Avaliação de topologia para redes GPON com
distribuição assimétrica
Miriam Regina Xavier de Barros*, Sandro Marcelo Rossi, Atílio Eduardo Reggiani, Cláudio
Antônio Hortêncio, João Guilherme Dias de Aguiar, Danilo César Dini, Paulo César Luz de
Morais, Maria Luiza Carmona Braga, Marcos Rogério Salvador, Rodrigo Bernardo, Ronaldo
Ferreira da Silva, Marcos Perez Mokarzel, Rodrigo de Almeida Moreira e Valentino Corso
Este trabalho apresenta uma descrição da tecnologia de acesso baseada em rede óptica passiva com
capacidade de Gbit/s, que faz uso de uma rede óptica de distribuição para levar os serviços até as
dependências do usuário final. Uma nova topologia de rede de distribuição de sinal óptico é apresentada,
analisada e comparada com as topologias convencionais baseadas apenas em distribuidores simétricos.
Palavras-chave: Rede de acesso. Fiber to the Home. Rede óptica passiva. Rede de distribuição óptica.
GPON.
Introdução
A utilização de fibras ópticas nas redes de
acesso, denominada Fiber to the Premises
(FTTP), foi proposta há mais de 20 anos, para
atender ao contínuo aumento da demanda de
banda
pelos
usuários
das
redes
de
telecomunicações. Entretanto, só recentemente a
oferta de novos serviços e aplicações cada vez
mais diversificados e sofisticados, como, por
exemplo, videoconferência, vídeo sob demanda,
jogos on-line e voz sobre IP, justificou o
investimento
nessa
tecnologia.
Segundo
estimativas (HOWARD, 2005), a demanda por
largura de banda apresenta um crescimento
anual superior a 50% nos últimos anos.
A utilização de FTTP atende a uma série de
requisitos da rede de acesso, entre eles:
capacidade potencial de Gbit/s, alcançando
distâncias de até dezenas de quilômetros,
facilidade
de
instalação
e
atualização,
possibilidade de serviços simétricos, baixo custo
de operação e manutenção, confiabilidade,
imunidade a interferências eletromagnéticas,
cabos mais leves e mais compactos. Entretanto,
até recentemente, os equipamentos necessários
para
a
implantação
dessa
tecnologia
apresentavam custos superiores aos de outras
tecnologias e a demanda por banda não era
suficiente para justificar o investimento nessa
tecnologia (FRIGO, IANNONE & REICHMANN,
2004).
Além da necessidade de alta capacidade de
transmissão e processamento, a rede de acesso
tem uma série de requisitos específicos, entre os
quais destacamos: a necessidade de oferecer
multisserviços (voz, vídeo e dados) a clientes
variados (residências, condomínios, empresas),
a instalação de equipamentos em ambiente não
controlado (fora de estações), a exigência de
baixo
custo
(infra-estrutura
de
rede
compartilhada entre um número reduzido de
usuários) e a expectativa de alta confiabilidade
dos serviços por parte do cliente.
Entre as três arquiteturas básicas de redes
ópticas de acesso – ponto a ponto, estrela
passiva e ponto-multiponto (GREEN, 2004) –, a
grande maioria das redes de acesso que estão
sendo instaladas é ponto-multiponto ou redes
ópticas passivas (Passive Optical Networks –
PON), em função da redução nos custos de
operação e manutenção quando comparadas
com as outras arquiteturas. A arquitetura
ponto-multiponto usa um ou mais níveis de
acopladores ópticos passivos para distribuir o
sinal aos clientes. O acesso ao meio na
transmissão ascendente é feito por meio de
multiplexação no tempo (TDMA), para evitar
colisões
no
acoplador.
Existem duas tecnologias de redes ópticas
passivas que estão sendo instaladas: PON (com
capacidade de Gigabit), GPON (padronizada pela
ITU-T G.984) (ITU-T, 2003a) (ITU-T, 2003b)
(ITU-T, 2004a), e Ethernet PON, EPON
(padronizada pela IEEE 802.34h). O padrão
GPON foi desenvolvido pelas operadoras de
telecomunicações e oferece algumas vantagens
técnicas sobre o EPON, como, por exemplo,
maiores taxas de tráfego descendente e
ascendente, maior eficiência de banda, maior
variedade de serviços e suporte a Operation,
Administration and Maintenance (OAM) e
serviços Time Division Multiplexing (TDM).
Entretanto, o padrão EPON apresenta custos
menores e é uma tecnologia em estágio de
maturidade mais adiantado que a tecnologia
GPON.
