Serviços Banda Larga: O uso de Rede Óptica Passiva GPON

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1 Serviços Banda Larga: O uso de Rede Óptica Passiva GPON Este tutorial apresenta as redes GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network, ou Rede Óptica Passiva com capacidade Gigabit). Essas redes desempenham um papel fundamental na oferta de serviços de banda larga para usuários residenciais e para Nós de Rede com requisitos de alta capacidade. O uso de redes GPON será um fator chave para a entrega de um vasto leque de serviços para qualquer tipo de usuário final. Este tutorial foi produzido a partir do White Paper FULL SERVICE BROADBAND WITH GPON, de Junho de 2008, elaborado pela Ericsson. Categorias: Banda Larga, Redes Ópticas Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 25/08/2008 1

2 Serviços Banda Larga: Introdução As redes GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network) são atualmente uma das tecnologias de acesso de alta velocidade que têm atraído grande interesse do mercado de telecomunicações. Este tutorial apresenta o status atual e as futuras possibilidades da tecnologia GPON. Vários analistas têm previsto um crescimento rápido do número de implantações GPON, levando, em poucos anos, ao uso predominante do GPON nos acessos baseado em tecnologias de fibra óptica. Outras tecnologias, tais como Banda Larga PON (BPON) e Ethernet PON (EPON), também tendem a ser usadas durante os próximos anos, mas em menor grau. A popularidade do GPON se deve a vários fatores. A tecnologia suporta uma vasta gama de aplicações e serviços, principalmente os serviços de envio unidirecional de vídeo e TV do tipo unicast e broadcast. Ela pode fazer parte de muitas arquiteturas de rede, como por exemplo, na combinação VDSL2 (Very-high speed Digital Subscriber Line 2) e FTTC (Fiber To The Curb, ou fibra óptica até a calçada ou passeio público), ou como o acesso residencial do tipo FTTH (Fiber To The Home). Uma solução baseada em GPON é parte integrante de uma Arquitetura de Serviços Banda Larga (Full Service Broadband Architecture), desenhada para satisfazer as necessidades de convergência fixo-móvel e de redes convergentes NGN (Next Generation Networks) para a oferta de serviços residenciais e corporativos. A evolução e padronização do GPON oferecem novas funcionalidades e facilidades que suportarão as futuras redes de acesso de banda larga e de serviços. O próximo passo na evolução será o aumento de taxa de bits, dos atuais 2,5 Gbit/s para 10 Gbit/s, no sentido downstream, e dos atuais 1,25 Gbit/s para 2,5 Gbit/s, no sentido upstream. A migração para os sistemas mais novos será possível através de um planejamento adequado de uso de comprimentos de ondas que permita a co-existência de múltiplos GPON s na mesma rede óptica. Várias operadoras e fornecedores do mercado de telecom consideram o WDM-PON (Wavelength Division Multiplexed PON) como sendo a melhor tecnologia PON de longo prazo, onde uma rede lógica pontoa-ponto é suportada por uma topologia PON. O WDM-PON oferece uma alternativa para o esquema de transmissão GPON do tipo time-shared (tempo compartilhado), onde cada ONT (Optical Network Termination, ou Terminação de Rede Óptica) transmite e recebe em um determinado comprimento de onda. Embora atualmente o seu custo seja proibitivo, quando comparado com o GPON, a pesquisa intensiva em componentes ópticos pode permitir reduções de custos significativas na próxima década. Finalmente, diversas operadoras atualmente estão avaliando a consolidação de suas redes para reduzir as despesas operacionais (Operational Expenditures OPEX) das redes de acesso, através da desativação de sites pequenos e da redução do número de visitas de operação e manutenção a sites. Esta ação pode ser facilitada pela proposta de alcance estendido (maior alcance) das redes GPON. 2

