacionais. João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 234

143 SAT-3/WASC SAT/WASC (Southern Africa-Western Africa Submarine Cable 1 2 Fonte: 1 Portugal : Sesimbra 2 2 Spain: Chipiona & Canary Islands : Alta Vista 3 Sénégal : Dakar 3 4 Côte d Ivoire : Abidjan 5 Ghana : Accra Benin : Cotonou 9 7 Nigeria : Lagos 8 Cameroon : Douala 10 9 Gabon : Libreville 10 Angola : Luanda 11 South Africa : Melkbosstrand 11 João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 235

144 SAT-3/WASC Supplier: Alcatel Submarine Networks (France) System length: km System type: 4 fibre, OA, WDM. System capacity: 20Gb/s initially 40Gb/s from June Gb/s ultimately 5.8 m simultaneous telephone calls Landings in Europe, West - and Southern Africa System design life of 25 years João Pires Planeamento e Projecto de Redes (11/12) 236