UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA REDE DE ACESSO FTTX Área de Comunicações Ópticas por Renato Pinto de Souza Jorge Salomão Pereira, Mestre Orientador Campinas (SP), dezembro de 2006
UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA REDE DE ACESSO FTTX Área de Comunicações Ópticas por Renato Pinto de Souza Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação. Orientador: Jorge Salomão Pereira, Mestre Campinas (SP), dezembro de 2006 i
SUMÁRIO LISTA DE ABREVIATURAS... iv LISTA DE FIGURAS... vi LISTA DE TABELAS...vii LISTA DE EQUAÇÕES...viii RESUMO... ix ABSTRACT... x 1. INTRODUÇÃO... 1 1.1. HISTÓRICO... 1 1.2. APLICAÇÕES VISÃO GERAL... 1 1.3. OBJETIVO DO TRABALHO... 2 1.4. METODOLOGIA... 3 1.5. ESTRUTURA DO TRABALHO... 3 2. REDE DE ACESSO FTTX... 4 2.1. COMUNICAÇÕES ÓPTICAS... 4 2.1.1. Fibras Ópticas... 5 2.1.2. Características de propagação... 7 2.2. REDES ÓPTICAS... 12 2.3. REDE DE ACESSO... 14 2.4. EVOLUÇÃO DA REDE ÓPTICA COMO REDE DE ACESSO... 15 2.5. REDE ÓPTICA PASSIVA... 17 2.6. ARQUITETURA FTTX... 18 2.7. RECOMENDAÇÃO PON... 19 2.8. TIPOS DE PON... 20 2.8.1. ATM-PON... 20 2.8.2. GIGABIT-PON... 22 ii
2.8.3. Ethernet-PON... 24 2.8.4. Avaliação das Tecnologias APON, GPON e EPON... 26 3. DIMENSIONAMENTO DA REDE PON... 30 3.1. SISTEMA LIMITADO POR ATENUAÇÃO... 30 3.1.1. Potência média na transmissão (P Tx )... 31 3.1.2. Sensibilidade na recepção (P Rx )... 31 3.1.3. Perda na fibra óptica (α FIBRA )... 31 3.1.4. Perda total nas emendas (α EMENDAS )... 32 3.1.5. Perda total nos conectores (α CONECT )... 33 3.1.6. Perda total nos divisores ópticos (α SPLITTER )... 33 3.1.7. Margem... 34 3.2. SISTEMA LIMITADO POR DISPERSÃO... 34 3.3. EXEMPLO 1: CÁLCULO DO LIMITE DE DISPERSÃO... 35 3.4. EXEMPLO 2: CÁLCULO DO LIMITE DE ATENUAÇÃO... 37 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS... 39 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 40 iii
LISTA DE ABREVIATURAS ADSL APON ATM BER BPON BT CATV DBA DS DT EM FSAN FTTB FTTC FTTCab FTTH GFP GPON IEEE IP ITU KPN LAN MAC MAN MPCP NRZ NTT NZD OAM&P Asymmetrical Digital Subscriber Line ATM Passive Optival Network Asynchronous Transfer Mode Bit Error Rate Broadband Passive Optival Network British Telecom Cable TV Dynamic Bandwidth Allocation Dispersion Shifted Deutshe Telekom Encapsulation Method Full Service Access Network Fiber-to-the-Business Fiber-to-the-Curb Fiber-to-the-Cabnet Fiber-to-the-Home Generic Framing Procedure Gigabit Passive Optival Network Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol International Telecommunication Union Dutch Telecom Local Area Network Medium Access Control Metropolitan Area Network Multi-Point Control Protocol Non Return to Zero Nippon Telegraph and Telephone Non Zero Dispersion Operation, Administration, Maintenance and Provisioning iv
OLT ONT ONU OPAL OSI PLOAM PMD PON POTS QoS RDSI SDH SLA TC TCC TDMA TPON USF VoD WDM Optical Line Terminal Optical Network Terminal Optical Network Unit Optical Passive Access Line Open Systems Interconnection Physical Layer Operation, Administration and Maintenance Physical Media Dependent Passive Optival Network Plain Old Telephone Service Qualidade de Servico Rede Digital de Servicos Integrados Synchronous Digital Hierarchy Service-Level Agreement Transmission Convergence Trabalho de Conclusão de Curso Time Division Multiple Access Telephony over Passive Optival Network Universidade São Francisco Vídeo on Demand Wavelength Division Multiplexing v