3 Serviços Banda Larga: Uso de GPON Serviços de Vídeo, como parte dos pacotes de serviços (bundles), demandam maior largura de banda e têm forçado a maior parte das operadoras a considerar uma atualização ou mesmo uma renovação completa da sua rede de acesso de cobre legada. As redes GPON [1] e EPON [2] são dois padrões que abrem novas oportunidades tanto para os fabricantes como para as operadoras. Grandes fabricantes têm adicionado a tecnologia PON ao seu portfólio de redes de acesso de banda larga, e as operadoras de todo o mundo têm demonstrado grande interesse em implantar esta tecnologia combinada com o VDSL2 (VDSL2 + FTTC) ou como acesso residencial (FTTH). As três principais normas PON são: Broadband PON (BPON, [3]), GPON e EPON. O BPON e o seu sucessor GPON são recomendações da International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) patrocinadas pela Full Service Access Network (FSAN), uma associação mundial de fabricantes e operadoras que implementam equipamentos com as tecnologias PON. O EPON é um padrão desenvolvido pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), através de uma iniciativa do grupo Ethernet in the first mile EFM (Ethernet na primeira [ou última] milha). Levando em consideração que as operadoras estão influenciando a padronização do GPON através da FSAN, a recomendação do GPON reflete diretamente as necessidades das operadoras. Embora todos os três sistemas funcionem baseados no mesmo princípio, existem várias diferenças entre eles, como pode ser observado na tabela 1. Tabela 1: Tipos de PON e suas principais características. (DS: downstream, US: upstream) Características EPON BPON GPON Recomendação IEEE 802.3ah [1] ITU-T G.983 ITU-T G.984 Protocolo Ethernet ATM Ethernet, TDM Taxa de bits 1000 Mbit/s [2], DS e US 622 Mbit/s DS, 155 Mbit/s US 2488 Mbit/s DS, 1244 Mbit/s US Span (km) Taxa de divisão (split-ratio) [3] 16 ou ou 64 [1] Em 2005 ele foi incluído como parte do padrão IEEE [2] 1 Gbit/s é a taxa de transferência de dados, enquanto que 1,25 Gbit/s é a taxa de bits física do acesso devido a codificação 8b/10b. [3] Valores típicos para as redes implantadas. Uma alternativa para o PON utilizada por pequenas operadoras, municipalidades e prestadores de serviços de redes abertas é o Ethernet FTTH, também conhecido como fibra ponto-a-ponto (point-to-point fiber). Essa tecnologia leva todas as fibras de cada usuário para um site central da rede, permitindo implementar uma transmissão do tipo fibra ponto-a-ponto relativamente simples. 3

4 A escolha entre fibra ponto-a-ponto e (G)PON depende de múltiplos fatores relacionados com o contexto do negócio e com a implantação da rede física de acesso. O uso de fibras ponto-a-ponto implica em ter que implantar os equipamentos de rede relativamente perto do cliente, mas torna a rede mais simples e transparente para a implantação de serviços. Entretanto, sempre que os operadores tentam concentrar a localização dos equipamentos de rede, torna-se necessário concentrar também mais fibras. O gerenciamento de grandes quantidades de fibras em Nós ou sites de rede muito grandes pode ser inconveniente. Perspectivas do Mercado O êxito e a aceitação do GPON no mercado mundial são cada vez mais evidentes. As perspectivas de mercado para o GPON são muito brilhantes e coerentes nas análises atuais da indústria. Um estudo recente do Heavy Reading [4] prevê que o número de assinantes FTTH no mundo em 2008 será de 20 milhões e deve aumentar para 90 milhões em Outro estudo da Infonetics Research [5] prevê que o GPON já vai ultrapassar o EPON (Ethernet PON) como a tecnologia predominante em 2008/2009. A figura 1 mostra crescimento de mercado estimado para as diversas tecnologias de acesso em fibra óptica. Figura 1: Crescimento de mercado estimado. (CAGR: Taxa de crescimento anual composta) O rápido crescimento do mercado de GPON se deve aos seguintes fatores: A tendência de oferta de serviços com uso de banda mais intensivo, tais como os de envio unidirecional de conteúdo vídeo e TV do tipo unicast e broadcast, está estimulando muitas operadoras a se debruçarem sobre as possibilidades de atualização ou renovação total da rede de acesso de cobre legada. Grandes fornecedores têm acrescentado a tecnologia GPON ao seu portfólio de redes de acesso banda larga, e as operadoras em todo o mundo estão interessadas em implantar a tecnologia em combinação com o VDSL2 (VDSL2 + FTTC) ou como acessos residenciais FTTH em larga escala nos próximos anos. O GPON é bastante adequado para suportar o backhaul de redes móveis uma vez que é baseado em TDM (Time Division Multiplex ou Multiplexação por Divisão de Tempo e, conseqüentemente, 4

