PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ
ESCOLA POLITÉCNICA
ENGENHARIA ELÉTRICA - TELECOMUNICAÇÕES
LUAN BUENO BARROS SOUZA
PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UMA REDE DE ACESSO USANDO
TECNOLOGIA PON
Curitiba
2014
LUAN BUENO BARROS SOUZA
PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UMA REDE DE ACESSO USANDO
TECNOLOGIA PON
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso de Graduação em
Engenharia
Elétrica
da
Pontifícia
Universidade Católica do Paraná, como
requisito parcial à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador:
Nabhen
Curitiba
2014
Prof.
Ricardo
Cassiano
LUAN BUENO BARROS SOUZA
PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UMA REDE DE ACESSO USANDO
TECNOLOGIA PON
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Graduação em
Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito
parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
COMISSÃO EXAMINADORA
_____________________________________
RICARDO CASSIANO NABHEN
(ORIENTADOR)
_____________________________________
JOSÉ MARIA TIEPOLO
(CO-ORIENTADOR)
_____________________________________
JAMES ALEXANDRE BARANIUK
(PROFESSOR)
Curitiba, 04 de dezembro de 2014.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço a Deus por sempre estar ao meu lado, dando-me força
para sempre seguir em frente com meu objetivo.
Por segundo, gostaria de agradecer a toda minha família e amigos, que
participaram da minha vida nesse ano tão importante para minha formação
acadêmica.
Meu
agradecimento
especial
para o
Professor
Ricardo
Nabhen, orientador
e coordenador do curso, que me estimulou a trabalhar no tema GEPON e sempre
me orientou quanto ao melhor caminho a ser tomado perante alguma dificuldade ao
longo deste ano.
Agradeço a especial colaboração do Professor José Tiepolo, coorientador, que me
deu todo o suporte necessário para a realização do trabalho de conclusão de curso,
e
ao
Professor
James
Alexandre
Baraniuk,
que sempre
esteve
à minha disposição com o seu apoio.
Agradeço a todos os profissionais da COPEL e Furukawa que, com muita
generosidade, facilitaram meu acesso aos conhecimentos da rede GPON.
"Bom mesmo é ir à luta com determinação,
abraçar a vida com paixão,
perder com classe e vencer com ousadia,
pois o mundo pertence a quem se atreve.
A vida é muito pra ser insignificante"
(Charles Chaplin)
RESUMO
Atualmente, as redes ópticas passivas vêm sendo um assunto de destaque
mundial na área de telecomunicações, pois estão gerando uma nova forma de
atendimento aos clientes com o fornecimento de internet rápida. A população está,
cada vez mais, precisando de altas taxas de banda larga e a única maneira de tornar
isso possível é levar a fibra óptica até as casas. No presente trabalho, apresenta-se
o estudo das diferentes características das redes GPON. Primeiramente, foi
realizada uma abordagem sobre a fibra óptica, formato dos pacotes, topologias,
equipamentos, exemplos projetados e, por fim, o estudo de caso, em que se
analisaram as necessidades de atendimento de uma escola. No estudo de caso,
foram considerados o cálculo de enlace para determinar a potência de recepção nas
ONUs e a banda que cada uma delas poderia ofertar. O mesmo sistema da escola
foi implementado no laboratório da PUCPR, tornando possível a comparação do
cálculo teórico com as medições realizadas. É imprescindível projetar e implementar
as redes GPON para desenvolvimento dessa tecnologia, propiciando a ampliação e
melhoria dos serviços de telecomunicações para os clientes. Levando-se esses
fatores em consideração, tem-se como objetivo deste projeto a implementação da
rede GPON e, consequentemente, a captura de medidas como potência e taxas de
transmissão para validação do projeto.
Palavras-chave: Redes ópticas passivas; GPON; FTTx; Fibras; OLT; ONU.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Tipos de implementação. ........................................................................ 13
Figura 2 - Fibra e conector ...................................................................................... 16
Figura 3 - Formato Downstream.............................................................................. 18
Figura 4 - Formato Upstream .................................................................................. 19
Figura 5 - Frame de dados - fluxo ascendente e descendente ............................... 22
Figura 6 - Canal de retorno ..................................................................................... 23
Figura 7 - Encapsulamento GEM ............................................................................ 23
Figura 8 - Representação Topologia Estrela ........................................................... 26
Figura 9 - Topologia em árvore com duas possibilidades de retorno. ..................... 27
Figura 10 - Topologia em anel................................................................................... 27
Figura 11 - Topologia em barramento ....................................................................... 28
Figura 12 - Exemplo de arquitetura com equipamentos CIANET .............................. 29
Figura 13 - DIO com Splitters, conectores para conexão à OLT. .............................. 29
Figura 14 - Caixa óptica de distribuição com splitters e conectores. ......................... 30
Figura 15 - PTO: Ponto de terminação óptica. Cabo DROP interno. ........................ 30
Figura 16 - Ganhos operacionais com alta densidade de fibra. ................................ 33
Figura 17 - Divisão da rede e banda disponível. ....................................................... 34
Figura 18 - Limites de alcance. ................................................................................. 34
Figura 19 - Topologia da rede GPON com distribuição híbrida. ................................ 35
Figura 20 - Acopladores simétricos com três níveis de splitagem ............................ 36
Figura 21 - Exemplo projetado. ............................................................................... 37
Figura 22 - Atenuação em cada estágio .................................................................... 37
Figura 23 - Placa SUGP1. Fabricante MileGate. ....................................................... 42
Figura 24 - Plataforma GEPON Furukawa ................................................................ 42
Figura 25 - ONU GEPON Furukawa ......................................................................... 43
Figura 26 - SFP ONU GPON Furukawa .................................................................... 43
Figura 27 - Produtos.................................................................................................. 44
Figura 28 - Gerenciamento........................................................................................ 44
Figura 29 - Perdas demonstradas com OTDR .......................................................... 45
Figura 30 - Exemplo de um evento medido pelo OTDR ............................................ 45
Figura 31 - Medições OTDR1.................................................................................... 46
Figura 32 - Medições OTDR2.................................................................................... 46
