TECNOLOGIAS DE MULTIPLEXAÇÕES ÓPTICAS - WDM

Comunicação Óptica autores Daniel Policarpo dpaguia@yahoo.com.br Fábio Bolandim Fabiobolandim@hotmail.com Umberto Rebouças umbertocelos@gmail.com Rodrigo Adriano rodriggoadriano@gmail.com Roberto da Silva Izidro Roberto-izidro@hotmail.com TECNOLOGIAS DE MULTIPLEXAÇÕES ÓPTICAS - WDM CWDM, DWDM e Qualidade de Serviço (QoS Quality of Service) RESUMO Será abordado o uso das fibras óptica nas redes WDM, CWDM e DWDM, mostrando os conceitos das devidas redes, suas características, vantagens e desvantagens quanto a implantação. As porcentagens dos custos quanto aos usos da rede CWDM e DWDM, Esses dispositivos desempenham funções inerentes e são projetados, em sua maioria, por tecnologias proprietárias. O que dificulta não só a convergência dos programas, como também é possível que comprometa a qualidade de serviços (QoS quality of service). Assim, como forma de analisar os efeitos da multiplicidade de padrões em redes ópticas, admitindo a grandeza de possibilidades que podem ser avaliadas, o artigo abordará a comparação entre os elementos de duas redes multiplexadas. E indicadores que deverão ser permeados quanto à qualidade de serviço (QsO) Palavras-Chave: Fibra óptica; Multiplexações, Qualidade de Serviços (QoS) ABSTRACT Will address the use of fiber optic networks, WDM, CWDM and DWDM, showing the concepts of proper networks, their characteristics, advantages and disadvantages regarding the deployment. The percentage of costs regarding the use of CWDM and DWDM network, these devices perform functions inherent and are designed mostly by proprietary technologies. What complicates not only the convergence of the programs, it is also possible that compromises the quality of services (QoS - Quality of Service). Thus, in order to analyze the effects of multiple standards in optical networks, assuming the magnitude of possibilities that can be evaluated, the article will address the comparison between the elements of two multiplexed networks. And indicators to be permeated on the quality of service. Keywords: Optical fiber; Multiplexações, Quality Service FACNET TAGUATINGA/DF MAIO/2010 1

2 Tecnologias de multiplexações ópticas WDM, CWDM e DWDM 1. INTRODUÇÃO Tratarmos da qualidade de serviços (QoS) 1 em redes com fibra óptica, com multiplexações CWDM ou DWDM é importante pois garantirá o perfeito uso das devidas redes. O serviço de qualidade pode, por exemplo, permear nos protocolos, nos parâmetros, em todos mecanismos envolvidos com a garantia de garantir a qualidade da rede. Outro ponto importante acerca da necessidade de uma qualidade de serviço em rede é que a tecnologia de transmissão óptica está progredindo de tal forma, que as taxas de transmissão de informações estão se tornando elevadas, substituindo as atuais redes eletrônicas de banda larga, claro, com passos lentos. Mas essa realidade será concretizada num futuro próximo. Daí, já devemos falar de Qualidade de Serviço(QoS) seja em redes pequenas ou de grande escala. Para falarmos de redes CWDM ou DWDM, temos que abordar neste artigo a origem dessas duas tecnologia de multiplexação. Que é a tecnologia WDM, aqui, faremos apenas uma pequena abordagem para que o leitor leigo a esse tema e tecnologia possa compreender melhor nossa explanação. Segundo (KITAGAWA, 2004) WDW (Wavelentth Division Multiplexing) é a reunião de diversos comprimentos de onda em uma única fibra. A figura abaixo mostra como é esse processo. Então, no caso do uso do WDM segundo (CARVALHO, 2002 p. 1) é usada uma fibra para transmitir múltiplos comprimentos de onda, correspondendo cada um deles a um canal separado conforme se verificou na figura acima. Em outras palavras, a multiplexação é à entrada de vários canais, onde esses canais se centralizam em uma única fibra óptica(único canal) gerando com isso custos bastante reduzidos, não deixando de lado a eficácia da rede. A figura abaixo mostra mais um exemplo da cada canais separado, mas passando por uma única fibra óptica. 1 Na página seguinte iremos definir QoS