5 suporta serviços síncronos e a propagação de sinal de relógio (clock) do tipo stratum-traceable. Já que o GPON permite o compartilhamento da mesma fibra para múltiplos usuários, há uma redução no número de dutos da rede de acesso e no gerenciamento de fibras ópticas da rede, o que provoca também uma redução nos investimentos em rede (CAPEX) e nas despesas operacionais (OPEX). O uso da rede óptica passiva em substituição a infra-estrutura de rede de cobre pode levar a uma redução das despesas operacionais anuais da ordem de 80%. O PON não necessita de equipamentos eletrônicos na rede externa, e, portanto, na pratica não precisa de manutenção. GPON na Arquitetura de Serviços Banda Larga A Arquitetura de Serviços Banda Larga [6] foi concebida para satisfazer as necessidades de convergência fixo-móvel (FMC Fixed-Mobile Convergence) e de redes convergentes NGN (Next Generation Networks) para a oferta de serviços residenciais e corporativos. No seu núcleo (core) é uma rede de transporte confiável, segura e de custo otimizado. Uma variedade de tecnologias acesso pode ser sobreposta a esse núcleo, cada uma delas evoluindo para suportar os Serviços Banda Larga, com uma variedade de acessos heterogêneos gerenciados por sistemas de múltiplos acessos (Multi-access Edges). O IP Multimedia Subsystem IMS, subsistema de multimídia baseado em rede IP, suporta o desenvolvimento e implantação de serviços fim-a-fim. A mobilidade e a conveniência para o usuário são disponibilizadas através de interfaces de rede do usuário (User-to-Network Interfaces UNI) abertas e consistentes, enquanto que as interfaces de inter redes (Network-to-Network Interfaces NNI) garantem a interoperabilidade com as redes de outras operadoras e empresas. A Figura 2 mostra arquitetura de serviços de banda larga completa. A solução GPON é parte da função Rede de Acesso Fixo (Wireline Access), que funcionalmente provê a interface entre os terminais e CPE s (Customer Premisses Equipment, ou equipamentos de assinantes) e os sistemas de múltiplos acessos (Multiaccess Edges). Do ponto de vista da topologia da rede, os acessos GPON têm interface com a rede do Metro, que é descrita em [7]. Figura 2: Arquitetura de Serviços Banda Larga [6]. 5

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7 Serviços Banda Larga: Estudo de Caso GPON O sistema GPON é composto por um Terminal de Linha Óptica (Optical Line Terminal OLT), instalado num site central da operadora, e por diversos Terminais de Rede Óptica (Optical Network Terminal ONT), instalados nos sites dos diversos Clientes. Opcionalmente, podem ser usadas Unidades de Rede Óptica (Optical Network Unit ONU) para chegar até os sites dos Clientes com outra tecnologia, por exemplo, o VDSL2. Esses dispositivos (ONU e VSDL2) são ativos (unidades eletrônicas) e necessitam de fontes de alimentação. Ao invés de utilizar sistemas eletrônicos na Rede de Distribuição Óptica (ODN), o uso de divisores passivos permite dividir a largura de banda disponível para atender a vários usuários. Desta forma, não existem componentes ativos (unidades eletrônicas) entre o site central da operadora e as instalações dos clientes. Isto reduz tanto os investimentos em rede (Capital Expenditures CAPEX) como as despesas operacionais (Operational Expenditures OPEX), já que os componentes passivos utilizados na rede não necessitam de fontes de alimentação para funcionar. Eles também geralmente são mais baratos para a implantação e manutenção inicial da rede externa. Como vários usuários compartilham parte da rede de distribuição, diminui a necessidade de espaço para racks de interfaces ópticas e de quadros ópticos de distribuição nos bastidores do site central. A figura 3 mostra os diferentes tipos de usos do GPON. Quando a ODN está presente em todo o trajeto até o usuário final, como é o caso de serviços implementados em FTTH, usa-se o CPE denominado Terminal de Rede Óptica (Optical Network Terminal ONT). Caso seja usada uma tecnologia alternativa para atender o usuário final, como o cobre ou o rádio, usa-se a Unidade de Rede Óptica (Optical Network Unit ONU). Com o ONU, diversas arquiteturas podem ser utilizadas em função da distância do ONU até o usuário final: FTTB (Fiber To The Building, ou fibra até o prédio), para as distâncias mais curtas, e FTTN (Fiber To The Node, ou de fibra até o nó de rede), para as distâncias mais longas, usando o FTTC para distâncias intermediárias e para a instalação e posicionamento do ONU. Figura 3: Tipos de uso do GPON. O padrão atual do GPON permite o compartilhamento do ODN por enlaces com diferentes orçamentos de potência (link-budget) e, conseqüentemente, com alcance e capacidade distintos. A tabela 2 apresenta as características mais importantes do GPON. Tabela 2: Resumo das principais características técnicas do GPON [1]. Tipo Valor Comentários 7