LISTA DE FIGURAS Figura 1. Estrutura básica da fibra óptica...5 Figura 2. Ilustracão da Lei de Snell...6 Figura 3. Fibra óptica de perfil de índice de degrau...7 Figura 4. Curva de Atenuação em função do comprimento de Onda...8 Figura 5. Fibra óptica de perfil de índice gradual...9 Figura 6. Curva da Dispersão para a fibra Convencional (G.652)...11 Figura 7. Curva da Dispersão para a fibra de Dispersão Deslocada (G.653)...12 Figura 8. Curva da Dispersão para a fibra de Dispersão Deslocada Não Nula (G.655)...12 Figura 9. Arquitetura geral de um sistems de comunicacões ópticas...13 Figura 10. Aplicacões Típicas e respectivas taxas de transmissão...14 Figura 11. Fibra óptica dedicada...15 Figura 12. Rede óptica comutada...16 Figura 13. Rede óptica passiva...16 Figura 14. Esquemático de uma rede óptica passiva...17 Figura 15. Arquitetura FTTx...18 Figura 16. Quadro ATM no sentido downstream...20 Figura 17. Quadro ATM no sentido upstream...20 Figura 18. Operacão nas células APON...21 Figura 19. Modelo de rede GPON...22 Figura 20. Quadro GPON no sentido downstream...23 Figura 21. Quadro GPON no sentido upstream...23 Figura 22. Formato do quadro EPON...24 Figura 23. Fluxo do quadro EPON no sentido downstream...25 Figura 24. Fluxo do quadro EPON no sentido upstream...25 Figura 25. Sinal óptico recebido no OLT...26 Figura 26. Comparativos de custos entre ATM e Ethernet...28 Figura 27. Modelo de PON...30 Figura 28. Quantidade de derivações (N) em função do limite de atenuação (L)...38 vi
LISTA DE TABELAS Tabela 1. Vantagens e desvantagens dos sistemas de comunicacão óptica...4 Tabela 2. Coeficientes de atenuacão por comprimento de onda...8 Tabela 3. Recomendacões G.652, G.653 e G.655...11 Tabela 4. Coeficientes de dispersão das fibras G.652, G.653 e G.655...11 Tabela 5. Taxas de transmissão em funcão da distância até o usuário da ADSL...14 Tabela 6. Recomendacões G.983 e G.984...19 Tabela 7. Características das redes PON...27 vii
LISTA DE EQUAÇÕES Equação 1...4 Equação 2...6 Equação 3...7 Equação 4...30 Equação 5...31 Equação 6...32 Equação 7...32 Equação 8...33 Equação 9...33 Equação 10...34 Equação 11...34 Equação 12...34 viii
RESUMO SOUZA, Renato Pinto de. Rede de Acesso FTTx. Campinas, 2006. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, 2006. As redes de acesso FTTx utilizam o conceito de Rede Óptica Passiva (Passive Optical Network PON) para oferecer serviços simultâneos de voz, dados e vídeo aos diversos usuários e mercados. Com o mérito de reduzir custos na construção, manutenção e gerenciamento das redes de acesso, as redes ópticas passivas estendem a largura de banda sem a necessidade do aumento de componentes ópticos ativos na rede. Neste contexto, este trabalho define as Redes Ópticas Passivas, seu funcionamento, suas evoluções e apresenta uma ferramenta simples de dimensionamento das redes PON. Palavras-chave: Rede de acesso. Rede óptica passiva. GPON. ix
ABSTRACT The FTTx access networks use the concept of Passive Optical Network (PON) to offer simultaneous services of voice, data and video to the diverse users and markets. With the merit to reduce costs in the construction, maintenance and management of the access networks, the passive optical network extend the bandwidth without the necessity of the increase of active optic components in the network. In this context, this work defines the Passive Optical Network, its functioning, its evolutions and presents a simple tool of sizing of networks PON. Keywords: Access network. Passive optical network. GPON. x
1. INTRODUÇÃO 1.1. HISTÓRICO As redes ópticas passivas foram desenvolvidas nas duas últimas décadas do século XX, quando várias empresas de telecomunicações montaram e testaram redes PON em diversas partes do mundo [1]: a) British Telecom (BT) na Inglaterra, em 1986, desenvolveu a Telephony over PON (TPON), destinada à transmissão residencial de banda estreita, e a Broadband PON (BPON), destinada à transmissão de banda larga para empresas [1]; b) Deutshe Telekom (DT) na Alemanha, em 1991, desenvolveu o projeto Optical Passive Access Line (OPAL), destinado aos clientes residenciais e empresariais no sistema PON [1]; c) Alcatel na Antuérpia, no início de 1990, implantou uma Asynchronous Transfer Mode PON (ATM-PON) [1]; d) Dutch