Muitos países estão realizando testes de campo
e instalando produtos de acesso ópticos
lançados recentemente (ABRAMS et al., 2005)
*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected]
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 2, p. 61-69, jul./dez. 2007
Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica
sendo que, neste ano, o número de usuários
conectados por fibra no mundo já ultrapassa
30 milhões. No Japão, a maior parte das
implantações, cerca de 10 milhões, usa EPON,
com bandas oferecidas entre 1,5 e 40 Mbit/s
(SHINOHARA, 2006). Nos Estados Unidos e na
Europa, a maior parte das operadoras escolheu a
tecnologia GPON para suas redes FTTP
(CAUVIN, 2005).
Em novembro de 2005, três grandes operadoras
de telecomunicações norte-americanas, Verizon,
Bell South e SBC Communications (as duas
últimas foram fundidas recentemente e
renomeadas AT&T), lançaram um edital para a
instalação de redes GPON. Em abril de 2007, já
havia 1,3 milhão de usuários Fiber to the Home
(FTTH), sendo 50% com a Verizon (KENNEDY,
2007). No Brasil, algumas operadoras estão
realizando testes de campo da tecnologia GPON
e planejando a instalação de centenas de
milhares de usuários a partir de 2008 (ÁVILA,
2007).
Entretanto,
as
redes
ópticas
passivas
representam uma tecnologia ainda não
completamente madura, e há várias questões
não consolidadas. As operadoras ainda
enfrentam uma série de desafios associados ao
projeto e à implantação dessas redes. Um dos
principais desafios relacionados ao projeto e à
implantação é a definição da topologia da rede,
que depende da distribuição geográfica da
demanda e da infra-estrutura existente na região,
influenciando fortemente os custos da rede de
distribuição.
Uma análise comparativa entre diferentes
topologias, com variação de número e tipo de
acopladores simétricos utilizados, mostra que a
abordagem centralizada apresenta algumas
vantagens em relação à abordagem em cascata,
como, por exemplo, custo menor de acopladores,
maior eficiência na utilização das portas do
acoplador e maior facilidade de manutenção. Ela
requer, contudo, o uso de uma maior quantidade
de fibra na instalação da rede (DEUTSCH,
WHITMAN & MAZZALI, 2005) (PERKINS, 2004).
Estudos recentes revelam que mais da metade
Metro access network
da quantidade de fibra que está sendo instalada
não é necessária para a implantação da rede de
distribuição (PERKINS, 2006). Isso ocorre por
duas razões principais: a área de cobertura das
redes de distribuição é maior do que o
necessário, ou seja, não é otimizada, assim
como o posicionamento dos acopladores em
campo também não é otimizado.
Neste trabalho, apresentamos uma tecnologia de
produto de redes de acesso: a rede óptica
passiva com capacidade de Gbit/s (GPON), que
está
em
desenvolvimento
no
CPqD.
Apresentamos um desafio relativo ao projeto e à
implantação: a definição da topologia das redes
GPON. Propomos uma nova topologia que faz
uso de distribuição híbrida simétrica/assimétrica
de potência óptica para a entrega do sinal aos
usuários. Essa nova topologia, adequada a uma
distribuição linear de ONTs, é avaliada e
comparada com as topologias convencionais, em
que o sinal é distribuído apenas de forma
simétrica.
1
Sistema GPON
O sistema em desenvolvimento no CPqD é
baseado na tecnologia GPON. Essa tecnologia
foi selecionada em função de suas inúmeras
vantagens, especialmente a compatibilidade com
TDM, pois, atualmente, o mercado para essa
tecnologia é representado pelas operadoras de
telecomunicações, que dispõem de um grande
legado de redes SDH.
O equipamento funciona na taxa descendente de
2,488 Gbit/s e na taxa ascendente de
1,244 Gbit/s. Os projetos de hardware e software
permitem que cada terminal óptico de linha (OLT)
atenda até 128 terminais ópticos de usuários
(ONTs). Contudo, a maior limitação está nas
interfaces ópticas e na topologia da rede. A
transmissão é bidirecional em uma única fibra. O
comprimento de onda do canal descendente é de
1.490 nm e o comprimento de onda do canal
ascendente é de 1.310 nm.
O diagrama de blocos do sistema é ilustrado na
Figura 1.