8 Link-budget 28 db Classe B+ óptica (orçamento de potência) Distância da Fibra 20 km Valor típico, dependendo da taxa de divisão (split ratio), das perdas dos conectores e da margem do sistema Taxa de divisão 1:32 Valores com 1:16 e 1:64 são comuns Capacidade por PON Comprimento de Onda 2488 Mbit/s 1244 Mbit/s nm nm Downstream (DS) Upstream (US) DS e US para GPON de 1-fibra. Para o ODN, os divisores podem ser implantados de forma centralizada (por exemplo, um local físico com um divisor 1:32) ou distribuída (por exemplo, dois locais físicos, sendo o primeiro com um divisor 1:4 e a seguir outro com quatro divisores 1:8). Os divisores distribuídos permitem, em teoria, otimizar a colocação dos divisores para otimizar também as distâncias dos cabos de fibra. Na prática, isso pode ser difícil de conseguir, e o uso de divisores centralizados facilita a sua manutenção e atualização. Evidentemente, o uso de divisores centralizados pode ser realizado com vários estágios de divisão num site, ou seja, um estágio com divisor 1:4 seguido por outro estágio com divisor 1:8 separadores, para atingir uma taxa de divisão total de 1:32. Serviços Residenciais Muitas operadoras vêem o GPON como uma solução ideal para aplicações residenciais do tipo FTTH. O compartilhamento da infra-estrutura passiva e da OLT é uma solução boa para atender a demanda de capacidade de pequena a média do usuário residencial típico. Para distâncias mais curtas de acesso local (<20 km), pode ser usada uma taxa de divisão (split ratio) de 1:64. Quanto maior a taxa de divisão (split ratio), menor será a capacidade dedicada ao usuário final. Normalmente, um sistema GPON suporta os serviços de dados e de telefonia baseados em protocolo IP, serviços IPTV e serviços de entrega de conteúdos sob demanda (on demand). Um ONT residencial típico, por exemplo, do tipo SFU (Single-Family Unit, ou unidade familiar única), inclui uma série de portas Gigabit Ethernet, enquanto outros mais avançados também incluem suporte para NAT (Network Address Translation), firewalls, DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) e servidores de DNS (Domain Name Server), e etc. Os ONT s podem ser do tipo de interno ou externo (indoor ou outdoor), em função do tipo de implantação, e podem atender um usuário individual ou vários usuários ao mesmo tempo. Serviços Corporativos Como o GPON é muito flexível na alocação de largura de banda por usuário, os usuários residenciais podem compartilhar um PON com usuários corporativos que demandam maior capacidade. Para acomodar as necessidades específicas de comunicação das empresas, existem vários tipos de SBU (Single Business Unit ou unidade corporativa única). As SBU s suportam diversos números de portas POTS (telefonia convencional), de portas DS1/E1 e ramais PBX, e Ethernet de 100 Mbit/s ou 1 Gbit/s. 8

