Redes de Telecomunicações Capítulo 7 Redes de Acesso

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1 Redes de Telecomunicações Capítulo 7 Redes de Acesso João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 303

2 Estrutura Geral da Rede de Acesso A rede local ou de acesso corresponde à componente da rede telefónica pública que liga a central local aos equipamentos de assinante (telefones, modems, etc.). Do repartidor de central local saem vários cabos de pares simétricos, sendo cada cabo constituído por centenas ou mesmo milhares de pares. Estes cabos são separados em feixes, e cada feixe vai alimentar uma determinada área de serviço. Cabo de pares simétricos Limite da área de serviço Central Local Grupos de casas As áreas de serviço podem ter diferentes dimensões, desde umas dezenas de quilómetros nas áreas urbanas até algumas centenas nas áreas rurais Interface de área de serviço Área de serviço João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 304

3 Estrutura Simplificada da Central Local Na central local pode-se identificar o repartidor principal, as interfaces de linha de assinante (ILA), os multiplexadores, e o comutador. Cabo de pares simétricos Repartidor principal Interface de linha de assinante Comutador Para desligar o telefone de um assinante basta remover o cordão existente no repartidor principal que liga o par simétrico à ILA Cordão 2 fios ILA ILA ILA 4 fios MUX/ DMUX O comutador faz a comutação com base em sinais TDM (2 Mb/s). Por isso é necessário agregar os sinais a 64 kb/s gerados pelas ILA através de um multiplexer. O repartidor principal funciona como terminação dos cabos de alimentação e faz a interligação entre os pares e a ILA. A ILA é usada para passar de dois para quatro fios e para fazer a conversão A/D e D/A, alimentar o telefone (-48 v), etc. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 305

4 Evolução da Rede de Acesso A rede de acesso convencional das redes telefónicas públicas era constituída por uma infra-estrutura de pares de fios de cobre entrelaçados (pares simétricos) que ligavam a central telefónica local ao telefone do assinante. Cabos de pares simétricos Cabo de alimentacão (centenas de pares) Cabo de distribuição (dezenas de pares) Central Telefónica Local Comutador RP RP: Repartidor principal ASR: Armário de subrepartição CD: Caixa de distribuição Sub-rede de alimentação ou transporte CD ASR CD CD ASR CD ASR CD CD Sub-rede de distribuição João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 306

5 Rede de acesso com concentração Na evolução da rede alguns armários de sub-repartição foram por unidades remotas com capacidade para realizar concentração. Os cabos de alimentação foram substituídos por fibra óptica ou então por ligações via rádio (fixed wireless access). MUX: multiplexador UR: Unidade remota CD: Caixa de distribuição Cabo de alimentacão (centenas de pares) Cabo de distribuição (dezenas de pares) CD UR ASR Central Telefónica Local Comutador MUX UR Fibra óptica UR Sub-rede de alimentação ou transporte CD CD CD CD CD Sub-rede de distribuição João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 307

6 Sub-rede de Transporte com SDH Na sub-rede de transporte a informação é multiplexada e transmitida em formato digital normalmente sobre fibra óptica. Como alternativa à topologia física em estrela da sub-rede de transporte pode-se usar uma topologia em anel fazendo uso da SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Sub-rede de transporte Sub-rede de distribuição Central local ADM ADM ADM ADM Fibra óptica de protecção ADM ADM Unidade remota UR Unidade óptica de rede ONU Unidade de terminação de rede NT Utilizador ADM ADM Fibra óptica de serviço Fibra óptica ONU Par simétrico NT Par de fibras de fibras de serviço UR ONU: Optical Network Unit NT: Network Termination Outra alteração de relevo consiste em introduzir também ligações ópticas em partes da rede de distribuição. Como soluções em fibra têm-se :FTTCab, FTTC, FTTB, FTTH, dependendo da distância entre a ONU e o assinante (NT). João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 308

7 Funcionamento das Unidades Remotas As unidades remotas podem funcionar em modo concentrado ou não concentrado. Modo não concentrado 1 2 N Unidade remota Mux/ Demux Trama N tempo Central Local Comutador Neste modo se se considerar como exemplo N=30, o número de timeslots disponíveis na trama TDM também é igual a 30. Modo concentrado K<N N/K 1 2 Unidade remota Concentrador Trama K tempo Central Local Comutador Como exemplo podem-se considerar 240 assinantes e 30 time-slots. Tem-se um factor de concentração de 8. Factor de concentração N Os time-slots são atribuídos de acordo com as necessidades Vai introduzir bloqueio João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 309

8 Acesso à Internet O acesso pode ser directo (utilizadores empresariais), ou indirecto (utilizadores domésticos). O acesso indirecto usa a rede telefónica para aceder ao ISP (Internet Service Provider). O acesso indirecto pode ser de banda estreita ou de banda larga. O acesso de banda estreita é feito através de modems que operam na banda da voz. O acesso de banda larga pode ser feito usando ADSL, ou outras soluções (ex: PON). ISP#1 ISP#2 Canal virtual permanente POP Rede telefónica (Comutação de circuitos) Modem na banda de voz Serviço telefónico ISP#n Rede de banda larga (ATM) POP#n Central local Par simétrico Acesso à Internet O utilizador liga-se ao POP (point of presence) da rede telefónica. Este por sua vez liga-se aos POP dos ISPs através de circuitos alugados, ou canais virtuais permanentes estabelecidos por uma rede ATM. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 310