GPON access network
ONT
Internet (data, VoIP, IP TV,
gaming, banking, P2P)
IP
IP
router
router
Content/
application
provider
bE
1 0G
16
S TM
optical
backbone
GbE
STM
ONT
OLT
OLT
OLT
Switch
S
1
TM
10/100
Eth
E1
ONT
2.5 Gbit/s
GbE
OLT
STM1
1.25
Gbit/s
ONT
ONT
ONT
SDH
network
Figura 1 Diagrama de blocos do sistema GPON
62
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 2, p. 61-69, jul./dez. 2007
Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica
O OLT, localizado nas dependências da
operadora da rede, apresenta interfaces de rede
STM1 e GbE (Gigabit Ethernet). As portas GbE
dos OLTs são agregadas em switches com
10 GbE, visando à otimização do uso de fibras e
das interfaces de rede. Da mesma forma e pela
mesma razão, as interfaces STM1 são
agregadas em portas STM16 em um agregador
SDH.
O cartão de switch é responsável pela
segregação do tráfego de pacotes descendentes
para os OLTs apropriados e pela agregação dos
pacotes ascendentes. O switch faz também a
segregação dos pacotes ascendentes de volta
para
os
pacotes
descendentes,
para
comunicação entre dois ONTs pertencentes a
redes conectadas ao mesmo switch.
Os dados são enviados para os assinantes por
meio da interface GPON. Os terminais de
usuários, localizados nas dependências dos
usuários, apresentam interfaces de acesso E1 e
10/100 Ethernet. Os serviços E1 não são
padronizados pelas normas G.984 no que diz
respeito a codificação, compressão e protocolos,
o que faz dos serviços TDM o principal desafio
para a interoperabilidade entre diferentes
fornecedores. Uma solução alternativa para
oferecer serviços de voz (POTS) seria
implementar emulação de circuito sobre pacotes
(Circuit Emulation Services over Packet –
CESoP). Entretanto, essa abordagem não foi
STM1
Agregador
STM16
GbE
Switch
Ethernet
10GbE
selecionada porque consome parte da banda dos
serviços Ethernet. A solução adotada foi a
utilização de TDM nativo, através de um
protocolo baseado em VHDL que utiliza uma
FPGA comercial como plataforma.
O terminal óptico de linha e o terminal óptico de
usuário são especificados em Braga (2006) e em
Ismael & Braga (2006).
O desenvolvimento dos equipamentos está
sendo feito utilizando chips GPON comerciais.
Os diagramas de blocos do OLT e do ONT são
apresentados na Figura 2 e na Figura 3,
respectivamente.
Os dados STM1 e Ethernet são encapsulados e
desencapsulados por meio do método GEM
(GPON
Encapsulation
Method).
O
encapsulamento dos dados Ethernet já é
padronizado pela ITU-T G.984. A solução para o
encapsulamento dos dados STM1 está sendo
desenvolvida no CPqD.
Nas dependências do usuário final, o
equipamento (ONT) está configurado para
selecionar somente os quadros descendentes a
ele endereçados.
Para evitar colisão na transmissão dos dados
pelo ONT no sentido ascendente, o OLT insere,
no cabeçalho do quadro GEM, informações
específicas para cada ONT, indicando o início e
o fim da transmissão. Como os ONTs estão
localizados a distâncias diferentes do OLT, os
atrasos entre os ONTs precisam ser equalizados.
63xE1
E1
63xE1
E1
STM1
63xE1 sobreE1
sobre
STM1
GEM
63xE1
E1
STM1
sobre
GEM
sobre
STM1
GEM
63xE1
GEM
63xE1
63xE1
2,5
/ 1,25 Gbit/s
63xE1
2,5 / 1,25 Gbit/s
Chip
2,5
/ 1,25 Gbit/s
Transceiver
Chip
2,5
/ 1,25 Gbit/s
GPON
Transceiver
Chip
GPON
Transceiver
Chip
GPON
Transceiver
GPON
Interfaces
de rede
2,5 /
1,25
Gbit/s
Interface
GPON
Figura 2 Diagrama de blocos do OLT (GEM-GPON Encapsulation Method)
E1
E1
sobre
GEM
E1
1,25 / 2,5 Gb/s
1,25 / 2,5 Gb/s
Transceiver
Ethernet
Chip
GPON
Interface
GPON
Interfaces
de usuário
Figura 3 Diagrama de blocos do ONT
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 2, p. 61-69, jul./dez. 2007
63
Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica
O processo de equalização dos atrasos é
chamado de ranging e é iniciado pelo OLT por
meio do envio de um comando para os ONTs,
que devem responder com uma transmissão
ascendente. O OLT calcula os atrasos com base
no tempo de resposta de cada ONT e utiliza esse
valor para indicar o intervalo de transmissão que
cada ONT deve usar para o tráfego ascendente.