9 Backhaul VSDL2 A tecnologia DSL foi originalmente destinada a proporcionar uma conexão de dados ao longo do circuito convencional de cobre existente entre uma Central Telefônica e um assinante. Uma série de inovações tem produzido várias gerações de DSL, oferecendo taxas de bits maiores e freqüências mais altas através de circuitos de cobre cada vez mais curtos. A tecnologia VDSL2 pode suportar até 100 Mbit/s em circuitos mais curtos, enquanto velocidades de 50 a 75 Mbit/s podem ser alcançadas em circuitos de até 1 km (dependendo do estado da rede de cobre, do comprimento dos cabos e da interferência existente). Através do uso de usar técnicas de vectoring, velocidades ainda mais elevadas são viabilizadas (tipicamente 100 Mbit/s por par de cobre em distâncias da ordem de algumas centenas de metros. Na maioria dos casos, o número de usuários finais que pode ser alcançado diretamente pelo VDSL2 a partir da estação telefônica é bastante limitado, porque as distâncias até os assinantes são tipicamente muito longas. No entanto, o VDSL2 é uma alternativa excelente para ser usada sempre que a rede de cobre existente seja curta, por exemplo, para os serviços implantados a partir do DG de um edifício ou de um gabinete de equipamentos instalado na calçada próxima ao site do cliente. Um DSLAM (DSL Access Multiplexer ou multiplexador de acesso DSL) VDSL2 pode concentrar vários assinantes conectados por pares de cobre num link de backhaul de 1 Gbit/s de um switch Metro Ethernet, e o uso de um link backhaul GPON é uma escolha muito adequada neste caso. Backhaul Móvel Com as próximas gerações de redes de rádio, tais como as redes HSPA (High-Speed Packet Access, ou acesso de pacotes de alta velocidade) e LTE (Long Term Evolution, ou evolução de longo prazo), a capacidade de / para a estação radiobase irá aumentar significativamente em comparação com exigência atual de alguns E1/T1s. Em alguns casos, a capacidade do backhaul para um site com três setores será da ordem de 100 a 400 Mbit/s. Para isso, serão necessários backhauls de maior capacidade. Como o tamanho da célula está diminuindo e existe muita fibra em uso na rede, o uso da tecnologia de backhaul GPON para / a partir de estações radiobase é uma opção interessante. 9

10 Serviços Banda Larga: Evolução do GPON Depois de algumas implantações iniciais de BPON, a indústria percebeu tardiamente que um ODN BPON não poderia sofrer uma atualização gradativa para nenhuma das gerações de tecnologias posteriores. A logística de atualização de toda uma rede PON simultaneamente era assustadora, e as despesas de instalação de uma nova (mais atual) rede PON paralela eram proibitivas. Por esse motivo, foi uma exigência dos estágios iniciais do desenvolvimento do GPON que as atualizações das próximas gerações da tecnologia pudessem ser feitas gradativamente no mesmo ODN. Havia (e ainda existem) muitos candidatos à próxima geração de sistemas PON. Desta forma, a comunidade ITU desnevolveu a recomendação G.984.5, que reservou alguns comprimentos de onda para uso em aplicações das próximas gerações da tecnologia, mas que não impõem limitações a elas. De forma detalhada, a recomendação G inclui: Ranges de comprimentos de onda reservados para uso futuro. A recomendação especifica três bandas opcionais para desenvolvimentos futuros, sendo: a opção 1 na banda E (banda water-peak, ou pico-de-água), a opção 2 nas bandas C e L, e a opção 3 na banda de radiofreqüência (RF) para serviços futuros, caso o serviço sobreposto de vídeo (video overlay) não seja disponibilizado (ver figura 4). Filtros com características de bloqueio de comprimentos de onda para proteção do sinal downstream do GPON no ONT / ONU contra interferências a partir das novas bandas. Opções de redução de comprimentos de onda do sinal upstream no GPON, para liberar espectro na banda O para serviços futuros. A opção DFB (Distributed Feedback laser) poderá ser a mais amplamente utilizada. DS: Downstream, US: Upstream, EB: Enhancement band, DFB: Distributed Feedback laser, FP: Fabry-Perot laser. Figura 4: Alocação de comprimentos de onda para GPON e NG-PON na grade CWDM. Embora o GPON possa oferecer capacidade suficiente para os próximos anos, a próxima geração de sistemas GPON (GN-PON) está evoluindo no sentido de aproveitar no futuro os investimentos dos sistemas GPON e das infra-estruturas de fibras implantadas atualmente. Os requisitos básicos do GN-PON são, assim, a oferta de capacidade maior do que o GPON ao mesmo tempo em que maximiza o reuso do GPON no que se refere ao protocolo, componentes e infra-estrutura. 10