autor, coautor1 3 Devemos lembrar que esse processo garante uma qualidade do serviço da rede, não só na questão custo benefício. Outro fator importante é saber que uma rede WDM possui 6 tipos de componentes necessário para a sua implementação e funcionamento. Que são: Equipamento Terminal Amplificador de Linha (ILA - "In Line Amplifier") Multiplexador Óptico (OADM - "Optical Add-Drop Multiplex") Equipamento Óptico de Conexão Cruzada Unidade Transponder, e Unidade Compensadora de Dispersão (DCU - "Dispersion Compensation Unit") Com o uso desses equipamentos, tornou-se possível que as redes passassem a cobrir distâncias cada vez maiores. Gerando então a necessidade de um serviço de qualidade (QoS). Mas o que seria a definição de QoS segundo (PINHEIRO, 2008) Uma definição para Qualidade de Serviço (QoS) é dada pela recomendação I.350 do ITU-T, a partir da recomendação E.800, onde define-se a Qualidade de Serviço como sendo o efeito coletivo provocado pelas características de desempenho de um serviço, determinando o grau de satisfação do usuário, ou seja, a QoS pode ser definida como o conjunto de características de um sistema necessário para atingir uma determinada funcionalidade. Pode ser descrita ainda como um conjunto de parâmetros que descrevem a qualidade de um fluxo de dados específico, por exemplo, largura de banda, prioridades, etc. Pinheiro (2008) também afirma que esses conceitos de qualidade de serviço podem ser mapeados e negociados pelos gerenciadores da rede, dependendo das alterações do sistema e dos usuários. E finalizando este capítulo introdutório, podemos abordar os benefícios de uma rede WDM quando comparadas a outras tecnologias. Tais benefícios são: Permite utilizar equipamentos de aplicação para redes de transporte e multisserviços sobre a mesma infra-estrutura de meio fisico óptico;

4 Tecnologias de multiplexações ópticas WDM, CWDM e DWDM Permite o tráfego de qualquer tecnologia, independente do fabricante, através do uso de transponders; Permite a economia de equipamentos de aplicação ao longo das rotas, mediante a instalação destes apenas nos pontos de troca de tráfego; Permite a economia e até mesmo a otimização do uso de fibras ópticas em locais com alta densidade de redes e acessos. Já as possíveis desvantagens são: O projeto, instalação e operação da rede WDM é complexo e deve ser feito com um planejamento criterioso e detalhado; Não existe padronização de equipamentos e da tecnologia WDM, que impede que sejam usados equipamentos de fabricantes distintos um mesmo enlace da rede. Quanto aos modelos de redes WDW podemos abordar as WDM-PON, E-PON, G-PON, NG-PON. Abaixo temos um exemplo de rede WDW-PON De uma forma bem sucinta, abordamos o conceito de WDM, tipo de rede WDW, vantagens e desvantagens da rede WDM e a definição de QoS (Quality of Service) Agora, o que é CWDM e DWDM?