Telecom (KPN) na Holanda, no ano de 1990, realizou pequenos testes comerciais [1]; e) Nippon Telegraph and Telephone (NTT) no Japão, em 1996, realizou teste em um sistema proprietário BPON [1]; f) Bellsouth na América do Norte, em 1999, implantou o primeiro sistema Fiber-to-the-Home (FTTH BPON) [1]. Nestas redes foram fornecidos vários serviços simultâneos de voz, dados e vídeo: Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL), Plain Old Telephone Service (POTS), Video-ondemand (VoD), Cable TV (CATV), serviços de Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI), etc. 1.2. APLICAÇÕES VISÃO GERAL As operadoras de telecomunicações necessitam atender os novos cenários que se formaram após o aumento significativo do número de usuários de banda larga. O mercado atual não se satisfaz somente com o fornecimento de voz ou de dados. É necessário agregar novos serviços, como por exemplo, o triple play, que oferece aos clientes telefone, internet em banda larga e TV por assinatura em um único canal. 1
Porém, as tecnologias atualmente utilizadas pelas operadoras não atendem esta necessidade. A tecnologia Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL), a mais utilizada nas redes de acesso no Brasil, não está provendo para as operadoras este mix de serviços que os clientes necessitam, além de não oferecer uma relação custo benefício atraente para os serviços de banda larga. Outro fator que onera a utilização destas tecnologias é o custo para a implementação de uma planta em cobre, que, atualmente, é idêntico ao de uma planta em fibra óptica. Isto aumenta o uso de fibra nas redes de acesso em detrimento do cobre, trazendo a PON como uma tecnologia alternativa. Dentro destes novos cenários destacam-se dois segmentos: o mercado residencial e o mercado corporativo. O mercado de banda larga residencial precisa de modelos viáveis para oferecer serviços de vídeo, dados e voz, o que também está acelerando o emprego de fibra via PON. Os serviços corporativos que despontam no momento como Storage (Armazenamento de dados em rede com contingência e segurança) ou Back-up (Armazenamento de dados em servidores gerenciados), põem em cheque a capacidade limitada dos circuitos E1 (2 Mbps), porém ainda não demandam capacidades hoje disponibilizadas por sistemas Synchronous Digital Hierarchy (SDH 2,5 Gbps). Neste caso, a PON aparece como uma tecnologia intermediária entre os circuitos E1 e os sistemas SDH. Como solução, este trabalho apresenta a rede óptica passiva como uma tecnologia viável a ser utilizada pelas operadoras de telecomunicações para atender as necessidades do mercado, ou seja, para atender os novos cenários do mercado de telecomunicações. 1.3. OBJETIVO DO TRABALHO O objetivo é desenvolver uma ferramenta para dimensionamento de uma rede PON, sendo necessário estudar os seguintes tópicos: Os conceitos básicos de uma PON; A estrutura e os principais componentes de uma PON; As aplicações e os principais tipos de PON; O modelo de uma PON limitada pela atenuação e dispersão. 2
1.4. METODOLOGIA O trabalho foi desenvolvido em três fases. A primeira fase consiste na realização de pesquisas bibliográficas e análise de documentos e artigos sobre a tecnologia PON e sobre as arquiteturas de rede FTTx. A segunda fase consiste no estudo das referências bibliográficas pesquisadas e na consolidação dos dados em uma monografia. A terceira e última fase, consiste na elaboração de uma ferramenta de dimensionamento de uma PON, apresentada como um projeto. 1.5. ESTRUTURA DO TRABALHO O trabalho está estruturado em quatro capítulos. O primeiro capítulo é a introdução, onde se encontram um histórico do desenvolvimento da rede óptica passiva, além do objetivo, da metodologia e da estrutura de apresentação deste documento. O segundo capítulo, Rede de Acesso FTTx, consolida os conceitos obtidos da pesquisa bibliográfica sobre as redes PON. Ainda neste capítulo, são apresentados os tipos de PON e os novos cenários do mercado de telecomunicações. O terceiro capítulo, Dimensionamento da Rede PON, apresenta uma ferramenta para dimensionamento de uma rede PON ou uma rede GPON limitada por atenuação e por dispersão. O quarto capítulo contém as considerações finais do trabalho. 3