O receptor óptico do OLT deve apresentar alta
sensibilidade e grande faixa dinâmica, em função
da diferença entre as perdas experimentadas
pelo sinal transmitido por cada ONT.
Dependendo das condições da rede GPON, não
é possível obter a faixa dinâmica necessária para
detectar os dados provenientes de todos os
ONTs. Nesse caso, a solução adotada é o
controle das potências emitidas pelos ONTs.
Para isso, um mecanismo de nivelamento de
potência, denominado power levelling, é
implementado nos ONTs. Se estiver acima do
nível de saturação ou abaixo do nível de
sensibilidade do receptor do OLT, a potência é,
respectivamente, reduzida ou aumentada. A
mensagem para realização do power levelling é
enviada pelo OLT no momento da ativação do
ONT.
Os OLTs são gerenciados diretamente, pois
estão localizados nas estações das operadoras.
Os ONTs, localizados nas dependências dos
usuários, requerem uma interface específica
para monitoração e controle, chamada ONT
Management and Control Interface (OMCI). Essa
interface é descrita na recomendação ITU-T
G.984.4 (ITU-T, 2004b). O protocolo e as
mensagens definidas na OMCI são transportados
em um canal bidirecional dedicado dentro da
banda GPON, chamado ONT Management and
Control Channel (OMCC).
A OMCI provê um sistema uniforme para
gerenciamento dos serviços oferecidos pelo
ONT, pois padroniza um protocolo para
descoberta das funcionalidades do ONT e para
gerenciamento
e
controle
dessas
funcionalidades. Além disso, a OMCI estabelece
e desfaz conexões nas interfaces do ONT,
configura interfaces de usuário no ONT, solicita
informação de configuração e estatísticas de
desempenho, informa a ocorrência de eventos,
como, por exemplo, falhas de enlaces.
próximo do OLT não deve superar 20 km para
que o protocolo de
ranging funcione
adequadamente.
A limitação física do alcance dessas redes está
relacionada às características ópticas da rede.
Nesse caso, o alcance depende fortemente da
topologia da rede de distribuição, além de fatores
como atenuação das fibras nos comprimentos de
onda ascendente e descendente, número de
ONTs ligados a cada OLT, número de níveis de
distribuição, potência de saída dos transmissores
e sensibilidade dos receptores utilizados.
A topologia proposta neste trabalho faz uso de
distribuição híbrida simétrica e assimétrica da
potência óptica para a entrega do sinal ao
usuário. A topologia básica é de barramento,
aplicada para atendimento de uma demanda de
tráfego distribuída ao longo de uma rodovia ou
para aproveitamento de infra-estrutura já
existente e disposta de forma linear. A topologia
é ilustrada na Figura 4.
OLT
D1%
D 2%
Dk-1%
1:N1
1:N2
1:Nk-1
1:Nk
ONTs
Figura 4 Topologia da rede GPON com
distribuição híbrida
Em cada um dos estágios de derivação Di há um
acoplador 1:2, que é usado para derivar uma
fração D da potência óptica. A potência óptica
derivada é então distribuída através de um
acoplador 1:N simétrico. No último estágio, no
lugar do acoplador 1:2 assimétrico, usa-se
apenas um cordão que conecta o cabo com um
acoplador 1:N, permitindo distribuir toda a
potência remanescente.
As análises foram feitas considerando o tráfego
ascendente, pois a maior limitação do alcance
está associada a ele, em virtude da maior
atenuação da fibra no seu comprimento de onda.
A perda total do sinal PT, entre ONT e OLT, é
dada por:
k−1
2
PT =P N 2P C P D , k 2kPC ∑  P T , i1,3 l i 
Topologias para a rede de distribuição
i=1
O alcance geográfico da rede GPON, ou seja, a
máxima distância entre o OLT e o ONT mais
distante, apresenta uma limitação lógica e uma
limitação física.
A limitação lógica, de 60 km, está associada aos
protocolos de comunicação entre OLT e ONT,
que têm como requisito um tempo máximo de
recebimento de mensagens. A diferença entre as
distâncias do ONT mais afastado e o ONT mais
64
1,3  l0
em que: PN é a perda do distribuidor simétrico 1:N
(incluindo as perdas intrínsecas), PC é a perda de
cada uma das conexões ópticas, PD,k é a perda
na derivação do k-ésimo acoplador assimétrico,
PT,i é a perda na transmissão pelos acopladores
assimétricos, α1,3m é a atenuação da fibra, em
dB/km, no comprimento de onda de 1,3 µm, li é o
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 2, p. 61-69, jul./dez. 2007
Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica
Esses valores de derivação só permitem margem
positiva para um total de 16 ONTs, conforme
Figura 6, em que a margem de potência óptica
com 15% de derivação é apresentada para
diferentes valores de N, ou seja, diferentes
números de ONTs.
