Redes Ópticas Passivas (PONs)
Prof. Dr. Murilo A Romero
Estrutura da apresentação
Sumário:
1.
Redes Ópticas Passivas: Princípios básicos e fundamentação técnico-econômica
2.
Cenário Mudial
3.
Arquiteturas Básicas: GPON e EPON.
4.
Visão de Futuro:
4.1 Principais tendências evolutivas
4.2 Aspectos de WDM-PON
5.
Conclusões e Agradecimentos
Objetivo: fornecer um panorama do estado da arte em redes ópticas passivas, apontando as
tendências predominantes para a sua evolução. Sempre que pertinente será
contextualizada a produção científica da EESC/USP.
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Murilo Araujo Romero, Ph.D.
2
Evolução das redes de comunicações:
Redes Ópticas Passivas para FTTH (Fiber to the Home)
Public data networks
PSDN
NISDN
BISDN
Public telephone network
PSTN
ADSL
FTTC/VDSL
FTTH
Broadcasting networks
CATV net
HFC
Wireless access networks
Wireless
Net
USP
São Carlos
PCN/PCS
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IMT-2000
Broadband
Subscriber
Network
Evolução da Capacidade de Transmissão em
Sistemas Ópticos em Backbone
Fonte:
Bell Labs Technical
Journal, Março 2002
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Contraste:
Tecnologias para Redes de Acesso
(“Subscriber Loop”)
Rede Óptica Passiva - PON
1.5-45 Mb/s
Acesso Rádio – Wi-Fi, WiMax, LMDS
HFC/Cable modem
56Kb/s-10 Mb/s
2.5-8 Mb/s
ADSL completo
128Kb/s-1.5 Mb/s
ADSL Lite
56-128 Kb/s
RDSI
Modem “Dial-Up”
14.4-56 Kb/s
14.4 kb/s
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100 Mb/s
Requisitos típicos de largura de banda para
várias aplicações
Aplicação
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Sentido Downstream
VoIP
80 Kbps
Videofone
124 Kbps – 2Mbps
Jogos on-line
256 Kbps
TV (MPEG-2)
3-5 Mbps
TV (MPEG-4)
2-4 Mbps
HDTV (MPEG-2)
18-20 Mbps
HDTV (MPEG-4)
8-15 Mbps
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Esquemas de Última/Primeira Milha:
Distância Coberta e Largura de Banda Disponível
0,6 km
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0,6 ~ 2km
2,0 ~ 3,4km
4 Mbps
ADSL2
+
ADSL2
+
ADSL2
+
8 Mbps
ADSL2
+
ADSL2
+
FTTH
25 Mbps
VDSL2
FTTH
FTTH
50 Mbps
FTTH
FTTH
FTTH
100 Mbps
FTTH
FTTH
FTTH
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Arquitetura de Redes Ópticas Passivas (PON)
com Derivação VDSL
As redes PON possibilitam migração suave para
uma topologia FTTH (Fiber to the Home):
8 milhões de usuários no Japão, 2007, NTT e KDDI
Divisor Óptico
Passivo
Anel Ponto de
Comutação
Óptico
FTTC
VDSL
FTTB
Fibra Óptica
VDSL
FTTB
FTTB: Fiber-to-the-building
FTTC: Fiber-to-the-curb
PON: Passive optical network
VDSL: Very-high-speed digital
subscriber line
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FTTC
FTTB
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VDSL
Cenário Mundial
Estimativa da Empresa de
Consultoria OVUM para o
Final de 2006:
290 milhões de assinantes de
banda larga
X-DSL = 68%
HFC/Cable Modem = 23%
FTTH (PON + Ethernet PtP) = 7%
Wireless = 3%
FTTH hoje: Ásia/Pacífico (87%); Europa (10%) e América do Norte (3%)
Previsão para 2010: 81 milhões de usuários
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Motivadores Econômicos
vs. Fatores Inibidores
• A CAPEX (Capital Expendinture) para FTTH se reduziu de
US$ 4.000,00 no ano 2000 para US$ 1.000,00 em 2005.
• A substituição de cobre por fibra permite uma redução no OPEX
(Operation-and-Maintenance Expense) de US$ 125,00 assinante/ano.
• Fonte: IEEE/OSA JLT, Dezembro/2006 (obs: grande variabilidade em função da
densidade populacional).