9 Acesso de Banda Larga O acesso de banda larga baseado no ADSL faz uso da infra-estrutura de pares simétricos existente entre o assinante e a central. A ligação aos ISPs é feita normalmente usando o ATM, estando-se a evoluir para a Ethernet. Filtro Filtro Rede de circuitos Acesso à rede IP através da rede ATM Comutador local DSLAM Estação local Par simétrico Modem ADSL Instalações do cliente No acesso de banda larga a rede de acesso inclui para além do modem ADSL, os multiplexadores de acesso DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), situados no mesmo edifício onde se encontra a central local. Cada DSLAM interliga várias centenas de modems ADSL à rede IP através de uma rede de banda larga ATM Para ser possível continuar a usar o par simétrico para serviços de banda estreita, usa-se um filtro para separar a banda entre os 0-4 khz do resto da banda. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 311

10 Desagregação do Lacete Local A desagregação do lacete local descreve a obrigação do operador histórico de alugar a sua infra-estrutura de acesso a operadores alternativos. A desagregação pode ser completa ou parcial. Na desagregação completa o operador alternativo tem acesso completo ao par simétrico do operador histórico. Na desagregação parcial o operador alternativo têm só acesso à banda base, ou a um sinal com a banda base filtrada. Desagregação completa Operador histórico Operador alternativo Comutador local Filtro DSLAM DSLAM R P Estação do operador histórico Repartidor principal Par simétrico Par simétrico Filtro Modem xdsl Modem xdsl Instalações do cliente O operador alternativo instala no edíficio do operador histórico o seu comutador local e a sua DLSAM João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 312

11 Vantagens/Desvantagens da Desagregação O conceito de desagregação do lacete local foi criado dos Estados Unidos em meados da década de 90, de modo a aumentar a concorrência no sector das telecomunicações. A política de desagregação do lacete local pode dissuadir os operadores alternativos de investirem em novas tecnologias para a rede local, e também desmotiva o operador histórico de fazer grandes investimentos. Nova política definida pela FFC (Federal Communications Commission) nos Estados Unidos no último trimestre de ) Qualquer infra-estrutura de acesso baseada na FTTH criada de raiz não fica sujeita à obrigação de desagregação. 2) Em qualquer infra-estrutura de acesso FTTH que resulte da substituição da infraestrutura de cobre existente, somente a banda base destinada ao tráfego da voz terá de ser partilhada. Fiber-to-the-Home João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 313

12 Evolução da FTTH nos Estados Unidos Fonte: RVA LLC, MarketResearch & Consulting Decisão da FCC (Federal Communication Commission) de desregulamentar o acesso FTTH João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 314

13 Técnicas de Duplexagem Duplexagem por divisão na frequência (FDD) As direcções de transmissão são separada no domínio da frequência. Duplexagem por divisão no comprimento de onda (WDD) As direcções de transmissão são separadas no domínio do comprimento de onda. Duplexagem por divisão no tempo (TDD) As direcções de transmissão são separadas no domínio do tempo. Esta técnica também se designa por TCM (Time Compressed Multiplexing) Cancelamento de eco (EC) Separa os dois sentidos de transmissão usando um híbrido associado a um cancelador de ecos. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 315

14 FDD e WDD Na duplexagem por divisão na frequência ou FDD (Frequency Divison Duplexing) A comunicação nos dois sentidos é feita em bandas diferentes. Banda de guarda Comunicação no sentido ascende Comunicação no sentido descendente f 1 Frequência Na duplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDD (Wavelength Division Duplexing) a comunicação bidireccional sobre fibra óptica é garantida usando comprimentos de onda diferentes nos dois sentidos. f 2 Fibra óptica Sentido descendente Sentido ascendente λ 1 λ 2 M U X D E M U X Usa-se nas aplicações de fibra óptiva no acesso, quer nas ligações ponto-a-ponto, quer nas ligações ponto-multiponto. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 316

15 Duplexagem por Divisão no Tempo Δt Bloco de N bits Duração do bloco de N bits Central Local (A) A B B A A B Δt=N/D b Assinante (B) A B B A ΔL Tempo de propagação na linha Δτ N/D b0 τ g Tempo Tempo de guarda Δτ= ΔL /v g D b Débito da sequência binária Assinante Transmissor Receptor Switch T/R Débito de transmissão no lacete D bo >2D b Lacete de assinante (2 fios) Switch T/R Central Local Transmissor Receptor Durante Δt é necessário garantir uma comunicação bidireccional Δt=2N/D b0 +2Δτ+2τ g João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 317

16 Duplexagem EC Na duplexagem por cancelamento de eco (EC) a comunicação é feita nos dois sentidos usando o mesmo meio de transmissão (usualmente par simétrico). A separação dos dois sentidos é feita no receptor usando um híbrido e um cancelador de ecos. y(t) Emissor Receptor Cancelador de ecos - rˆ ( t) + x(t) Híbrido ecos r(t) Lacete de assinante (2 fios) O cancelador de ecos é filtro adaptativo cujo objectivo é gerar uma réplica do eco ř(t), a qual vai ser subtraída do sinal z(t)= x(t)+r(t). No caso ideal em que a réplica é perfeita tem-se um cancelamento total do eco. O híbrido é um dispositivo que converte ligações de 2 fios em quatro fios. Como este dispositivo não é ideal vai originar ecos, que vão interferir com o sinal recebido. O par também pode originar ecos. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 318