20,0
M =PTx ,ONT −PT −S Rx, OLT
D = 25%, N=4
D = 20%, N=4
5,0
0,0
0
2
4
6
8
10
-5,0
Estágio
Figura 5 Margem de potência óptica em cada um
dos 8 estágios da rede de distribuição híbrida
simétrica/assimétrica para 32 ONTs, para
diferentes frações de derivação do sinal
Para obtenção dessas curvas, assumimos que o
comprimento de fibra entre o OLT e o primeiro
estágio de derivação e entre os estágios de
derivação é de 2 km. As perdas da fibra para os
sinais descendente e ascendente são 0,25 e
0,4 dB/km, respectivamente. A potência óptica
transmitida pelo ONT é de +2 dBm (valor mínimo
especificado para transmissores classe C na
recomendação G.984.2) e a sensibilidade do
receptor do OLT é de -29 dBm (receptores
classe C da recomendação G.984.2). A perda do
distribuidor simétrico 1:N é dada por 10log(1/N).
A perda intrínseca dos acopladores, obtida a
partir de componentes comerciais, é igual a
0,6 dB para cada par de portas. A perda de
conexão de cada porta dos acopladores é
considerada igual a 0,2 dB.
A obtenção de margens negativas a partir do
6o estágio de derivação revela uma limitação da
topologia para utilização de derivação idêntica ao
longo do barramento. As condições menos
críticas seriam aquelas em que se deriva 15% do
sinal em cada estágio. Porém, mesmo nesse
caso, o 7o estágio de derivação apresenta
margem negativa.
Margem (dB)
0,0
0
2
4
6
8
10
Estágio
Figura 6 Margem de potência óptica em cada um
dos 8 estágios da rede de distribuição híbrida
simétrica/assimétrica para 16, 32 e 64 ONTs com
derivação constante de 15%
A utilização de acopladores com fração de
derivação idêntica facilita a instalação e o
controle de componentes sobressalentes pela
operadora, porém a condição de operação ideal
é aquela em que a margem de potência na
transmissão entre OLT e ONTs se mantém
positiva e dentro de uma faixa limitada.
A Figura 7 mostra os valores da margem de
potência óptica em cada um dos 8 estágios da
rede de distribuição híbrida para 32 ONTs, com
derivação otimizada em cada um dos estágios. A
Tabela 1 apresenta os valores de margem de
potência e da fração de derivação, ilustrados no
gráfico da Figura 7. Os valores usados para a
otimização de D são aqueles encontrados
comercialmente
em
acopladores
1:2 assimétricos, a partir de 1%. A variação de
margem foi reduzida de 15,0 para 2,3 dB, quando
a derivação passou de um valor de 10%
constante para variável e otimizada. O valor
médio da margem passou de 5,7 para 5,1 dB.
Derivação
Margem
120,00
100,00
Derivação (%)
Margem (dB)
10,0
5,0
-10,0
D = 10%, N=4
D = 15%, N=4
D = 15%, N=8
10,0
-5,0
D = 05%, N=4
15,0
D = 15%, N=4
15,0
em que: PTx,ONT é a potência óptica transmitida
pelo ONT, em dBm, e SRx,OLT é a sensibilidade do
receptor do OLT, em dBm.
Apresentamos, na Figura 5, os valores de
margem de potência óptica entre ONT e OLT no
tráfego ascendente para um barramento com
8 estágios de derivação e 32 ONTs. Nesse caso,
cada estágio de derivação atende a 4 ONTs, e a
margem foi calculada para diferentes valores de
fração de potência óptica derivada.
20,0
D = 15%, N=2
8,00
7,00
6,00
80,00
5,00
4,00
60,00
3,00
40,00
2,00
20,00
Margem (dB)
comprimento de fibra entre os demais estágios
de derivação e l0 é o comprimento de fibra entre
o OLT e o 1o estágio de derivação. As perdas
acima são dadas em dB e os comprimentos de
fibra em km.