2. REDE DE ACESSO FTTX 2.1. COMUNICAÇÕES ÓPTICAS Um sistema de comunicação óptica utiliza a fibra óptica como meio de transmissão, cuja principal característica é a alta capacidade de transmissão. A equação de Shannon fornece a capacidade de transmissão de um sistema de comunicação [2]: C = Bw. ln (1 + SNR) (1) Onde: C Bw SNR = capacidade do canal = banda passante = relação sinal/ruído A banda passante (Bw) de um sistema de comunicação óptica é cerca de dezenas de Tera Hertz (THz), o que permite relações sinal/ruído (SNR) mais desfavoráveis. As propriedades dos sistemas ópticos estão associadas às propriedades das fibras ópticas. Desta forma, na Tabela 1 são descritas as principais vantagens e desvantagens dos sistemas ópticos. Tabela 1. Vantagens e desvantagens dos sistemas de comunicação óptica Sistema de Comunicação Óptica Imunidade à interferência eletromagnética. Isolante elétrico, o que não requer aterramento específico entre bastidores. Vantagens Custo atrativo. Resistência à tração. Alta capacidade de transmissão em banda passante. Confiabilidade. 4
Desvantagens Fragilidade em relação ao cisalhamento. Aumento de atenuação por contaminação com hidroxila (OH - ). Fragilidades das conectorizações. Fonte: Adaptado de Comunicações Ópticas (2006) [2] 2.1.1. Fibras Ópticas As fibras ópticas são estruturas cilíndricas, maciças e, geralmente, construídas com vidro de elevada pureza. Estas estruturas têm diâmetros variáveis, dependendo da aplicação, indo desde diâmetros ínfimos, da ordem de uma dezena de micrometros (mais finos que um fio de cabelo) até vários milímetros. [2] Na Figura 1, é apresentada a estrutura básica de uma fibra óptica, destacando-se duas camadas: o núcleo e a casca. Figura 1. Estrutura básica da fibra óptica Fonte: Adaptado de Clube do Hardware (2002) [3] Num sistema de comunicação óptica, a fibra proporciona o confinamento da luz, que ocorre através da reflexão interna total na interface núcleo casca. O confinamento da luz pode ser explicado pela lei de Snell. A luz ao se propagar de um meio com índice de refração n 1 para um meio com índice de refração n 2 e n 1 maior que n 2, pode sofrer reflexão ou refração (Willebrod Snell, 1621) [2] Desta forma, considerando que a relação n 1 / n 2 é maior do que 1 (um) poderá existir um ângulo crítico (θ I ) tal que, para qualquer ângulo (θ) maior que θ I, não haverá feixe refratado. Esta condição é conhecida como a condição de reflexão interna total e fundamenta o guiamento da luz na fibra. 5
Na Figura 2, são ilustrados os raios incidente, refletido e refratado com seus respectivos ângulos, além dos índices de refração de cada meio, para um melhor entendimento da Lei de Snell. Figura 2. Ilustração da Lei de Snell [2] Onde: θ I = ângulo de incidência θ RE = ângulo de reflexão θ R = ângulo de refração n 1 = índice de refração do núcleo n 2 = índice de refração da casca Na Equação 2, é apresentado um modelo matemático da Lei de Snell. [2] sen θ I / sen θ R = n 2 / n 1 (2) 6