autor, coautor1 5 2. CWDM E DWDM No capítulo anterior, abordamos o conceito e definições da tecnologia WDM justamente para que neste capítulo possamos abordar os conceitos e definições das tecnologias com fibra ópticas CWDM e DWDM e compreender melhor o uso dessas tecnologias. Tanto o CWDM e o DWDM são tecnologias originadas na tecnologia WDM, elas apresentam o mesmo princípio de funcionamento, onde, combina vários comprimentos de onda em uma única fibra óptica, fazendo com que aumente sua capacidade de transmissão, seja de dados, vídeos, imagem ou som. Segundo (CARVALHO, 2002 p. 3) Os avanços tecnológicos em amplificadores ópticos e lasers permitem agora a utilização de comprimentos de onda mais próximos, sendo possível ter sistemas com 16, 32 ou 40 comprimentos de onda na mesma fibra. Isso dá uma capacidade de cerca de 100 Gbps por fibra óptica. Carvalho (2002, p. 3) afirma também que a inovação tecnológica provinda do DWDM é uma tecnologia de acesso a alta velocidade e eliminação do loop local. Além disso, a introdução do DWDM, aumenta em magnitude a largura de banda disponível numa fibra óptica. No início dos anos 90 surgiu a denominação DWDM (Dense WDM) onde se usa espaçamento entre canais de 100 ou 200GHz e conseqüentemente maior número de canais de 16 a 40 na mesma banda. Sua separação entre canais é de 0,8nm. Situando seus canais na janela de operação do EDFA entre 1525 a 1620nm(nanômetro) Com o DWDM nasce o termo CWDM (Course WDM) com o objetivo de diferenciar o DWDM dos sistemas de 4-8 canais. Onde a separação entre canais é de 20nm, não restringindo à janela do EDFA, fazendo com que os custos sejam reduzidos, mas também, reduzindo a capacidade de transmissão. A figura abaixo mostra a separação dos canais. Podemos enumerar aqui algumas características distintas do CWDM e do DWDM. As características do CWDM são:

6 Tecnologias de multiplexações ópticas WDM, CWDM e DWDM Sistema WDM de baixa densidade Canais espaçados de 20 nm(nanômetro) Componentes ópticos e opto-eletrônicos de baixo custo Não exige controle do comprimento de onda Banda óptica = 1310 nm até 1610 nm com fibra G652C (ABNT NBR 14771) Elevada qualidade de serviço Aplicações Metropolitanas Já as características do DWDM são: Espaçamento entre canais de 100 GHz, podendo chegar a 50 GHz Alta capacidade de transmissão por canal, 10 Gb/s ou 40 Gb/s Componentes sofisticados e de custos significativos Aplicações em entroncamentos, redes de longa distância, redes metropolitanas, e redes especializadas Funcionalidades de redes como inserção-derivação; conexão transversal, alocação dinâmica de capacidade Transmissão comercial nas bandas C e L, excelente potencial na banda S C e DWDM tem o mesmo principio de funcionamento 2.1 CWDM VS DWDM Quanto à implementação do DWDM é mais complexa se compararmos com o CWDM. Colocando os custos na planilha, o CWDM pode sair pela metade do preço, entretanto não menos confiável e nem de menor qualidade, em relação o DWDM, atendendo a redes metropolitanas com distâncias menores do que 80km e taxas de até 2,5Gbps. Existe uma estimativa de que o emprego do CWDM pode economizar em até 30% dos gastos se comparado com o DWDM. Então, dependendo da sua rede, do serviço e objetivos, vale a pena implementarmos uma rede CWDM. Na página seguinte temos uma figura de comparação entre as redes DWDM e CWDM

autor, coautor1 7 Figura: DWDM x CWDM Já existem equipamentos que adota soluções híbridas CWDM e DWDM, pois segundo (CARVALHO, 2002) há espaço para as duas tecnologias. Algumas operadoras de telecomunicações adotam essas soluções híbridas. A seguir temos uma tabela de comparação das características básicas da CWDM e DWDM. Canais CWDM Comumente 4 ou 8, 12 também disponível, chegando a 18 com fibra LWP DWDM 16-32 (metro), 40-160* Bandas O+E+S+C+L C+L (potencial na S) Espaçamento 20nm 0,8 ou 1.6nm (100 e 200GHz) Laser Técnicas de DEMUX DFB s/ resfriamento, Modulado diretamente Filtro Dielétrico, Redes de Bragg DFB c/ resfriamento (TECs), Moduladores externos, Controle de corrente preciso Filtro Dielétrico, redes de Bragg, AWGs Capacidade do canal <2.5Gbps 10Gbps ou mais Capacidade da Fibra Amplificação Distância entre repetidores Comumente 20Gbps, chegando a 45Gbps Não compensa a relação custo-benefício. 400 Gbps 1.6 Tbps ou mais EFDAs, Raman < 80km 600 1500km (ou mais) Custo Baixo Alto* *custo-benefício compensa somente a grandes distâncias com alta capacidade