A margem de potência óptica, M, em dB, é dada
por:
1,00
0,00
0,00
1
2
3
4
5
6
7
8
Estágio
Figura 7 Margem de potência óptica em cada um
dos 8 estágios da rede de distribuição híbrida
simétrica/assimétrica para 32 ONTs com derivação
otimizada
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 2, p. 61-69, jul./dez. 2007
65
Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica
Tabela 2 Frações de potência derivada e margem
de potência da rede de distribuição híbrida
simétrica/assimétrica para 64 ONTs
Tabela 1 Frações de potência derivada e margem
de potência da rede de distribuição híbrida
simétrica/assimétrica para 32 ONTs
Estágio
Derivação (%)
Margem (dB)
Estágio
Derivação (%)
Margem (dB)
1
3
6,4
1
2
1,0
2
4
5,7
2
4
2,1
3
5
4,7
3
5
1,1
4
10
5,7
4
10
2,1
5
15
5,2
5
15
1,6
6
25
4,9
6
25
1,3
7
45
4,4
7
45
0,8
8
100
4,0
8
100
0,5
A Figura 8 mostra os valores da margem de
potência óptica em cada um dos 8 estágios da
rede de distribuição híbrida para 64 ONTs com
derivação otimizada em cada um dos estágios. A
Tabela 2 apresenta os valores de margem de
potência e da fração de derivação, ilustrados no
gráfico da Figura 8.
Derivação
Margem
8,00
7,00
100,00
6,00
80,00
5,00
60,00
4,00
3,00
40,00
2,00
20,00
Margem (dB)
Derivação (%)
120,00
Nesse caso, a variação de margem foi reduzida
de 15,0 para 1,6 dB, quando a derivação passou
de 10% constante para otimizada. O valor médio
da margem passou de 2,1 para 1,3 dB.
O atendimento de um conjunto de ONTs
dispostos linearmente pode ser feito também
utilizando uma topologia convencional apenas
com acopladores simétricos, conforme Figura 9b.
A rede com uma seqüência de acopladores
1:2, 1:4 e 1:4 permite o atendimento de 32 ONTs.
Para efeitos de comparação, apresentamos, na
Figura 10, as curvas de margem de potência
óptica de redes de distribuição simétricas para
atender a 32 ONTs dispostos em linha, para os
quais calculamos as margens da distribuição
assimétrica acima. No respectivo gráfico, a
margem calculada é limitada pelo tráfego
ascendente e os estágios representam conjuntos
de 4 ONTs, em comparação com o gráfico da
Figura 7. Consideramos os mesmos parâmetros
usados nas redes com distribuição híbrida
simétrica/assimétrica.
1,00
0,00
0,00
1
2
3
4
5
6
7
8
Estágio
Figura 8 Margem de potência óptica em cada um
dos 8 estágios da rede de distribuição híbrida
simétrica/assimétrica para 64 ONTs com derivação
otimizada
OLT
D 1%
D 2%
D3%
D 4%
D 5%
D 6%
D 7%
1:4
1:4
1:4
1:4
1:4
1:4
1:4
1:4
1:4
1:4
(a)
OLT
1:2
1:4
1:4
1:4
1:4
1:4
1:4
1:4
1:4
(b)
Figura 9 Rede de distribuição para GPON de 32 ONTs com (a) acopladores simétricos e assimétricos e (b)
acopladores simétricos com três estágios de distribuição
66
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 2, p. 61-69, jul./dez. 2007
8,00
1:2, 1:4, 1:4
7,00
1:4, 1:2, 1:4
6,00
1:8, 1:4
5,00
4,00
representam conjuntos de 8 ONTs, em
comparação com o gráfico da Figura 8.
Novamente,
consideramos
os
mesmos
parâmetros usados nas redes de distribuição
híbrida simétrica/assimétrica.
3,00
4,50
2,00
4,00
1,00
3,50
Margem (dB)
Margem (dB)
Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica
0,00
0
2
4
Estágio
6
8
10
32 ONTs
Máxima
(dB)
2,50
2,00
1,50
0,00
0
2
4
Estágio
6
8
10
Figura 11 Margem de potência óptica da rede de
distribuição simétrica para 64 ONTs com
diferentes configurações dos acopladores
Tabela 4 Comparação entre margens das
topologias híbrida simétrica/assimétrica e
simétricas convencionais para 64 ONTs
Tabela 3 Comparação entre as margens das
topologias híbrida simétrica/assimétrica e
simétricas convencionais para 32 ONTs
Mínima
(dB)
1:8, 1:8
0,50
A Tabela 3 resume os valores médios, mínimos e
máximos de margem de potência para a
topologia híbrida simétrica/assimétrica proposta e
para as topologias simétricas convencionais,
ambas com alcance total de 16 km. Nessa
tabela, apresentamos também a quantidade total
de fibra necessária para a montagem da rede de
distribuição.