17 Tecnologias x-dsl O x-dsl é uma designação genérica para um conjunto de tecnologias de acesso de banda larga que operam sobre o par simétrico (cobre) e são derivadas do lacete digital do assinante ou DSL (Digital Subscriber Line). IDSL ADSL ADSL2+ SHDSL DSL para aplicações em redes ISDN (RDIS). Suporta o acesso básico (2B+D) a 160 kbit/s e o acesso primário (30B+D) a Mbit/s. DSL assimétrico (Asymmetric DSL): Canal até 8 Mbit/s no sentido de cliente ou descendente (downstream) e até 800 kbit/s no sentido da rede ou ascendente (upstream). DSL assimétrico 2+(Asymmetric DSL 2+): Canal até 24 Mbit/s no sentido de descendente e até 1.5 Mbit/s no sentido ascendente. A largura de banda usada duplica em comparação com o ADSL, passando de 1.1 MHz, para 2.2 MHz. Symmetrical High Bit Rate DSL: Suporta débitos (simétricos) desde 192 kbit/s até 2.12 Mbits/s sobre 1 par simétrico, e desde 384 kbit/s até 4.62 Mbit/s sobre 2 pares. Não pode coexistir com o serviço telefónico. VDSL2 Very High Bit Rate DSL 2: Canal até 100 Mbit/s no sentido descendente e até 50 Mbit/s no sentido ascendente. Usa uma largura de banda até 30 MHz. DSL Bonding DSL Bonding: Agrega várias linha DSL para suportar débitos mais elevados. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 319

18 ADSL (Asymmetrical DSL) O ADSL é uma tecnologia que permite uma transmissão assimétrica. A duplexagem pode ser por divisão na frequência ou por cancelador de eco. FDD 6 Mb/s :descendente 640 kbit/s: ascendente EC 8 Mb/s :descendente 800 kbit/s: ascendente Espectro Voz (telefonia) Transmissão ascendente Transmissão descendente Espectro Voz (telefonia Transmissão ascendente Transmissão descendente Frequência (khz) Frequência (khz) Um sistema ADSL consiste em modems ADSL colocados em ambas as extremidades do par simétrico. A técnica de modulação mais usada é a modulação multi-tom discreto ou DMT (discrete multitone). João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 320

19 Very High-speed DSL (VDSL) O VDSL1 pode ser simétrico ou assimétrico. Assimétrico Simétrico Débito (Descendente) Débito (Ascendente) Alcance Débito (Descendente) Débito (Ascendente) Alcance 54 Mb/s 6.4 Mb/s 0.3 km 25 Mb/s 25 Mb/s 0.3 km 26 Mb/s 3.2 Mb/s 1 km 13 Mb/s 13 Mb/s 1 km 13 Mb/s 1.6 Mb/s 1.5 km 6.5 Mb/s 6.5 Mb/s 1.5 km Plano de frequências para o VDSL com duplexagem DDF O VDSL1 usa no percurso descendente uma banda que vai até 12 MHz. Por sua vez o VDSL2 usa uma banda com uma frequência máxima de 30 MHz, permitindo 100 Mb/s. O VDSL2 também substitui o ATM pela Ethernet (PCS:64/65). Espectro Voz (telefonia) Sentido ascendente Sentido descendente f 1 f 2 João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 321 RDIS Frequência (Hz)

20 x-dsl ( Largura de banda/distância) Déb (kbps) VDSL2 ADSL2+ ADSL Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio Dist (m) Note-se que o ADSL só permite débitos de 8 Mb/s até distâncias da ordem dos 3 km e o ADSL 2+ só permite 24 Mb/s para distâncias inferiores a km. Para distâncias superiores a 1.6 km, o ADSL2+ conduz a melhores resultados do que o VDSL2. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 322

21 Acesso em ADSL A separação dos sinais telefónicos e ADSL é feita usando um filtro tanto nas instalações de assinante como na central local. Central local (ATR-C) Rede telefónica Rede de Rede de agregação agregação Comutador telefónico DSLAM Par simétrico Splitter+filtro Splitter+filtro Modem PC Instalação de assinante (ATR-R) Acesso à rede IP, em ATM ou Ethernet Multiplexador de Acesso ADSL ATR-C (ADSL transceiver unit, central office ATR-R (ADSL transceiver unit, remote terminal Modem ADSL O tráfego proveniente de vários utilizadores é agregado através de um DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) o qual é usado para multiplexar os sinais provenientes de várias linhas DSL, num sinal de débito elevado. A rede de agregação corresponde a um novo nível de agregação. Tradicionalmente era baseada em comutadores ATM e em DSLAMs ATM (saídas STM-N). Está-se a evoluir para uma rede IP suportada em Ethernet. Neste caso usam-se DSLAMs IP com portos de saída em GbE ou 10 GbE. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 323

22 Diagrama dos Segmentos Funcionais CPE (Customer Premises Equipment): equipamento requerido nas instalações do utilizador. Ex: modem ADSL (ATU-R), router, etc. Uma das funções do CPE consiste em encapsular o tráfego IP para ser transportada através da rede ADSL. A maior parte das soluções de encapsulamento usa ATM. NSP (Network Serviçe Provider): responsável por oferecer serviços aos utilizadores domésticos e empresariais. Ex: Internet, VPN, VoD, IPTV, VoIP. NAP (Network access provider): deve garantir que o CPE permite aceder aos serviços que o NSP tem para oferecer. Inclui: DLAM, componente de agregação e rede de núcleo Elemento de rede de agregação Fonte: Alexandre Ribeiro, Redes de Acesso Siemens, 2007 João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 324