Esta estrutura básica de fibra óptica é conhecida como estrutura de perfil de índice em degrau (Step Index Fiber), sendo o índice de refração do núcleo maior do que o índice de refração da casca. [2] Na Figura 3, é apresentada a estrutura de perfil de índice em degrau (Step Index Fiber). Figura 3. Fibra óptica de perfil de índice em degrau [2] 2.1.2. Características de propagação A propagação de uma onda eletromagnética é descrita pela atenuação e dispersão. A atenuação depende do tipo de material do guia e a dispersão depende da geometria do guia. 2.1.2.1. Atenuação nas Fibras Ópticas A atenuação, definida como a perda da intensidade de sinal, é uma característica de propagação de uma onda eletromagnética. Na fibra óptica, para um dado comprimento de onda, a atenuação dependerá do tipo do material que o guia é formado. [2] O limite teórico da atenuação no vidro é estabelecido pelo retro-espalhamento da luz devido à inomogeneidade do vidro, processo conhecido como retro-espalhamento de Rayleigh. Na Equação 3, é apresentada a atenuação associada ao retro-espalhamento. [2] α R = k / λ 4 (3) Onde: k = é uma constante; 7
λ = comprimento de onda da onda eletromagnética (nm); α R = é a atenuação associada ao retro-espalhamento. A atenuação no vidro aumenta também na região espectral da ultra-violeta e do infravermelho, e com a absorção de metais e de água na fibra. Na Tabela 2, são apresentados os coeficientes de atenuação para os dois comprimentos de onda centrais da segunda e terceira janela. Estes coeficientes, multiplicados pelo comprimento da fibra óptica, representam a atenuação do sinal ao percorrer a fibra. [2] Tabela 2. Coeficientes de atenuação por comprimento de onda Comprimento de onda ( nm ) Coeficiente de Atenuação ( db / km ) 1310 0,45 1550 0,25 Fonte: Adaptado de Comunicações Ópticas (2006) [2] Na Figura 4, é apresentada a curva de atenuação em função do comprimento de onda. Figura 4. Curva de atenuação em função do comprimento de Onda [2] 8
2.1.2.2. Dispersão nas Fibras Ópticas A dispersão, definida como o alargamento temporal do sinal, depende da geometria da fibra óptica e do perfil de índice de refração. Os modos de propagação de uma equação de onda podem ser entendidos como uma solução estável do campo elétrico gerado na onda. [2] Desta forma, as fibras ópticas podem ser classificadas em função da luz, que se propaga através de um único modo ou de múltiplos modos. 2.1.2.2.1. Fibra Multimodo As fibras multimodo apresentam diâmetro do núcleo de 50 µm (as mais antigas) ou 62,5 µm (as mais modernas). Sua capacidade de transmissão é limitada principalmente pela dispersão, podendo ser associada aos modos de propagação os raios da óptica geométrica. Três raios (ou miolos) podem ser notados: Raio Direto: propaga-se em coincidência com o eixo da fibra óptica e percorre a menor trajetória; [2] Raio Elíptico: descreve uma trajetória que não contém o eixo da fibra óptica; [2] Raio refletido (zig-zag): descreve uma trajetória com múltiplas reflexões na interface núcleo casca, passando (todas) pelo eixo da fibra de modo a minimizar o efeito dispersivo de multiplicidade de caminhos. O perfil de índice de refração do núcleo das fibras multimodo é construído de modo a proporcionar maior velocidade de propagação dos raios de maior percurso e menor velocidade ao raio direto. [2] Na Figura 5, é apresentada a estrutura de perfil de índice gradual (Gradual Index Multimode Fiber). As fibras multímodo são construídas com esse perfil para diminuir o efeito da dispersão. Figura 5. Fibra óptica de perfil de índice gradual [2] 9
O efeito da dispersão é avaliado pela capacidade de transmissão, sendo que, para as fibras multimodo, é de 1,0 GHz. km. Apesar de serem pouco utilizadas pelas operadoras de telecomunicações, podem ser encontradas em redes locais, ou seja, redes que exigem baixo alcance. Sua principal vantagem é a robustez da conectorização. [2] 2.1.2.2.2. Fibra Momomodo As fibras monomodo são aquelas em que o diâmetro do núcleo não é muito superior ao comprimento de onda. Na prática as fibras monomodo têm diâmetro do núcleo de 9 µm e são monomodo a partir do comprimento de onda (λ) igual a 1,2 µm. [2] Em princípio a dispersão não deve ser estudada na fibra monomodo, no entanto, deve ser verificado que: O índice de refração depende do comprimento de onda; Parte da luz em uma fibra monomodo está na