11 A evolução do GPON, conforme ilustrado na figura 5, define dois estágios de desenvolvimento: O primeiro estágio, NG-PON1, é compatível com as implantações GPON de acordo com o plano de comprimentos de onda da recomendação G O uso dos extensores de alcance (reach extenders) do GPON para o GN-PON1 também é esperado, mas ainda não foi explorado em detalhes. Os sistemas NG-PON1 foram antecipados para estarem prontos em Os candidatos são os seguintes: Um GPON que suporta 10 Gbit/s no sentido downstream, e 2,5 Gbit/s no sentido upstream. Este candidato é denominado XG-PON1 ( X refere-se ao número romano 10; o XG-PON também é chamado de 10G GPON). Um GPON simétrico que suporta 10 Gbit/s nos dois sentidos (downstream e upstream). Este candidato é denominado XG-PON2. Uma opção WDM para sobrepor GPON s múltiplos e/ou overlays ponto-a-ponto com diferentes comprimentos de onda (ou seja, WDM) sobre a mesma infra-estrutura de fibra, tal como definido nas bandas de atualização da recomendação G (GPON s sobrepostos ou overlaid eram chamados de stacked GPON s ou GPON s empilhados). Existem também planos para usar componentes ópticos que proporcionem maior orçamento de potencia (link-budget) que os similares da classe B+ (ver tabela 2). O segundo passo, NG-PON 2, reconhece que maior capacidade e mais comprimentos de onda serão necessários no futuro e que novos desenvolvimentos irão reforçar a necessidade de compatibilidade com versões anteriores. Desta forma, o NG-PON2 não é limitado pelo ODN do GPON atual. Além disso, os novos formatos de modulação, tais como o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ou multiplexação por divisão ortogonal de freqüência) e o MDL (Code Division Multiplexing, ou multiplexação por divisão de código) para o NG-PON2 estão na pauta de discussões. As normas foram antecipadas para estarem disponível até G GPON Figura 5: Coexistência e migração, segundo a FSAN. Para satisfazer o crescente aumento do apetite por largura de banda, os atuais sistemas 2,5 GPON serão atualizados para suportar 10 Gbit/s no sentido downstream. Num cenário residencial com distribuição de HDTV, o 10G GPON será capaz de suportar milhares de streams de vídeo simultâneos, com uma passagem muito rápida ao longo do tempo entre os canais devido à natureza broadcast do PON, ao mesmo tempo que suporta a gama completa de serviços unidirecionais personalizados (unicast). Prevê-se que 10G GPON irá encontrar a sua primeira aplicação em cenários dos tipos FTTB e FTTC. O candidato mais provável da próxima geração 10G GPON terá um comprimento de onda serial de 2,5 Gbit/s no sentido upstream. Nos termos da FSAN, o candidato corresponde ao XG-PON1. A camada física e os componentes ópticos dos sistemas 10G GPON devem ser atrativos em termos de custos, ao mesmo tempo 11

12 que devem oferecer os mesmos orçamentos de potência (link-budgets) dos sistemas GPON. Especialmente para os ONT s, devido ao seu elevado número, é de suma importância usar componentes de baixo custo. Tal como exigido pela FSAN, um sistema 10G GPON deve ser capaz de coexistir com um sistema GPON já implantado no mesmo ODN. Um exemplo disso é apresentado na figura 6. A coexistência é viabilizada através da alocação do sistema 10G GPON em comprimentos de onda diferentes daquele utilizados pelo sistema GPON. Do lado do OLT, os dois sistemas são combinados com um filtro óptico do tipo co-exister (também chamado de WDM1 na recomendação G.984.5). Nos ONT s são utilizados os filtros WFB (Wavelength Blocking Filter, ou filtros para bloqueio de comprimentos de onda) para bloquear comprimentos de onda indesejados. Com a arquitetura da figura 6, os ONT s GPON podem ser substituídos um a um por ONT s 10G GPON se / quando for adequado, ou novos ONT s 10G GPON podem ser adicionados a um ODN existente. Acessos Baseados em DWDM (WDM-PON) Figura 6: Coexistência do GPON e do GPON 10G. Na seqüência da descrição do NG-PON2, muitas operadoras e fornecedores da indústria vêem os acessos baseados em DWDM em geral e em particular os sistemas WDM-PON como a tecnologia PON de longo prazo mais interessante. O acesso baseado em DWDM é uma tecnologia de transporte de uso geral, onde diferentes serviços e redes podem coexistir na mesma fibra através da utilização de diferentes comprimentos de onda. Em particular, o WDM-PON oferece uma alternativa para o esquema de transmissão em tempo compartilhado do GPON por permitir que a transmissão e a recepção de cada ONT ocorram em um determinado comprimento de onda. Assim, a principal diferença entre WDM-PON e o uso de comprimentos de onda no GPON (para overlay de vários GPON s e / ou 10G GPON s) é que o WDM-PON poderá não usar o protocolo GPON, mas poderá usar, por exemplo, o Gigabit Ethernet ponto-a-ponto. Sem dúvida, soluções híbridas onde cada comprimento de onda do WDM-PON seja usado para transportar um sinal GPON também são possíveis. Uma arquitetura WDM-PON típica poderia substituir o divisor óptico passivo (optical power splitter) da Figura 3 por um filtro de seletivo de comprimento de onda (wavelength selective filter). Esse filtro é freqüentemente implementado através de um AWG (Arrayed Waveguide Grating, grades ordenadas em guias de ondas). Os benefícios do WDM-PON incluem: 12