23 Funções e Tipos de DSLAM Os DSLAMs são responsáveis por ligar os utilizadores à NAP, incluem modems xdsl e realizam comutação de circuitos virtuais. Tradicionalmente a interligação dos DSLAMs à rede core era feita usando ATM, a qual por sua vez era baseada em switches ATM. Nos IP-DSLAM os circuitos virtuais são terminados, o tráfego IP é extraído, sendo este entregue a uma rede IP/MPLS. Os IP-DSLAM têm a vantagem de poderem fazer agregação de tráfego, eliminando a necessidade de se usarem elementos de rede de agregação. Os IP-DSLAM têm ainda a vantagem de poderem fazer multicast e deste modo têm um papel muito importante nas redes IPTV. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 325

24 Agregação ATM Nas soluções baseadas no ATM podem-se ter arquitecturas com circuitos virtuais (VC, virtual circuits) extremo-a-extremo, ou arquitecturas baseadas na agregação de VC. DSLAM VC extremo-a-extremo Switch ATM Agregação de VC Switch Agregador S. Mervana, C. Le, Design and Implementation of DSL-based Access Solutions, Cisco Press PVC: Permanent virtual circuits Na solução extremo-a-extremo faz-se uso de um PVC (ATM) para interligar um utilizador a um ISP. Este PVC é comutado por vários comutadores ATM antes de atingir o ISP. Na solução agregada vários PVC são agregados num dispositivo agregador em vez de serem simplesmente comutados. Reduz-se assim o numero de PVC que são terminados no ISP. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 326

25 Arquitectura Centralizada Fonte: Alexandre Ribeiro, Redes de Acesso Siemens/IST, 2007 João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 327

26 Arquitectura Distribuída IP-DSLAM: acumula as funcionalidades do DSLAM e do elemento de rede agregador Fonte: Alexandre Ribeiro, Redes de Acesso Siemens/IST, 2007 João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 328

27 Rede ADSL BRAS: Broadband Remote Access Server Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio 2008 João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 329

28 Convergência no Acesso (fonte: Maria Céu Azurara, Planeamento de Redes Fixas, PT/IST, 2007) Access Services and Technologies Metro/Aggregation/Edge and Core Networks POTS ISDN TDM ADSL/2/2+ SHDSL VDSL/2 Ethernet WiMAX GPON Access Gateway SDH PDH TDM ATM Ethernet IP WDM etc. etc. Interfaces para o antigo e para o novo mundo Migração ao ritmo desejado pelo SP (Service Provider) Garantia (pelo menos) da manutenção de serviços & receitas Consolidação de plataformas de Rede/Redução de OPEX João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 330

29 IP DSLAM Multiserviço Fonte: Nokia Siemens Networks João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 331

30 IP-DSLAM Surpass hix5625 Capacidade do equipamento 15 cartas ADSL2+ (72 portos) 15 72= cartas SHDL (48 portos) 15 48= cartas VDSL2 (24 portos) 15 24= 360 Carta ADSL2+ Uplinks 4 portos GbE ou 4 portos 100/1000 Base T Carta VDSL2 GbE (conector óptico) Interface óptica 100/1000 Base T (RJ45) Esta carta poderá ser duplicada se se usar protecção de carta João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 332

31 Evolução dos Débitos no Acesso 100 Mb/s 1 Gb/s Fonte: Heavy Reading ( The Race to the Home: FTTH Technology Option, NetEvents Hong Kong) A linha a azul representa a evolução do débitos do acessos sobre cobre usando: 1) modems, com débitos entre 1.2 kb/s (1990) e 56 kb/s (1996); 2) x-dsl, que permitiu evoluir os débitos até cerca de 2 Mb/s (2005). A linha a verde extrapola a taxa de crescimento histórica: um factor crescimento de 2.29 ao ano. A linha a vermelho admite uma aceleração do crescimento a partir de 2004, para um factor de 3 ao ano. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 333

32 Lei de Nielsen A lei de Nielsen prevê um crescimento na velocidade de acesso à Internet na terminação do utilizador de cerca de 50% ao ano Mbps Mbps Mbps Mbps Fonte: João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 334

33 Fibra Óptica: A Solução Dentro de 3 a 5 anos débitos de 100 Mb/s no acesso será algo trivial. Se as taxas de crescimento de tráfego se mantiveram serão de esperar, daqui a 10 anos, débitos no acesso de 1 Gb/s. As tecnologias x-dsl, especialmente ADSL, estão a atingir os limites: limitações de banda e assimetria. A solução está na generalização da utilização de fibra óptica na rede de acesso. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 335

34 Arquitecturas de Rede Ponto-a-ponto (P2P) Um porto OLT (conversão O/E+E/O) na central local por cada cliente. Ponto-Multiponto (P2MP) Um porto OLT na central por cada N clientes, com N tipicamente entre 8 e 64. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 336

35 Arquitecturas de Rede(II) P2P Central Local (OLT) P2MP ONU/ONT ONU/ONT ONU/ONT ONU/ONT A ONU/ONT é um dispositivo que termina a componente óptica do lado do cliente. As ligações ao equipamento deste é feita usando Ethernet sobre par simétrico, x-dsl, ou cabo coaxial. ONU: Optical Network Unit (designação IEEE) ONT: Optical Network Terminal (designação ITU-T ) Central Local (OLT) Fibra de alimentação Ponto de derivação O ponto de derivação pode ser activo ou passivo ONU/ONT ONU/ONT ONU/ONT ONU/ONT A OLT (Optical Line Terminal) proporciona uma interface entre a componente óptica da rede e a rede do operador. Pode incluir interfaces 1GbE, 10 GbE, STM-N (SDH). João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 337