8 Tecnologias de multiplexações ópticas WDM, CWDM e DWDM Então, para avaliarmos qual tecnologia deverá ser usada (CWDM, DWDM) vai depender dos custos e benefícios. Onde está agregado, por exemplo, grandes distâncias, alta capacidade da rede, tipo de serviço e usuário. Baseado nessas informações, e escolha das tecnologias de rede, passamos para a qualidade de serviço. 3. QUALIDADE DE SERVIÇO - QoS Segundo (COSTA, 1992 p. 1) A informação e um dos recursos básicos mais importantes em conjunto com as matérias-primas, a mão-de-obra e a energia. A gestão e o processamento de informação determinará e controlará os desenvolvimentos econômicos e industriais futuros. Partindo dessa afirmação e olhando dentro do aspecto da globalização, verificamos a importância de traçarmos parâmetros de qualidade de serviço a redes, seja ela, eletrônica ou com o uso de fibra óptica. Pois os custos aplicados nessas novas tecnologias da informação não permitem erros por parte dos gestores e técnicos da área de informática. Podemos também nos fundamentar segundo (PINHEIRO, 2008) no crescimento exponencial do número de usuários de redes de computadores e, em conseqüência, um crescimento constante de novas aplicações geradoras de tráfego de diferentes naturezas (áudio, vídeo, aplicações em tempo real, etc) Daí, surge a necessidade de utilizarmos a qualidade de serviço para atender cada vez mais usuários exigentes. Onde os mesmos não aceitam ou compreendem muita das vezes os níveis do atraso máximo no transporte dos dados, da variação máxima desse atraso (jitter), das perdas permitidas ou da largura de banda disponível, como afirma Pinheiro(2008). Segundo (SANTANA) a Qualidade de Serviço (QoS) em redes é um aspecto de implantação e operação importante para as redes de pacote como um todo. (PINHEIRO, 2008) afirma ainda mais que para garantir de que as redes de computadores funcionem corretamente, é preciso aplicar tecnologias que permitam atingir um nível de tráfego satisfatório e confiável para dados e aplicações. Ele conclui que determinados níveis de desempenho devem ser garantidos através de uma política capaz de estabelecer métricas e descrever o comportamento da rede no que diz respeito a sua utilização e performance. Isso é o que chamamos de qualidade de serviço. A qualidade de serviço(qos) cria parâmetros, diretrizes necessários para o êxito nas transmissões de dados, voz, vídeo, etc. (PINHEIRO, 2008) reforça que o processo de definição de QoS para uma rede começa com o estabelecimento dos

autor, coautor1 9 parâmetros exigidos pelos usuários, ou seja, é necessário ao profissional de redes, criar junto com seu cliente usuário um plano de qualidade de serviço, antes mesmo de montar a rede. Segundo (PINHEIRO, 2008) quando vamos traçar metas de Qualidade de Serviço temos que criar os parâmetros direcionados a: QoS definida pelo usuário - Esses parâmetros são mapeados e negociados entre os componentes da rede assegurando que todos podem atingir um nível de QoS aceitável QoS em sistemas multimídia - requisito básico das aplicações multimídia, uma vez que se exige que determinados parâmetros relativos a estas aplicações estejam dentro de limites bem definidos (valor máximo, valor mínimo, etc). Métricas de QoS - usadas para caracterizar e descrever o comportamento da rede no que diz respeito a sua utilização e performance. (SANTANA) ainda reforça; QoS como mecanismo gerencial QoS de parâmetros A QoS é importante para manter um requisito de operação na rede, buscando assim, a qualidade da aplicação dos parâmetros, mecanismos, algoritmos e protocolos. Partindo desses requisitos temos que criar alguns indicadores significativos para uma excelente performance da rede como afirma (PINHEIRO, 2008) Abaixo temos uma tabela mostrando alguns exemplos de indicadores. Conforme (PINHEIRO, 2008) Métrica unidade Retardo/Atraso/Latência ms "Jitter"/ Variação do Atraso ms "Throughput" - taxa de bits por segundo Taxa de Perdas - % Taxa de Erros - % Descrição Tempo gasto pela rede para transportar um pacote do transmissor ao receptor. Variação máxima do retardo entre pacotes de um fluxo. Se o atraso mínimo é 1ms e o máximo é 6ms, então o jitter é 5ms. Taxa de informação que chega e que é entregue por um nodo da rede por unidade de tempo. Pacotes perdidos em relação ao total de pacotes enviados. Número de transmissões com erro em relação ao número total de transmissões realizadas. Tabela 1- Principais métricas de performance