13 Largura de banda da camada física semelhante ao da fibra ponto-a-ponto, ou seja, não é necessária uma banda de programação (scheduling) como no GPON. O uso eficaz de fibra - até 64 assinantes / fibra (semelhante ao GPON). Permite longo alcance, utilizando AWG de baixa perda, ao contrário do divisor de alta perda (high-loss power splitter) utilizado pelo GPON. Usando o orçamento de potência (link-budget) de 28 db da tabela 1 e assumindo uma taxa de divisão (split-ratio) de 1:64, um WDM-PON com comprimento de onda de 1550 nm poderá alcançar mais de 80 km, em comparação com os cerca de 16 km para um GPON. Separação física dos sinais dos assinantes. O principal obstáculo para WDM-PON é o custo, uma vez que os transmissores devem emitir luz num determinado comprimento de onda. Isto é especialmente crítico para os ONT s, uma vez que este custo afeta diretamente a linha de cada assinante. Do lado do site central, o custo do sinal com múltiplos comprimentos de onda pode ser diminuído pelo uso de componentes com integração óptica. Entretanto, o lado do assinante precisa de soluções com um número reduzido de tipos de hardware exclusivo para manter custos baixos de estoque e instalação. Esta característica de comprimento de onda adaptativo do ONT é denominada colorless (independente de cor ou incolor). Várias arquiteturas colorless foram propostas e pesquisadas durante a década passada. A abordagem de laser sintonizável seria a mais natural: o comprimento de onda da ONT seria, então, simplesmente configurado quando da ativação do serviço, oferecendo um elevado grau de flexibilidade e desempenho (alcance, taxa de bit, etc.). O problema do uso de componentes sintonizáveis é a necessidade de itens que podem afetar diretamente o custo, tais como a necessidade potencial do uso de referências ou lockers de comprimentos de onda. Outras técnicas mais ou menos exóticos de WDM-PON foram igualmente propostas, mas muitas vezes descobre-se que são limitadas pela tecnologia (alcance, capacidade, etc.) ou pelo custo. Aumentando o Alcance do GPON Muitas operadoras estão atualmente considerando a consolidação do site central para reduzir as despesas operacionais da rede de acesso. Desta forma, existem propostas para sistemas GPON de alcance estendido. Essas tecnologias podem permitir distâncias muito longas e, potencialmente, taxas de divisão maiores também. Existem basicamente duas formas de fazer sistemas GPON de alcance estendido. A primeira é aumentar o orçamento de potência óptica (optical power budget) através da introdução de amplificadores ópticos no OLT ou em algum lugar ao longo do enlace de fibra (técnica denominada mid-span extensions). Isto permite distâncias de até 60 km, que é o limite de alcance lógico do GPON [1]. O trabalho está atualmente em curso na FSAN / ITU-T G.984.re, com o objetivo de padronizar o uso de amplificadores ópticos ou alternativamente opto-elétricos para estender o alcance do GPON. Para contornar o limite de 60 km, outro método chamado RPT (Remote Protocol Termination, ou protocolo remoto terminal) pode ser usado. A idéia básica do RPT é estender o backplane de um OLT com um enlace óptico do tipo 10 Gigabit Ethernet até a parte GPON do OLT. Dessa forma, distâncias de até 100 km podem ser alcançadas. Os benefícios do RPT são consideráveis: O alcance estendido não é limitado logicamente pelo protocolo GPON, ou seja, existe uma dissociação 13

14 entre o alcance e o atraso. Tecnologias convencionais de transporte óptico, tais como o WDM e os amplificadores ópticos, podem ser usadas para reduzir o número de fibras na rede. O uplink e o RPT são flexíveis em termos de serviços e protocolos futuros. A proteção de uplink é simples: mecanismos de proteção da Ethernet bem conhecidos podem ser usado, tais como o LAG (Link Aggregation) ou RSTP (Rapid Spanning Tree). Gerenciamento simplificado do RPT: uma vez que é uma extensão do backplane do OLT, o RPT é basicamente gerenciado como um cartão de GPON no OLT. 14