36 Ponto-a-Ponto Duas fibras (Ex: IEEE 802.3z 1000BASE-LX) Uma fibra por cada direcção de transmissão (10 1 Gbps) Uma fibra (IEEE 802.3ah, 1000BASE-BX10-D e BX10-U) Fonte: Cisco SFP Optics forgigabit Ethernet Applications Norma Tx _lambda (nm) Rx_lambda (nm) Débito (linha) Distância (km) Potência Óptica Tx (dbm) 1000 Base-BX10-D Gbps 10-3 a Base-BX10-U Gbps 10-3 a -9 João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 338

37 Ponto-Multiponto Estrela Activa ( Ethernet Activa) O ponto de derivação é um nó activo, normalmente um switch Ethernet, que é usado para agregar tráfego proveniente de diferentes ONUs/ONTs: Ethernet comutada+ ponto-a-ponto. Estrela Passiva (PON) O ponto de derivação é passivo, ou seja é constituído por um splitter/combinador óptico passivo: Passive Optical Network (PON). João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 339

38 Soluções em Fibra (FTT-x) Na arquitectura FTTH (fibre to the home) a fibra óptica vai até às intalações do assinante, e deste modo a ONU realiza as funções da NT( Network Termination). Na arquitectura FTTC (Fibre To The Curb) ou FTTB (Fibre to the Building) cada ONU serve entre 10 a 100 casas, ou edifício ( <300 m do assinante). Neste caso há uma rede de distribuição adicional entre a ONU e a NT, em cobre (par simétrico, ou par coaxial) ou via rádio. A solução FTTCab ( Fibre To The Cabinet) a ONU está mais afastada do assinante (<1.5 km), requerendo também uma rede de distribuição adicional. Outra arquitectura alternativa, designada rede óptica passiva ou PON (Passive Optical Network), usa um repartidor óptico passivo para dividir o sinal proveniente da OLT por várias ONUs. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 340

39 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 é importante nas soluções FTTH/FTTB e 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 Redes de Telecomunicações (10/11) 341

40 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 Redes de Telecomunicações (10/11) 342

41 Redes Ópticas Passivas para FTT-x FTTEx FTTCab/N Concentrador (UR) Cobre FTTC FTTH/B NT ADSL ( < 6 km ) 8 Mbit/s@3 km Central Local ONU ONU ADSL2+ ( <1.5 km ) NT 24 Mbit/[email protected] km OLT ONU VDSL1 ( < 300 m ) NT FTTEx: Fibre-to-the-Exchange FTTCab/N: Fibre-to-the-Cabinet /Node FTTC: Fibre-to-the-Curb FTTB: Fibre-to-the-Building FTTH: Fibre-to-the-Home OLT: Optical Line Termination ONT: Optical Network Termination Fibra óptica 55 Mbit/[email protected] km 100 Mbit/[email protected] km VDSL2 ONT João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 343

42 Redes de fibra num prédio Detalhes da FTTH Caixa de terminação Fibra insensível a curvas Caixa de distribuição do andar Conector Cabo cabo vária dezenas de fibras Caixa de distribuição do prédio Fonte: Corning João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 344

43 Tipos de PONs Como todos os ONUs partilham a mesma fibra de alimentação e o mesmo porto na OLT, é necessário usar técnicas de acesso múltiplo para evitar colisões na comunicação clientecentral. TDM/PON: O acesso múltiplo opera no domínio do tempo (TDMA: Time Division Multiple Access), ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no mesmo instante. WDM/PON: O acesso múltiplo opera no domínio do comprimento de onda (WDMA: Wavelength Division Multiple Access), ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no mesmo comprimento de onda. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 345

44 PON vs P2P: dimensão das condutas Exemplo: rede FTTH com clientes (Fonte FT, Globecom 08) Solução GPON com 1:64: 3 cabos de alimentação, cada cabo com 144 fibras e com um diâmetro de 13.5 mm. Solução P2P: 28 cabos, cada cabo com 720 fibras e com um diâmetro de 25 mm. P2P Cabo de 13.5 mm PON A solução P2P requer uma conduta com uma área cerca de 20 vezes superior à PON Cabo de 25 mm Sempre que o espaço disponível nas condutas seja um bem escasso a solução a adoptar deverá ser a PON. Nos outros casos a P2P deverá ser tida em conta no projecto. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 346

45 Arquitectura TDM-PON A ligação descendente (OLT-ONU) é feita no comprimento de onda de 1490± 10 nm e a ascendente (ONU-OLT) no comprimento de onda de 1310 ±50 nm. OLT Laser Receptor 1490 nm 1310 nm Nó de repartição Repartidor/ combinador O comprimento de onda de 1.55 μm, também é usado para soluções de vídeo overlay, como seja por exemplo televisão em RF. 1310/1490 nm mux/demux Receptor Laser Receptor Laser Receptor Laser ONU 1 As ONUs operam ao débito de linha agregado ONU k A componente de rede entre a OLT e ONU designase ODN (Optical Distribution Network) ONU N Max de 10 ou 20 km As variantes da TDM-PON mais usadas são a GPON (Gigabit PON) e EPON (Ethernet PON). A primeira opera a um débito de linha agregado de 2.488/1.244 Gbps e a segunda a 1.25 /1.25 Gbps. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 347

