Sistemas de Comunicação Óptica

Sistemas de Comunicação Óptica Mestrado em Engenharia Electrotécnica e e de Computadores Docente : Prof. João Pires

Objectivos Estudar as tecnologias que servem de base à transmisssão óptica, e analisar os conceitos, arquitecturas e normas subjacentes às redes ópticas do presente e do futuro. Proporcionar os conhecimentos e metodologias apropriados para conceber e dimensionar diferentes tipos de sistemas e redes de telecomunicações ópticas. Sistemas de Comunicação Óptica 2

Programa (I) 1. Introducão à comunicação óptica 2. Tecnologias de comunicação óptica 2.1 Fibras ópticas e componentes passivos 2.2 Lasers e fotodetectores 2.3 Amplificadores ópticos 2.4 Multiplexadores e filtros 2.5 Comutadores ópticos 3. Aspectos de engenharia de transmissão óptica 3.1 Princípios de transmissão digital óptica 3.2 Transmissão com amplificação 3.3 Limitações da transmissão 3.3.1 Dispersão 3.3.2 Ruído dos amplificadores ópticos 3.3.3 Não-linearidades da fibra 3.3.4 Diafonia óptica 3.4 Considerações sobre dimensionamento de ligações ponto-a-ponto Sistemas de Comunicação Óptica 3

Programa(II) 4. Redes ópticas da primeira geração 4.1 Redes SDH 4.1.1 Princípios e elementos de rede 4.1.2 A camada física 4.2 Redes FDDI 4.3 Gigabit Ethernet 4.4 Redes de televisão por cabo 4.5 Acesso óptico (PONs, FTTC, FTTH) 4.6 Cabos submarinos ópticos 5. Redes de transporte WDM 5.1 Técnicas de multiplexagem WDM 5.2 Estrutura dos elementos de rede (OADM, OXC) 5.3 Topologias físicas e lógicas 5.4 Encaminhamento e atribuição de comprimentos de onda 5.5 Protecção e restauro a nível óptico 5.6 Concepção e planeamento de redes ópticas 5.7 Transporte de IP sobre WDM Sistemas de Comunicação Óptica 4

Programa(III) 6. Tecnologias ópticas do futuro 6.1 Redes ópticas com comutação automática 6.2 Comutação de pacotes óptica Sistemas de Comunicação Óptica 5

Aspectos Pedagógicos Bibliografia J. Pires, Transparências de SCO (Secretaria da Secção de Telecomunicações, 4º andar, Torre Norte) J. Pires, Sistemas de Comunicação Óptica, IST R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, Optical Networks - A practical perspective, Morgan Kaufmann Publishers, Inc., 2002 Avaliação de conhecimentos A avaliação de conhecimentos é feita por exame com consulta de formulário. Sistemas de Comunicação Óptica 6

Aspectos da Evolução das Comunicações Ópticas 1960 Realização do primeiro laser 1966 Proposta para usar as fibras ópticas em telecomunicações (Kao) 1970 Fabrico da primeira fibra óptica de sílica dopada (20 db/km) 1970 Fabrico do primeiro laser de AlGaAs operando entre 0.8 e 0.9 µm 1976 Primeiro sistema de comunicação óptica (45 Mbit/s, λ=0.82 µm) 1977 Primeiros sistemas comerciais da 1ª geração (λ=0.85 µm) 1980 Primeiros sistemas comerciais da segunda geração (λ=1.3 µm) 1984 Introdução em Portugal (CTT) dos sistema da 1ªgeração 1985 Demonstração de amplificação óptica em fibras dopadas com Er 1988 Primeiro cabo submarino digital com fibra(40000 circuitos,1.3 µm) 1991 Transmissão de 10 Gbit/s na distancia de 10 6 km com solitões 1996 Cabo submarino óptico TAT12/13 (122 880 circuitos) 1996 Primeiro sistema comercial WDM com 8 comprimentos de onda 1999 Cabo submario óptico TAT14/15 (40 Gbit/s, ~10 6 circuitos) 2002 Transmissão de 256x10 Gbit/s na distância de 11 000 km Sistemas de Comunicação Óptica 7