10 Tecnologias de multiplexações ópticas WDM, CWDM e DWDM Esses são exemplos de indicadores que poderemos colocar como parâmetros na qualidade de serviço de uma rede. Vale lembrar que esses indicadores podem ser implementados em qualquer tipo de redes, claro, sempre respeitando suas particularidades. Então, segundo (SANTANA) A Qualidade de Serviço (QoS) é o requisito das aplicações para qual exige-se determinados parâmetros. Ainda segundo (SANTANA) esses parâmetros podem ser atrasos, perdas, vazão. (Onde eles devem estar dentro de limites definidos, tais como: valor máximo, valor mínimo, etc.) Vemos como exemplo quanto às redes CWDM e DWDM, onde dependendo da distância da rede podemos usar a rede CWDM ou DWDM, o que vai determinar a escolha será justamente o parâmetro levantado pela QoS anteriormente.

autor, coautor1 11 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Este artigo investigou as principais tecnologias relacionadas à fibra ópticas, as diferenças entre as rede WDM, CWDM e DWDM. Procuramos caracterizar as possibilidades abertas pela aplicação de novas tecnologias, principalmente ao uso de redes CWDM e DWDM, mostrando suas vantagens e desvantagens quanto aos custos. Também abordamos a necessidade de um serviço de qualidade (QoS) em redes, traçando parâmetros e indicadores que visam melhorar o desempenho e capacidades das redes. Assim, verificamos que o uso de redes ópticas ainda é limitado, só concretizado em grandes empresas, principalmente de telecomunicações e de TV. Por outro lado, foi analisado nas referências que o uso de fibra óptica no momento atual é inviável para pequenas redes, pois, os custos de equipamentos de enlace e mão-de-obra especializada são altos. Mas existe a perspectiva de avanço para baratear os custos relacionados à fibra óptica. Por fim, acreditamos que com o avanço das tecnologias, uso de novas matérias prima para confecção de fibras e criação de equipamentos menos complexos, será possível num futuro popularizar as redes ópticas. Gerando assim, a necessidade de profissionais especializados quanto a gestão, manutenção e criação de indicadores de qualidades de serviços para manter os desempenhos nas redes de computadores. Concluímos, que se deve assegurar que sejam criadas infra-estruturas que permitam o desenvolvimento futuro da rede óptica.

12 Tecnologias de multiplexações ópticas WDM, CWDM e DWDM REFERÊNCIAS CARVALHO, Joel Pedro Peixoto de. Redes Ópticas WDM. Universidade do Porto FEUP. Cidade do Porto, p. 33, 2002 COSTA, Abel Jorge Antunes da. Fibra Óptica na Rede Local. Faculdade de Engenharia da Cidade do Porto, Portugal, p. 122, 1992 PINHEIRO, José Mauricio Santos. Métricas de Qualidade de Serviço em Redes de Computadores. Disponível:http://www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_metricas_qos_em_redes.php acessado em: 25/05/2010 SANTANA, Hugo. Qualidade de Serviço (QoS). Universidade Santa Cecília Unisanta KITAGAWA, Mariangela Mitsue Shimizu. WDM e suas tecnologias. Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2004