46 Dimensionamento Físico da PON Estrutura de uma PON OLT Conectores La Balanço de potências Valor mínimo da potência média emitida Repartidor óptico passivo 1:N mim s r λa=1310 nm Ld s λd=1490 nm a max d ONU ONU ONU P P + M + α( L + L ) + A +ΔP( D L) + A A r = 10log10( N) + Ad log2 N Pr sensibilidade do receptor, Ms margem de funcionamento, A x perdas extra (conectores, duplexores, etc.), A r perdas de derivação, ΔP i ( D λ L) perdas devidas à dispersão, A d perdas de inserção dos acopladores r i (db) Na ONU e na OLT terão de se usar duplexores de comprimento de onda para agregar/separar os diferentes comprimentos de onda. λ x Valor máximo da potência média emitida max s P P M + αl + A + A sc sc a r x Psc potência de sobrecarga, M sc margem de funcionamento para a potência máxima João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 348

47 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 Redes de Telecomunicações (10/11) 349

48 Funções da OLT e ONU/ONT na EPON Como acontece na generalidade das PONs a OLT funciona como o controlador de rede. Todas a comunicações têm lugar entre a OLT e as ONUs, ou seja não há interacção directa entre as ONUs. Cada ONU é identificada pelo seu LLID (Logical Link Identifier). Funções da OLT: Processo de descoberta: Verifica se uma nova ONU se juntou ou abandonou a rede. Controlo de registo: Controla o registo das novas ONUs adicionadas à rede. Gestão de banda: Atribui a cada ONU uma banda apropriada no canal ascendente. Processo de alinhamento (ranging) e sincronismo: Calcula o atraso temporal entre a OLT e cada ONU; gera mensagens de sincronismo (time-stamped) de modo a garantir que as ONUs e a OLT tenham uma referência temporal comum. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 350

49 Arquitectura da EPON (P2MP) A principal diferença entre a EPON e a Ethernet P2P é a presença da sub-camada MPMC. Esta sub-camada é responsável por executar um protocolo de acesso múltiplo que regula o acesso das diferentes ONUs ao canal ascendente. A sub-camada PCS é responsável pela codificação 8B10B, como no caso da GbE. Isto implica que embora à EPON corresponda um fluxo de informação bidireccional a 1 Gbit/s, a transmissão é feita no meio óptico a um débito de símbolo de 1.25 Gbaud/s. Como opção, esta sub-camada também pode implementar um código do blocos RS(255,239). A sub-camada PMA é responsável por converter um fluxo de bits paralelo proveniente da sub-camada PCS num fluxo série. A sub-camada PMD é responsável por definir as características ópticas do transceptor e pela ligação à fibra através do MDI. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 351

50 Formato da Trama (IEEE 802.3) A estrutura da trama EPON é idêntica à da Ethernet (IEEE 802.3),com excepção do campos preâmbulo/sfd octetos Preâmbulo S F D Endereço de destino Endereço de fonte Compri mento / Tipo Dados+ Enchimento (Pad) FCS 0x bytes 8 bytes SLD 1 byte 0x bytes Modo 1 bit LLID 2 bytes ID 15 bits CRC 1 byte O primeiro bit do campo LLID (Logical Link Indentifier) é um bit que indica o modo como o tráfego é enviado: difusão (1) ou unicast (0). No processo de difusão a mesma trama é enviada para todas as ONUs. Os 15 bits restantes são capazes de suportar diferentes ONUs lógicas. A trama começa com o SLD (Start LLID delimiter), que é delimitado de ambos os lados por 2 bytes com um padrão fixo. Segue-se o LLID e um campo CRC para proteger os campos SLD e LLID. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 352

51 Protocolo MPCP O protocolo MPCP (Multipoint Control Protocol) é usado pela EPON para regular o fluxo de tráfego e foi desenvolvido pelo grupo IEEE802.3ah. Usa dois tipos de mensagens REPORT/GRANT. O MPCP é responsável por funções tais como auto-descoberta, registo de ONUs, alinhamento para as novas ONUs adicionadas à rede. O MPCP proporciona ainda um plano de controlo para coordenar a transmissão ascendente, o qual fiscaliza a ocupação das filas de espera nas ONUs e atribui largura de banda para transmissão ascendente a cada ONU em função dessa ocupação. A atribuição da banda é feita usando um algoritmo DBA (Dynamic Bandwidth Assigmnent), o qual usa as mensagens GATE (GRANT) e REPORT. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 353

52 Operação da EPON (descendente) No sentido descendente as tramas Ethernet transmitidas pelo OLT passam através de um repartidor (splitter) 1:N e chegam a cada ONU. Todas as tramas são difundidas pela OLT para todas as ONUs, as quais extraiam as tramas que lhe são destinadas com base na etiqueta LLID. Note-se que a LLID só está presente dentro de EPON. Antes de enviar as tramas para o cliente a LLID é eliminada pela ONU. 0& LLID=3 0& LLID=1 Laser OLT ONU 2 Trama Ethernet Repartidor (Splitter) Óptico ONU 1 ONU Cada ONU extrai a trama que lhe é destinada usando a etiqueta LLID, e rejeita todas as outras tramas recebidas. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 354