15 Serviços Banda Larga: Considerações Finais Da mesma forma que a redes de acesso de fibra estão ganhando importância no mundo todo, o GPON destaca-se como a tecnologia de maior crescimento. Isto se deve, em parte, ao seu suporte para uma vasta gama de arquiteturas e aplicações. Essas arquiteturas incluem o FTTH, tanto para serviços residências como corporativos, bem como fazem uso de diversas tecnologias existentes, principalmente o VDSL2 para FTTC e também as de banda larga móvel. Tal como foi demonstrado neste tutorial, a ampla gama de soluções GPON vão de encontro aos desafios que as operadoras estão enfrentando atualmente. A característica ponto-multiponto do GPON, quando 32 ou mais usuários compartilham uma fibra, permite que o site central e a rede tronco utilizem cabos de fibra menores. Especialmente quando os dutos da rede tronco e o espaço no site central não permitem grande número de fibras e cabos, este pode ser um requisito decisivo. Olhando para o futuro, os sistemas GPON podem ser melhorados de várias maneiras: Referências Para garantir a longevidade dos sistemas GPON implantados atualmente, a próxima geração de sistemas GPON está evoluindo na sua padronização, e os sistemas 10G GPON estão atualmente em desenvolvimento (quatro vezes a capacidade dos atuais sistemas GPON). A principal estratégia para os sistemas 10G GPON é o uso de componentes de baixo custo, ao mesmo tempo em que oferece uma migração suave a partir do GPON usando um overlay 10G GPON na mesma infra-estrutura de fibra. Os sistemas WDM-PON devem ser a solução preferida de longo prazo para os acessos em fibra. Os elementos essenciais para os sistemas WDM-PON são o desenvolvimento de componentes ópticos integrados de baixo custo e a migração bem planejada a partir dos sistemas GPON atuais. Finalmente, com sistemas GPON de alcance estendido, as operadoras podem reduzir o número de sites utilizados. Isso pode levar a uma grande economia de despesas operacionais (OPEX). Várias tecnologias de alcance estendido são permitidas nas normas, o que pode elevar as distâncias para até 60 km. Para distâncias maiores, o conceito do protocolo remoto do terminal oferece uma solução que permite superar os 100 km de distância entre o site central e o usuário final ITU-T Recommendations G IEEE Ethernet First Mile Standards 802.3ah-2004, included in ITU-T Recommendations G.983. Heavy Reading: FTTH Worldwide Technology Update & Market Forecast, Vol. 6, No. 1, February Infonetics Research: PON and FTTH Equipment and Subscribers, March White paper: Full service broadband architecture, June White paper: Full service broadband metro architecture, November

16 Serviços Banda Larga: Teste seu Entendimento 1. Qual das alternativas abaixo representa um dos elementos que compõem um sistema GPON? Terminal de Linha Óptica (Optical Line Terminal OLT). Terminal de Rede Óptica (Optical Network Terminal ONT). Unidade de Rede Óptica (Optical Network Unit ONU). Todos os anteriores. 2. Qual das alternativas abaixo não representa um exemplo de aplicação das redes GPON? Como Backhaul para Serviços de Satélite. Para a oferta de Serviços Residenciais de Banda Larga. Para a oferta de Serviços Corporativos de Banda Larga. Como Backhaul para Serviços VSDL. Como Backhaul para Serviços Móveis. 3. Quais são os candidatos para o estágio de evolução 1 do GPON, o NG-PON1? XG-PON1 (10 Gbit/s downstream, 2,5 Gbit/s upstream), XG-PON2 (10 Gbit/s simétrico downstream e upstream) e DWDM-PON. XG-PON1 (10 Gbit/s simétrico downstream e upstream), XG-PON2 (10 Gbit/s downstream, 2,5 Gbit/s upstream) e WDM-PON. XG-PON1 (10 Gbit/s downstream, 2,5 Gbit/s upstream), XG-PON2 (10 Gbit/s simétrico downstream e upstream) e WDM-PON. XG-PON1 (10 Gbit/s downstream, 2,5 Gbit/s upstream), XG-PON2 (10 Gbit/s simétrico downstream e upstream) e CWDM-PON. 16