Espectro óptico e comprimentos de onda Os sistemas de comunicação óptica operam na banda de comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, que correspondem à região do infravermelho (não visível pelo olho humano) do espectro óptico. Banda usada pelos sistemas de comunicação óptica νλ = c Ultra-violeta Visível Infra-vermelho Comprimento de onda Frequência 0.05 0.4 0.7 100 λ (µm) 6 10 15 4.3 10 14 3 10 12 ν (Hz) A normalização dos comprimentos de onda a usar nos sistemas de comunicação óptica é feita pela norma G.692 do ITU-T. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz ( 0.4 nm), com a frequência central nominal de 193.1 THz (1552.52 nm). 193.1 THz Relação entre um espaçamento na frequência ( ν) e um espaçamento no comprimento de onda ( λ) 50 GHz 50 GHz 50 GHz frequência (ν) c ν = λ 2 λ 0 Sistemas de Comunicação Óptica 8

Evolução dos sistemas de comunicação óptica (1) 1º ) Sistemas com lasers multimodais ou LEDs e fibra óptica multimodal (banda 0.8-0.9 µm). Distâncias entre regeneradores até 10 km e débitos binários entre 34 e 140 Mbit/s. Emissor R R R R R Receptor Laser multimodal Regenerador Fibra óptica multimodal 2º) Sistemas com lasers multimodais e fibra óptica monomodal (comprimento de onda de 1.3 µm). Distâncias entre regeneradores de cerca de 40 km e débitos de algumas centenas de Mbit/s. Emissor R R R Receptor Laser multimodal Regenerador Fibra óptica monomodal 3º) Sistemas com lasers monomodais e fibra óptica monomodal (comprimento de onda de 1.55 µm). Débitos binários até 2.5 Gbit/s. Emissor R R Receptor Laser monomodal Regenerador Fibra óptica monomodal Sistemas de Comunicação Óptica 9

Evolução dos sistemas de comunicação óptica (2) 4º) Sistemas com lasers monomodais, fibra óptica monomodal (1.55 µm) e amplificadores ópticos. Distâncias entre regeneradores de cerca de 600 km para débitos binários de 2.5 Gb/s e de cerca de 50-60 km para 10 Gbit/s. Emissor Receptor Laser monomodal + modulador externo Amplificador óptico Fibra óptica monomodal 5º) Sistemas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDM (wavelength division multiplexing). Os multiplexadores ópticos agregam vários sinais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer. Há sistemas comerciais a operar a 1.6 Tb/s (160 10 Gb/s). Laser 1 λ 1 Sinal multiplex λ1,λ 2,λ 3,..., λ N λ 1 Receptor Óptico 1 Laser 2 λ 2 MUX DMUX λ 2 Receptor Óptico 2 Laser N λ N Fibra óptica monomodal (1.55 µm) Amplificador óptico λ N Receptor Óptico N Sistemas de Comunicação Óptica 10

Evolução do Tráfego Total O tráfego telefónico de voz tem um crescimento entre 10 a 15% ao ano Tráfego O tráfego de dados (Internet) tem um crescimento superior a 100% ao ano Telefónico (voz) Dados (Internet) Em muitas redes o tráfego de dados é dominante 1990 2010 Sistemas de Comunicação Óptica 11

Evolução do tráfego dorsal Internet (entre1999 e 2001) Sistemas de Comunicação Óptica 12

Evolução temporal da capacidade por fibra Sistemas de Comunicação Óptica 13

Evolução do custo em função do débito Sistemas de Comunicação Óptica 14

Evolução do tráfego dorsal por serviço (UK) Sistemas de Comunicação Óptica 15

Diferentes tipos de informação Informação contínua ou analógica Variação contínua de um fenómeno físico (temperatura, voz, imagem). Um elemento de captação origina uma tensão eléctrica proporcional à amplitude do fenómeno físico analisado. Captador Transdutor Informação discreta Informação resultante da conjugação de diferentes elementos, independentes uns dos outros (Um texto é uma associação de letras). Nas redes digitais é necessário representar a informação numa forma binária, o que implica uma codificação para a informação discreta e uma digitalização para a informação analógica. Sistemas de Comunicação Óptica 16