casca. O sinal que se propaga na fibra óptica é modulado em amplitude, tendo, portanto, uma largura espectral finita. Portanto a luz que se propaga tem, para cada uma de suas componentes espectrais, um valor de índice de refração, o que eleva a dispersão do sinal. [2] Em uma fibra monomodo, uma parte significativa da luz propaga-se pela casca, conhecido como modo evanescente. Como os índices de refração serão diferentes resultará em um efeito dispersivo chamado dispersão de guia de onda. [2] A dispersão de guia de onda é uma variável de projeto da fibra e dela foram criadas as fibras baseadas em várias recomendações do International Telecom Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T). Na Tabela 3, são apresentadas as recomendações elaboradas pelo ITU-T para fabricação das fibras monomodo. Neste contexto, as fibras monomodo podem ser classificadas como Convencional (G.652), Dispersão Deslocada (Dispersion-shifted DS G.653) e de Dispersão Deslocada Não Nula (Non Zero Dispersion NZD G.655). [4] 10
Tabela 3. Recomendações G.652, G.653 e G.655 Recomendação Título Data Publicação G.652 Characteristics of a single-mode optical fiber and cable 04/1997 G.653 G.655 Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fiber and cable Characteristics of a cut-off shifted single-mode optical fiber and cable 04/1997 04/1997 Fonte: Adaptado de Comunicações Ópticas (2006) [2] Na Tabela 4, são apresentados, para cada tipo de fibra monomodo, os coeficientes de dispersão (D) medidos em ps/nm.km e separados pelos comprimentos de onda centrais da segunda e terceira janela. Tabela 4. Coeficientes de dispersão das fibras G.652, G.653 e G.655 Coeficiente de Dispersão (ps / nm. km) Convencional G.652 DS G.653 NZD + G.655 NZD G.655 D (1310 nm) 0 < -50 < -50 < -50 D (1550 nm) 17 < 2 4-4 Fonte: Adaptado de ITU (2006) [2] Na Figura 6, é apresentada a curva da dispersão em função do comprimento de onda para a fibra monomodo Convencional (G.652). 11
Figura 6. Curva da Dispersão para a fibra Convencional (G.652) [2] Na Figura 7, é apresentada a curva da dispersão em função do comprimento de onda para a fibra monomodo de Dispersão Deslocada (G.653). Figura 7. Curva da Dispersão para a fibra de Dispersão Deslocada (G.653) [2] Na Figura 8, é apresentada a curva da dispersão em função do comprimento de onda para a fibra monomodo de Dispersão Deslocada Não Nula (G.655). Figura 8. Curva da Dispersão para a fibra de Dispersão Deslocada Não Nula (G.655) [2] As fibras monomodo são amplamente utilizadas pelas operadoras de telecomunicações, pois são adequadas para aplicações que envolvam grandes distâncias. 2.2. REDES ÓPTICAS As redes ópticas podem ser classificadas em três categorias principais: núcleo, metropolitana e acesso. Estas redes são diferenciadas através da escala de suas operações e da taxa de transmissão, não havendo limites geográficos [1]: 12
Rede núcleo: sua taxa de transmissão varia desde centenas de Gigabits por segundo até alguns terabits por segundo, operando em escala nacional, continental e mundial [1]; Rede metropolitana: sua taxa varia desde algumas centenas de megabits por segundo até dezenas de Gigabits por segundo, operando em escala regional [1]; Rede de acesso: sua taxa varia desde algumas dezenas de quilobits por segundo até dezenas de megabits por segundo, operando em escala local [1]. Na Figura 9, é apresentada a arquitetura das redes ópticas. Figura 9. Arquitetura geral de um sistema de comunicações ópticas Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1] Atualmente, para não se tornar um ponto de estrangulamento da rede mundial, a rede de acesso necessita de altas taxas de transmissão. Este estrangulamento deve-se as ampliações das 13