• Inibidor: Políticas Regulatórias de LLU (“Local-Loop Unbundling”)
• Inibidor: As redes de acesso ainda não são predominantemente “videocêntricas”
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Arquitetura Básica: x-PON
Home
Switch node
PON head
end node
SDH
SW
Local
exchange
Curb
Cabinet
PON
OLT
UNI
ADSL
ONU
VDSL
SW
OLT
SW
OLT
SW
OLT
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ONU
ONU
VDSL
NTE
FTTEx
NTE
FTTCab
NTE
FTTC/
FTTBus
ONU
NTE
FTTBus/
FTTH
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VELOCIDADE DE TRANSMISSÃO (Mbits)
Padrões: GPON vs. EPON - Timeline
GPON
2.5 Gbits/s
EPON
1.25 Gbits/s
1000
BPON
622 Mbits/s
ATM-PON
155 Mbits/s
100
ATM-PON – 54 Mbits/s
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
ANO
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Padrões: GPON vs. EPON - Comparação
ITEM
G-PON
(FSAN/ITU-T)
IEEE E-PON
Tráfego
Full Service (Ethernet,
Ethernet Data
TDM, POTS)
Frame
Empregado
GEM Frame
(Camada GTC)
Ethernet Frame
Máximo Alcance
Físico
20 km
20 km
Split ratio
(máximo)
64
32
Taxa de
Transmissão
2.5 Gbits/s (down)
e 1.25 Gbits/s (up)
1.25 Gbits/s
(bidirecional)
O padrão E-PON prevalece na Ásia, enquanto as empresas Verizon, AT&T, Qwest, Bell
Canada, France Telecom, DT, Telefonica e Telecom Italia estão optando pelo GPON.
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Tendências de Evolução: Diminuição dos COs com redução de
CAPEX e OPEX
CENTRAL
(FRONTEIRA)
TERMINAL
REMOTO
SPLITTER
ONU
ONU
(a)
OLT
ONU
ONU
BACKBONE
METRO
ACESSO
~80 km
~20 km
CENTRAL
(FRONTEIRA)
SPLITTER
ONU
ONU
(b)
OLT
BACKBONE
LR-PON
METRO/ACESSO
ONU
ONU
≥100 km
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ESQUEMA WDM-PON COM COMPRIMENTOS DE ONDA FIXOS
Cada ONU/ONT recebe um comprimento de onda dedicado e permanente. A topologia lógica é ponto-à-ponto.
OLT
Tx, l1
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MUX
DEMUX
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l33 ... l64
Roteador
W
D
M
Rx, l33
Rx, l64
l1 ... l32
AWG
Tx, l32
l1
W
D
M
ONT
Tx, l33
Rx, l1
l33
l64
l32
ONT
W
D
M
Tx, l64
Rx, l32
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ESTRATÉGIA DE MIGRAÇÃO: DO GPON PARA WDM-PON
CO
WC1
OLT
TDM-PON
(legada)
l1
20 km
WC2
Divisor
l1
l8
l1
MUX
l17
RN
Roteador
Tx,Rx,
l17
l2
AWG
Tx,Rx,
l2
l2
ONTs
l17
•A migração do G-PON agregando um dispositivo de 3 portas paracombinar/separar os comprimentos de
onda usados em TDM-PON (legada) e WDM-PON. É também possível implementar esquemas híbridos
TDM-WDM, com o uso de filtros ópticos.
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ESQUEMA WDM-PON COM COMPRIMENTOS DE ONDA FIXOS
• Requer fontes ópticas multi-comprimento de onda e AWGs com estabilidade
térmica Já existem sistemas em operação na Coréia do Sul com 100 mil usuarios.
FONTE: “WDM-PON Experiences in Korea”, JON, Maio 2007
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TOPOLOGIA BUS CWDM
16 CWDM channels
Tx1
Tx1
Rx1
Rx2
Rx3
Rxi
Drop1
Drop2
Drop3
Dropi
Fiber
Tx2
Tx2
Tx3
Tx3
.
.
.
M
U
X
Rx n-1
Drop n
Rx n
Er:L3
Txn
Txn
Circulator 1
1
in
2
L
band
980/1595nm
mux
SC/L
mux
3
S/C
bands
out
DCF
SC/L
mux 2
980 nm Pump Laser
Er:L1
980/1550 nm
mux
980 nm Pump Laser
980/1550 nm
muxes
S/C
mux
Er:L2
3
1
Circulator 2
S/C
mux
DP-EDFA
• Amplificador multibanda S-C-L para sistemas CWDM:
Tese de doutorado de J.B. Rosolem (Engenheiro do CPqD), EESC/USP, 2005
“S-C-L Triple Band Double-Pass Erbium-Doped Silica Fiber Amplifier with an
Embedded DCF Module for CWDM Applications”, IEEE/OSA JLT, Outubro 2006.