53 Operação da EPON (Ascendente) No sentido ascendente há o problema da contenção. Duas tramas que cheguem simultaneamente ao OLT colidem. Para ultrapassar esse problema usa-se o protocolo MPCP. Para sincronizar as diferentes ONUs o protocolo MPCP baseia-se num esquema TDMA (Time Division Multiple Access). Assim, a cada ONU é alocado um time-slot, com capacidade para transportar várias tramas Ethernet. Laser Os esquemas de alocação de time-slots podem ser estáticos ou dinâmicos. Neste último caso a dimensão do time-slot é ajustada em função da fila de espera na ONU. ONU OLT ONU 2 0& LLID=1 0& LLID=2 Time-slot Combinador Todas as tramas enviadas por uma ONU devem ser etiquetadas com o seu próprio LLID ONU 3 Trama Ethernet João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) Cada ONU armazena em memória as tramas recebidas dos utilizadores até que o seu time-slot chegue. Nesta altura envia todas as tramas armazenadas em rajada, à velocidada máxima do canal. Se não houver tramas em número suficiente para encher um time-slot são enviados caracteres de 10 bit sem informação.

54 Algoritmo DBA O conjunto dos N time-slots correspondentes aos N ONUs designa-se por ciclo. A duração de um ciclo é denominada por T. A duração de cada timeslot (janela de transmissão) é variável, sendo atribuída pelo DBA em função da ocupação das filas de espera da ONU. Os time-slots estão organizados sequencialmente, com um intervalo de guarda de modo a evitar colisões na OLT devido a flutuações no RTT (round-trip time). Este é dado por 2d/v, onde d é a distância entre a OLT e a ONU e v é a velocidade de propagação na fibra. Este tempo é calculado pela OLT através das mensagens Report/Grant (Gate). Fonte: João Santos, TFC, IST, 2006 A cada ONU é atribuída uma janela de transmissão máxima de W i, max (em bytes). O tempo de ciclo máximo, correspondente a N ONUs, é dado por T max = N i= 1 8 Wi τ g + D,max João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 356 Na figura uma OLT atribui permissão Gate a uma ONU logo após a recepção do seu Report. No ciclo seguinte essa ONU já vai transmitir na janela de transmissão atribuída pela OLT. τ g : intervalo de guarda (segundos), D: Débito binário na linha

55 Serviços e Arquitectura da GPON A OLT serve como interface entre a PON e a rede do operador e suporta diferentes tipos de tráfego, tais como: IP sobre Fast, Gibabit, ou 10 Gbit Ethernet: TDM sobre interfaces SDH; ATM UNI entre Mb/s. Por sua vez a ONT termina a PON e apresenta diferentes interfaces para o utilizador que suportam voz (POTS), VoIP, Ethernet, etc. A arquitectura da GPON é a seguinte: Cliente ATM Cliente TDM Cliente GEM Transmission convergence (TC) adaptation sub-layer GPON TC framing sub-layer GPON physical media dependent (PMD) layer Transmission convergence (TC) layer Qualquer tipo de tráfego dos clientes que não seja ATM ou TDM ( ex: Ethernet, IP, etc) é encapsulado em tramas GEM (GPON encapsulation method). Estas tramas têm comprimento variável e permitem transportar no máximo 1500 bytes de carga. Se houver necessidade de transportar pacotes de maior dimensão é necessário recorrer a fragmentação. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 357

56 Orçamento de Potência Orçamento de potência para a GPON (descendente, 1490 nm) considerando componentes de Classes B Perdas dos componentes Saída/sensibilidade /perdas Margem de potência (db) OLT (saída do laser) +7.0 dbm ONT (sensibilidade do receptor) - 21 dbm Atenuação máxima permitida 28.0 db Perdas nos duplexores WDM (2 1.5 db) db 25.0 db Perdas no splitter (1:32) db 8.5 db Perdas na fibra (0.25 db/km 20 km) Conectores ( db) db -1.0dB 3.5 db 2.5 db Margem do sistema Notas: 1) Para o orçamento ascendente é necessário adicionar a penalidade associada ao facto do receptor operar em burst mode (tipicamente 1 db). 2) Se se usasse um splitter 1: 64 a atenuação por ele introduzida seria igual a db (log log 2 64 ). A margem do sistema anterior não seria suficiente para compensar a atenuação adicional ( 3.4 db). Para suportar este factor de derivação seria então necessário usar óptica de classe C. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 358

57 GPON vs EPON Norma Débito de linha descendente Débito de linha ascendente Derivação máxima Máximo alcance Atenuação máxima Eficiência média (ε) Tráfego suportado Débito médio por ONU GPON ITU-T G , 2448 Mb/s 155, 622, 1244, 2448 Mb/s 1:64 10/20 km 20/25/30 db (Classe A, B, C) 93% Ethernet, ATM, TDM 70 1:32 (ε=92%) EPON IEEE 802.3ah 1250 Mb/s (1 Gb/s Eth ) 1250 Mb/s (1 Gb/s Eth) 1:32 ; 1:16 (típica) 10/20 km 20/24 db (10, 20 km) 65-70% Ethernet 45 1:16 (ε=72%) A eficiência refere-se à fracção do débito usada para transporte de dados. A menor eficiência da EPON resulta de tempos de guarda maiores e um maior cabeçalho dedicada para correcção de erros e outras funções (8B/10B). No cálculo do débito médio considerou-se um utilização completa e sem bloqueio da PON. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 359