capacidades de tráfego da rede núcleo, com o uso da tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (Wavelength Division Multiplexing WDM), e da rede metropolitana, com a utilização de anéis interconectados por sistemas Synchronous Digital Hierarchy (SDH). A necessidade de altas taxas de transmissão também é justificada com o desenvolvimento das redes locais (Local Área Networks LANs), o que aumenta a pressão sobre a rede de acesso. 2.3. REDE DE ACESSO A rede de acesso proporciona ao usuário o acesso à rede mundial de telecomunicações. O uso da tecnologia PON nesta categoria atende o crescimento exponencial do volume de tráfego gerado pelo fornecimento simultâneo de voz, dados e vídeo em acessos de banda larga [1]. Na Figura 10, são mostradas algumas aplicações e suas respectivas demanda de banda. Figura 10. Aplicações típicas e respectivas demanda de banda Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1] Atualmente, para oferecer serviços simultâneos de banda larga, as operadoras empregam a tecnologia Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL), que utiliza o mesmo par metálico da rede de voz para transmissão simultânea de dados e vídeos. Esta tecnologia está sendo utilizada para atender os usuários de forma imediata, a fim de retê-los, até o início do uso de fibras ópticas. [1] 14
Na Tabela 5, são apresentadas as distâncias em função das taxas de transmissão que a ADSL provê, destacando o baixo alcance de 3,4 km para uma taxa de até 2 Mb/s no sentido downstream. Tabela 5. Taxas de transmissão em função da distância até o usuário da ADSL Taxa de transmissão (Mbps) Diâmetro do par metálico (mm) Distância até o usuário (km) 1,5 2,0 0,4 3,0 0,5 3,4 6,1 0,4 2,0 0,5 2,7 Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1] Além disso, diversos outros fatores diminuem a capacidade de transmissão do canal ADSL formado pelos pares de fios de cobre: perda de inserção, relação sinal/ruído, variação na geometria dos condutores metálicos com diâmetros nominais de 0,4 mm e 0,5 mm, paralelismo da rede (derivações) e a existência de bobinas de pupinização. 2.4. EVOLUÇÃO DA REDE ÓPTICA COMO REDE DE ACESSO O mais importante problema a ser resolvido para aplicação da PON nas redes de acesso é o custo de instalação e operação destas redes. A seguir serão descritas três arquiteturas de redes ópticas como uma evolução na redução destes custos. Na Figura 11, é apresentada a instalação de fibras ópticas dedicadas para cada usuário. A quantidade de fibras e o número de transmissores de dados (transceptores) no concentrador da prestadora de telecomunicações oneram esta arquitetura [1]. Figura 11. Fibra óptica dedicada Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1] 15
Na Figura 12, é apresentada a utilização de uma única fibra óptica desde a operadora até um concentrador de linhas localizado próximo aos clientes. A partir deste concentrador a arquitetura permanece igual a anterior. O aspecto negativo é que este concentrador pode ser um elemento ativo na planta externa, necessitando de energia elétrica para seu funcionamento, o que implica no aumento do custo de operação da rede. A alternativa é a divisão deste custo entre os clientes, o que representa a fundamentação da PON [1]. Figura 12. Rede óptica comutada Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1] Na Figura 13, é mostrada a substituição do concentrador por um elemento óptico passivo, ilustrando uma rede ponto-multiponto sem elementos ativos na rede de acesso, com fibras ópticas e divisores ópticos passivos. Um Terminal de Linha Óptica (Optical Line Terminal OLT) transmite um sinal óptico, que é distribuído para os diversos usuários através dos divisores ópticos passivos e é convertido em um formato eletrônico nas Unidades de Rede Óptica (Optical Network Unit ONU). Na saída da ONU são disponibilizados sinais elétricos para os telefones, computadores entre outros equipamentos dos clientes [1]. Figura 13. Rede óptica passiva Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1] 16