Média
(dB)
1:4, 1:2, 1:8
3,00
1,00
Figura 10 Margem de potência óptica da rede de
distribuição simétrica para 32 ONTs com
diferentes configurações dos acopladores
Topologia
1:2, 1:4, 1:8
Média
(dB)
Mínima
(dB)
Máxima
(dB)
Quant.
fibra
(km)
Híbrida
Sim./Assim.
1,3
0,5
2,1
48
1,5
1,1
1,9
66
Topologia
64 ONTs
Quant.
fibra
(km)
Híbrida
Sim./Assim.
5,1
4,0
6,3
32
Simétrica
1:2/1:4/1:8
Simétrica
1:2/1:4/1:4
5,2
4,8
5,6
50
Simétrica
1:4/1:2/1:8
1,5
1,1
1,9
70
Simétrica
1:4/1:2/1:4
5,2
4,8
5,6
54
Simétrica
1:8/1:8
2,6
1,4
3,0
74
Simétrica
1:8/1:4
6,3
5,1
7,5
58
A solução de topologia para 32 ONTs com
melhor margem média é a simétrica 1:8/1:4.
Porém, a variação de margem é a pior de todas,
2,4 dB, e a quantidade total de fibra necessária é
a maior, 58 km. A topologia em barramento
híbrida, aplicável em redes distribuídas de forma
linear, apresenta margem média próxima
daquela das redes com distribuição simétrica
1:2/1:4/1:4 e 1:4/1:2/1:4. Entretanto, a quantidade
total de fibra necessária para as duas topologias,
50 e 54 km, respectivamente, ainda é muito
maior que a quantidade de fibra necessária para
a topologia em barramento híbrida, 32 km.
Apresentamos, na Figura 11, as curvas de
margem de potência óptica de redes de
distribuição simétricas para atender a 64 ONTs
dispostos em linha para os quais calculamos as
margens da distribuição assimétrica acima. No
respectivo gráfico, a margem calculada é limitada
pelo tráfego ascendente e os estágios
A solução de topologia para 64 ONTs com
melhor margem média é a simétrica 1:8/1:8.
Contudo, a quantidade total de fibra necessária é
a maior, 74 km. A topologia em barramento
híbrida, aplicável em redes distribuídas de forma
linear, apresenta margem média próxima
daquela das redes com distribuição simétrica
1:2/1:4/1:8 e 1:4/1:2/1:8. Porém, a quantidade
total de fibra necessária para as duas toologias,
66 e 70 km, respectivamente, ainda é muito
maior que a quantidade de fibra necessária para
a topologia em barramento com distribuição
híbrida (48 km).
Além de utilizarem maior quantidade total de
fibra, as topologias convencionais com
distribuição simétrica geram um desperdício de
fibras no cabo, pois somente parte das fibras
usadas na distribuição é utilizada ao longo de
todo o cabo, e algumas fibras ficam com trechos
sem utilização, conforme Figura 9b. Na nova
topologia
proposta
com
distribuidores
assimétricos, as fibras são utilizadas ao longo de
todo o cabo.
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 2, p. 61-69, jul./dez. 2007
67
Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica
Conclusão
Neste trabalho, apresentamos a rede óptica
passiva, em desenvolvimento no CPqD, que é
baseada na tecnologia GPON e opera nas taxas
de 2,448 e 1,244 Gbit/s para os tráfegos
descendente e ascendente, respectivamente. A
solução inclui o terminal óptico de linha e o
terminal óptico de usuário. Cada rede GPON
pode atender até 128 usuários com serviços E1 e
Ethernet, com limitação de potência e
sensibilidade das interfaces ópticas e de
topologia da rede.
Apresentamos uma nova topologia para a rede
de distribuição, baseada em distribuição híbrida
simétrica/assimétrica
de
potência
óptica,
adequada para aplicação em um conjunto de
ONTs dispostos de forma linear. Nessa
aplicação, a nova topologia reduz a quantidade
total de fibra necessária em relação às topologias
convencionais,
baseadas
apenas
em
distribuidores simétricos. As margens de
potência óptica da nova topologia são inferiores
às das topologias convencionais, porém bastante
próximas.