Digitalização da informação A digitalização de um sinal analógico envolve três diferentes etapas: amostragem, quantificação e codificação A amostragem consiste em retirar amostras do sinal em intervalos regulares. A quantificação em fazer corresponder à amplitude de cada amostra um determinado valor. A codificação em transformar este valor numa palavra binária. Período de amostragem Ta Relógio Amostragem 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Quantificação 3 5 4 1 00000011 00000101 00000100 00000001 Codificação Sistemas de Comunicação Óptica 17

Débitos binários A frequência de amostragem mínima (Fa) de um sinal deve ser igual ao dobro da frequência máxima do sinal a amostrar ( Fa 2B). Um canal telefónico usa uma banda entre os 300 e os 3400 Hz. Assumindo uma frequência máxima de 4000 Hz, tem-se uma frequência de amostragem de 8 khz, ou seja, um período de amostragem de 125 µs. Codificando cada amostra com 8 bits tem-se um débito de 64 kbit/s. Normalmente, em telefonia digital uma via física é usada para transmitir vários canais. A associação desses diferentes canais é feita usando multiplexagem por divisão no tempo ou TDM. Nessa técnica em cada 125 µs é atribuído um intervalo de tempo ( time-slot) a cada canal. Para um sinal multiplexer com 32 canais ( 30 de informação), a estrutura de uma trama é dada por Time-slot 1 2 3 4 31 32 125 µs Cada conjunto de 8 bits ( time-slot) não poderá durar mais de 125µs/32=3.9 µs, o que corresponde a 488 ns por bit, ou seja um débito binário de 2.048 Mbit/s. Sistemas de Comunicação Óptica 18

Hierarquias TDM Hierarquias Plesiócrona Hierarquia Síncrona Hierarquia Europeia USA Hierarquia Sinal SDH Débito (Mbit/s) (Mbit/s) (Mbit/s) 1ª 2.048 1.544 1ª STM-1 155.52 2ª 8.448 6.312 2ª STM-4 622.08 3ª 34.368 44.736 3ª STM-16 2488.32 4ª 139.264 274.176 4ª STM-64 9953.28 Sistemas de Comunicação Óptica 19

Codificação da informação discreta A lexicografia de um código é o número de símbolos que é possível representar com esse código. Em lógica binária com n elementos binários podem-se representar N=2 n símbolos. O código ASCII ( American Standard Code for Information Interchange) é um código com 7 bits, e para além de representar os caracteres alfa-numéricos, representa também caracteres de controlo O código EBCDIC( Extended Binary Decimal Interchange Code) é um código de 8 bits usado normalmente nos PC Um código binário pode também ser usado para representar e transmitir imagens e gráficos. Cada imagem pode ser vista como uma associação de pontos ou pixels e cada pixel pode ser representado por uma palavra de código com 8 bits Transmitindo um sequência de 25 imagens por segundo tem-se um sinal de vídeo ou televisão Ex. Um imagem tem 720 pixels por linha e 575 linhas. Com 8 bits por pixel temse 3312000 bit/imagem. Para um ritmo de 25 imagens por segundo têm-se um débito de 82.8 Mbit/s, cerca de 1000 vezes superior ao débito da voz. Sistemas de Comunicação Óptica 20

Aspectos de transmissão Normalmente, antes da transmissão os diferentes canais são multipexados (multiplexagem por divisão na frequência ou por divisão no tempo). Na transmissão digital a sequência é caracterizada pelo débito binário Db, ou seja pelo número de bits transmitidos por unidade de tempo. Os meios de transmissão (pares simétricos, cabos coaxiais, fibras ópticas, feixes hertzianos, satélites, etc ) vão atenuar e distorcer o sinal. Para além disso o sinal vai ser perturbado por ruído e por interferências. A presença dessas perturbações pode introduzir erros na transmissão digital. O desempenho destes sistemas é assim caracterizado pela taxa de erros binários ou BER ( bit error rate), em que BER=(bits errados) / ( bits transmitidos). Normalmente em transmissão digital é necessário a partir de um certo nível de degradação reformatar o sinal usando regeneradores. Sistemas de Comunicação Óptica 21