2.5. REDE ÓPTICA PASSIVA As Redes Ópticas Passivas são redes de acesso que utilizam fibras ópticas interligadas na topologia estrela e na configuração ponto-multiponto, sendo constituídas apenas por componentes ópticos passivos entre o Terminal de Linha Óptica (Optical Line Terminal OLT) e a Unidade de Rede Óptica (Optical Network Unit ONU) [1]. Na Figura 14, é apresentado um esquemático de uma rede óptica passiva. O OLT, localizado dentro do ambiente da operadora, e a ONU, localizado próximo do cliente, são componentes ativos e responsáveis pela conversão óptico/elétrica/óptico (O/E/O) dos sinais recebidos em diferentes formatos. O divisor óptico passivo, que pode ser localizado em ambos os ambientes e na planta externa, é responsável pela divisão do sinal óptico em uma dada taxa de fracionamento. Figura 14. Esquemático de uma rede óptica passiva Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1] O OLT e a ONU possuem um transmissor e um receptor. Um transmissor é basicamente constituído por um diodo laser operando em 1550 nm no sentido downstream e/ou outro operando em 1310 nm no sentido upstream. Um receptor é basicamente formado por um fotodetector. O divisor óptico passivo divide a potência do sinal na entrada pela quantidade de saídas. Um divisor 1:4, por exemplo, disponibilizará em cada saída um quarto da potência de entrada, o que pode implicar como uma limitação de distância para a arquitetura PON. 17
2.6. ARQUITETURA FTTX A fundamentação da PON é dividir o custo de instalação e de operação entre os diversos usuários da rede de acesso. Por ser composta de componentes passivos, a PON tem como estratégia trazer a ONU o mais próximo do usuário, diminuindo assim a extensão da rede metálica. Na Figura 15, podem ser observadas as diferentes topologias da arquitetura FTTX. O primeiro estágio Fiber-to-the-Cabnet (FTTCab) prevê a ONU dentro de um ponto concentrador, localizado na calçada ou no poste. O próximo estágio Fiber-to-the-Curb (FTTC) a ONU está no quarteirão do usuário, ou seja, nas suas imediações. O último estágio Fiber-to-the-Business (FTTB) ou Fiber-to-the-Home (FTTH) prevê a ONU dentro do ambiente do usuário, no qual a rede de acesso é totalmente formada por fibra óptica. Neste caso a ONU é identificada como Optical Network Terminal (ONT) por estar dentro do ambiente do usuário [1]. Figura 15. Arquitetura FTTX Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1] 18
2.7. RECOMENDAÇÃO PON O comitê Full Service Access Network (FSAN) foi criado em 1995 para desenvolver padrões de serviços de banda larga. Atualmente interage junto com os organismos de regulamentação e normativos internacionais, tal como a ITU Telecommunication Standardization Sector (ITU-T). [4] Na Tabela 6, é apresentado o resumo das recomendações que especificam a rede PON, elaborados pelo FSAN e aprovados pelo ITU-T. [4] Tabela 6. Recomendações G.983 e G.984 Recomendação Título Data Publicação G.983.1 G.983.2 G.983.3 G.983.4 Broadband Optical Access Systems based on Passive Optical Network (PON) ONT management and control interface specification for B-PON A broadband optical access system with increased service capability by wavelength allocation A broadband optical access system with increased service capability using dynamic bandwidth assignment 10/1998 07/2005 03/2001 11/2001 G.983.5 A broadband optical access system with enhanced survivability 01/2002 G.984.1 Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): General charscteristics 03/2003 G.984.2 G.984.3 G.984.4 Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD) layer specification Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Transmission convergence layer specification Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): ONT management and control interface specification 03/2003 02/2004 06/2004 Fonte: Adaptado de ITU (2006) [4] 19