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Distância Máxima de Transmissão
140
Max link length (km)
Attenuation Limitation - amplification - STD A-B
Attenuation Limitation - amplification - STD C-D
120
Attenuation Limitation - no amplification - STD A-B
100
Attenuation Limitation - no amplification - STD C-D
Dispersion Limitation STD
80
Dispersion Limitation STD with DCF 700 ps/nm
Drop/Insert Channels Sequence Order
60
40
20
0
6
1310
5
4
1350
2
1
3
1390
7
1430
8
9
1470
13
14
1510
15
11
1550
16
12
1590
10
1630
Wavelength (nm)
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Experimento de Transmissão
1.E-03
DP-EDFA + DCF 700 ps/nm + 82 km STD
1.E-04
DP-EDFA + 82 km STD
1.E-05
BKB
BER
1.E-06
1.E-07
1.E-08
1.E-09
1.E-10
1.E-11
1.E-12
1.E-13
(b)
-21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13
Received Power (dBm)
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Técnicas de Múltiplo Acesso “Upstream”: TDMA x WDMA
• TDMA: Designa “time-slots” específicas para cada ONU operando
no sentido upstream.
-São necessárias informações precisas do retardo de propagação para
cada ONU para garantir a sincronia OLT-ONU.
-É fundamental o uso de “burst-mode receivers”: dificuldades para
operação 10 Gbits/s.
-A capacidade do canal pode ser dividida de forma DESIGUAL entre
as ONUs: Dynamic Bandwidth Allocation (DBA).
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Atraso Médio de Quadro vs. Tráfego Total: 16 ONUs e 1 a 4 ls
0
Atraso médio de quadro (s)
10
-1
10
cada l: 1 Gbps
8 ONUs não-WDM
taxa garantida 120 Mbps
8 ONUs WDM,
Tráfego ONU não-WDM:
10 a 120 Mbps
Tráfego ONU WDM:
20 a 240 Mbps
Tráfego Poissoniano:
intervalo entre chegadas de
quadros e duração dos quadros:
distribuição exponencial
1l
2l
3l
4l
-2
10
-3
10
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Dissertação de Mestrado de
C. Arbieto, EESC/USP,
2006, “Alocação Dinâmica
de Largura de Banda em
Redes EPON” Orientador:
3.0 A.C. César.
Carga total do sistema (Gbps)
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Receptor Óptico Sintonizável para WDMA
fotodetetores
l1
l1 , l2 , l3 , l4
fibra óptica
l2
l3
l4
demultiplexador
óptico
não- reconfigurável
amplificador TZ
Vg1
Rf
Vg2
Vg3
Vg4
FE1
circuitos de
chaveamento
Receptor Óptico Proposto
Tese de Doutoramento de S.K. Manfrin, encerrada,
colaboração com a Univ. Roma, Tor Vergata
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Implementação FE1
Resultados
15
S51on [dB]
10
5
0
0,1
1
10
freqüência [GHz]
Resposta em Frequência
Canal 1, FE2: (Ch 1) saída chaveada, (Ch 2) sinal de entrada de
1 GHz e (Ch 3) sinal de controle de aproximadamente 10 MHz.
Base de tempo do osciloscópio de 5 ns/div.
Trabalhos apresentados na European Microwave Week de 2001 (versão 4 x 1) e 2002 (versão 16 x 1)
“An Improved Electronic Selector Circuit for WDM Optical Receivers in Packet-Switched PON
Networks”, Microwave and Optical Technology Letters, Setembro 2004.
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CONCLUSÕES
• Redes Ópticas Passivas (PONs), são a plataforma ideal para implementação de
esquemas FTTH/FTTP.
• No momento, o padrão EPON (IEEE) é dominante mas o padrão GPON vêm
ganhando terreno rapidamente no eixo EUA/Europa.
• Tendências para os próximos 5 anos:
- upgrade de ambos os padrões para 10 Gbits/s, já em estudo.
- Aumento da distância coberta e taxa de divisão óptica, com provável necessidade
da introdução de amplificadores ópticos: busca-se consolidar os equipamentos
terminais empregados, com redução de CAPEX e OPEX.
- Coexistência progressiva das redes TDM-PON legadas com esquemas WDM-PON.
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CONTATO
Prof. Dr. Murilo A. Romero
Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos
Av. Dr. Carlos Botelho 1465
São Carlos - SP - 13564-250
Endereço Eletrônico: [email protected]
Telefone: (16) 3373-8140
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