Agradecimentos
Este trabalho recebeu apoio financeiro do Fundo
para o Desenvolvimento Tecnológico das
Telecomunicações (FUNTTEL).
Os autores agradecem a participação e as
sugestões dos colaboradores Afonso Augusto
Romão V. Alvim, Roberto Arradi, Renata
Bastianon,
Antônio Paulo Ismael,
José
Maranhão, Jaime Alexandre Matiuso, Fernanda
Yumi Matsuda, João Luiz Mercante, Eduardo
Mobilon, Roberto Nakamura, Alberto Paradisi,
Mateus Marques Pereira, José Adalberto
Petrachin, Raimundo Robledo Pontes Filho,
Sérgio Massami Sakai, William Lima de Souza e
Narci Edson Venturini.
Referências
ABRAMS, M.; BECKER, P. C.; FUJIMOTO, Y.;
O'BYRNE, V.; and PIEHLER, D. FTTP
Deployments in the United States and Japanequipment choices and wervice provider
imperatives. Journal of Lightwave Technology,
v. 23, n. 1, p. 236, jan. 2005.
ÁVILA, V. J., Projeto GPON – Requisitos
Técnicos. 9º Fórum de Certificação de
Produtos para Telecomunicações – Anatel,
Campinas, jun. 2007.
BRAGA, M. L. C. Equipamentos para Rede
Óptica
Passiva:
Módulo
GPON.
68
PD.30.11.69A.0040A/RT02
(Documento
de
especificações). Campinas: CPqD, ago. 2006.
CAUVIN,
A.
FSAN Common
Technical
specification on a GPON System: first decision.
FSAN,
2005.
Disponível
em:
<www.fsanweb.org>. Acesso em: 2 mar. 2007.
DEUTSCH, B.; WHITMAN, R.; MAZZALI, C.
Optimization of FTTH passive optical networks
continues. Lightwave, R-6332, jan. 2005.
FRIGO, N. J.; IANNONE, P. P.; REICHMANN, K.
C. A view of fiber to the home economics. IEEE
Communications Magazine, v. 42, n. 8, p. 516523, ago. 2004.
GREEN, P.E. Fiber to the home: the next big
broadband thing. IEEE Communications
Magazine, v. 42, n. 9, p. 100-106, set. 2004.
HOWARD, M. PON & FTTx Update,
Lightreading.
Disponível
em:
<www.lightreading.com>. Acesso em: 22 ago
2005.
ISMAEL, A. P.; BRAGA, M. L. C. Equipamentos
para Rede Óptica Passiva: Módulo ONT.
PD.30.11.69A.0040A/RT03
(Documento
de
especificações). Campinas: CPqD, ago. 2006.
ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION
SECTOR (ITU-T) G.984.1: General Characteristics
of Gigabit-capable Passive Optical Networks
(GPON), 2003a.
ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION
SECTOR (ITU-T) G.984.2: Gigabit-capable Passive
Optical Networks (GPON): Physical Media
Dependent (PMD) layer specification, 2003b.
ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION
SECTOR (ITU-T) G.984.3: Gigabit-capable Passive
Optical
Networks
(GPON):
Transmission
convergence layer specification, 2004a.
ITU TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION
SECTOR (ITU-T) G.984.4: Gigabit-capable Passive
Optical Networks (GPON): ONT management
and control interface specification, 2004b.
KENNEDY, M. Building Out FTTH: Cost Effective
Technology And Consumer Demand Drive
Growth. Telecommunication Online, Disponível
em: <http://www.telecommagazine.com>. Acesso
em: 24 abr. 2007.
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 2, p. 61-69, jul./dez. 2007
Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica
PERKINS, B. Optimal Splitter Placement in
PONs. Bechtel Telecommunications Technical
Journal, v. 2, n. 2, p. 49-52, set. 2004.
PERKINS, B. Reducing the Amount of Fiber in
Fiber-to-the-Home
Networks.
Bechtel
Telecommunications Technical Journal, v. 4,
n. 1, p. 1-8, jan. 2006.
SHINOHARA, H. FTTH Market – Growth and
Expansion in Japan. Proceedings of the Optical
Fiber Communications Conference, 2006.
Abstract
This paper describes the access technology based on Gigabit capable Passive Optical Network, with an
optical distribution network to deliver optical signal to the user premises. A new distribution network
topology is presented and compared against standard technologies, based only on symmetrial splitters.
Key words: Access network. Fiber to the Home. Passive optical network. Optical distribution network.
GPON.
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 3, n. 2, p. 61-69, jul./dez. 2007
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