58 Notas sobre XG-PON (10G-PON) Espera-se que a norma esteja pronta no fim de O débito descendente é cerca de 10 Gb/s, enquanto o débito ascendente é de 2.5 Gb/s para a XG-PON1 (ou 10 Gb/s futuramente: XG-PON2). Deve haver compatibilidade com a G-PON e E-PON. Para garantir essa compatibilidade pode-se ter o seguinte plano de lambdas: XG-PON G-PON G-PON Video- RF XG-PON A atenuação máxima suportada estará situada entre 28.5 e 31 db, para BER= Lambda (nm) João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 360

59 10 GPON em Portugal Fonte: Diário Económico João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 361

60 Soluções WDM-PON Nas PON baseadas em WDM (Wavelength Division Multiplexing) a cada ONU é atribuído um comprimento de onda (lambda). Tal como no caso do P2P cada ONU opera ao débito binário individual (e não agregado) e a privacidade da ligação está garantida sem necessidade de encriptação, como acontece na TDM-PON. As redes WDM-PON baseiam-se quer no DWDM (Dense-WDM), quer no CWDM (Coarse-WDM). As soluções DWDM operam na janela de 1550 nm e as principais variantes são: 1) broadcast & select; 2) wavelength routing João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 362

61 Arquitectura DWDM-PON:broadcast & select Na arquitectura broadcast & select a banda de lambdas usada é difundida para todas as ONUs, para posteriormente cada ONU seleccionar o seu lambda próprio usando um filtro óptico. OLT Nó de repartição λ 1, λ 2,... λ N, λ N+1 Filtro Receptor Laser ONU 1 Matriz de Lasers Matriz de Receptores λ 1, λ 2,...,λ N λ N+1, λ N+2..,λ 2N Repartidor/ combinador λ 1, λ 2,... λ N, Receptor Laser ONU k λ N+k A electrónica de cada ONU opera ao débito individual da ONU λ 1, λ 2,... λ N, Receptor Laser ONU N λ 2N No sentido ascendente cada ONU emite no seu comprimento de onda próprio, as quais são combinadas passivamente no nó de repartição. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 363

62 Arquitectura DWDM-PON:wavelength routing O derivador óptico é substituído por um encaminhador óptico tipo AWG (Arrayed Waveguide Grating). OLT Nó de repartição λ 1 λ N+1 Splitter Receptor Laser ONU 1 Matriz de Lasers Matriz de Receptores λ 1, λ 2,...,λ N λ N+1, λ N+2..,λ 2N AWG Repartidor/ combinador combinador λ k λ N+k Receptor Laser ONU k Permite suportar mais de 80 lambdas o que corresponde a mais de 40 ONUs, com débitos individuais por ONU até 10 Gb/s λ N, λ 2N Receptor Laser ONU N O encaminhador envia os diferentes comprimentos de onda para os diferentes ONUs. A utilização do AWG vai eliminar as perdas de derivação da solução broadcast & select. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 364

63 CWDM-PON Usa componentes de baixo custo com os lambdas espaçados de 20 nm. Na segunda e terceira janela ( nm) só são suportados 16 canais, ou seja 8 ONUs Exemplo de uma rede CWDM (Coarse-WDM) com 4 lambdas por cada direcção e 10 Gb/s por canal (Fonte: T. Shih et al., A 40 Gb/s bidirectional CWDM- PON..., OECC08) 1510 nm 1530 nm 1550 nm 1570 nm 1290 nm 1310 nm 1330 nm 1350 nm CWDM MUX CWDM MUX OLT 15xx nm WDM 13xx nm 10 km, 40 Gb/s Mulriplexer de 13xx /15XX WDM CWDM MUX CWDM MUX Ponto de repartição WDM WDM WDM WDM WDM WDM WDM WDM ONU 1510 nm 1290 nm 1530 nm 1310 nm 1550 nm 1330 nm 1570 nm 1350 nm João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 365

64 Prós WDM-PON: Prós e Contras Suporta todos os serviços (Ethernet, TDM, ATM, etc.) de modo transparente. Suporta débitos por ONU muito elevados (até 10 Gb/s). Contras Requer um número elevado de interfaces ópticas na OLT (16 no caso do CWDM-PON, e várias dezenas no caso da DWDM-PON). Requer interfaces ópticas coloridas na ONU, já que cada ONU processa lambdas diferentes ( problema CAPEX/OPEX). A variante DWDM requer lasers DFB muito estáveis devido ao espaçamento entre canais ser reduzido e por isso muito caros. João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 366

65 WDM-PON: Cenários de Aplicação A variante DWDM conduz a soluções muito caras, não compatíveis com os requisitos de baixo custo da rede de acesso. A variante CWDM conduz a redes de dimensões reduzidas e por isso de fraco interesse prático. A WDM-PON não se afigura como alternativa viável, pelo menos a curto prazo, para aplicações de acesso óptico domésticas. As redes híbridas metro-acesso são o cenário de aplicação mais apropriado para as soluções WDM João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 367

66 Mercado FTTH/B por tecnologia (previsão 2011) FTTH Market by Technology, Dec 2011 A tecnologia EPON será dominante nos países asiáticos. 26% 23% A tecnologia GPON será dominante nos EU e Europa. 1% GPON EPON Other PON Active 50% Fonte: Heavy Reading report, FTTH Worldwide Market & Technology Forecast, , June 2006 João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 368

67 Utilizadores por Tecnologia de Banda Larga (Mundial) Fonte: H. Kogelnick, Perspectives on Optical Communications, OFC 2008 João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 369

68 FTTH/FTTB Panorama Internacional (2010) João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 370

69 Implementações FTTH/B na Europa (2009) João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 371