Figura 33 - Teste em campo usando ORL ................................................................ 47
Figura 34 – Power Meter ........................................................................................... 48
Figura 35 - Teste de desempenho da rede ............................................................... 49
Figura 36 - Ferramenta JPERF ................................................................................. 50
Figura 37 - Pré-projeto feito no Google Earth............................................................ 53
Figura 38 - Protocolo GEPON (IEEE). ...................................................................... 54
Figura 39 - Implantação de redes ópticas passivas e gerenciamento de uma
plataforma Gigabit Ethernet PON (Gepon). ............................................. 54
Figura 40 - ONT GEPON - CTS2702B ...................................................................... 55
Figura 41 - Especificações técnicas .......................................................................... 56
Figura 42 - OLT CTS 278 .......................................................................................... 57
Figura 43 - Especificações OLT ................................................................................ 57
Figura 44 - Características de transmissão da fibra .................................................. 58
Figura 45 - Cabo Drop ............................................................................................... 59
Figura 46 - Especificação técnica.............................................................................. 59
Figura 47 – Sinal óptico ............................................................................................. 60
Figura 48 - Teste usando Power Meter como fonte de sinal ..................................... 63
Figura 49 - Conector pré-polido................................................................................. 63
Fluxograma 1 – Esquemático do projeto ................................................................... 41
Gráfico 1 - Mercado mundial FTTH ........................................................................... 12
Gráfico 2 - Atenuação acumulado do projeto ............................................................ 52
Quadro 1 - Tipos de PON mais usuais e suas principais características.. ............... 25
Quadro 2 - Perda de inserção no splitter óptico ....................................................... 31
Quadro 3 - Comparativo PON x P2P ........................................................................ 33
Quadro 4 - Detalhamento de perdas ........................................................................ 39
Quadro 5 - Cálculo da margem de desempenho do sistemas.................................. 40
Quadro 6 - Pontos de terminação de rede do projeto .............................................. 40
Quadro 7 - Largura de pulso .................................................................................... 46
Quadro 8 - Especificações técnicas ......................................................................... 48
Quadro 9 - Projetos de Redes PON ......................................................................... 52
Quadro 10 - Perda por splitagem .............................................................................. 52
Quadro 11 - Configuração largura de banda ............................................................. 53
LISTAS DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ADSL
Asymetric Digital Subscriber Line
AES
Advanced Encryption
Encriptação)
AF
Adaptation Function (Função de Adaptação)
ALM
Adaptative Logic Modules (Módulos Lógicos Adaptáveis)
ASIC
Application Specific Integrated Circuit (Circuito Integrado para
Alicações Especificas)
ATM
Asynchrinous
Assíncrono)
APON
Asynchrinous Transfer Mode PON
BPON
Broadband PON
DWDM
Dense Wavelength Division Multiplex
EPON
Ethernet PON
FTTB
Fiber to the Builing
FTTC
Fiber to the Curb
FTTCab
Fiber to the Cabinet
FTTH
Fiber to the Home
FSAN
Full Service Access Network
GEM
GPON Encapsulation Method
GPON
Gigabit Passive Optical Network (Rede Óptica Passiva Gigabit)
ITU T
International Telecommunication Union
LAN
Local Area Network
MPCP
MULTI Point Control Protocol
OAM
Operation, Administration and Maintenance (Operações,
Administração e Manutenção GPON)
TDMA
Time Division Multiple Access
TDM-PON
Time Division Multiplexing Passive Optical Network
WDM
Wave length Division Multiplexing
WLAN
Wireless Local Area Network
Transfer
System
Mode
(Sistema
(Modo
de
Avançado
de
Transferência
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ................................................................................................. 11
1.1
Motivação ........................................................................................................ 13
1.2
Estado da Arte ................................................................................................ 13
1.3
Objetivo Geral ................................................................................................. 14
1.4
Objetivos Específicos ................................................................................... 14
2
DESCRIÇÃO SUCINTA DAS TEORIAS E TÉCNICAS UTILIZADAS ............ 15
2.1
Descrição do hardware necessário para o desenvolvimento ................... 15
2.2
Partes de uma fibra óptica............................................................................. 16
2.2.1 Boas práticas na manipulação de fibra............................................................. 17
2.3
Tipos de redes de acesso PON ..................................................................... 17
2.3.1 APON: ITU-T G.983 ......................................................................................... 18
2.3.2 BPON: ITU-T G.983 ......................................................................................... 19
2.3.3 EPON: IEEE802.3 ............................................................................................ 20
2.3.4 GPON: ITU-T G.984 ......................................................................................... 21
2.3.5 WDM-PON ....................................................................................................... 24
2.3.6 TDM-PON ......................................................................................................... 24
2.4
Topologias das Redes de acesso ................................................................. 25
2.4.1 Estrela .............................................................................................................. 26
2.4.2 Árvore ............................................................................................................... 26
2.4.3 Anel
............................................................................................................... 27
2.4.4 Barramento (BUS) ............................................................................................ 28
3
ESTRUTURA DE REDES DE ACESSO .......................................................... 29
3.1
Considerações de projeto ............................................................................. 32
3.2
Topologia ........................................................................................................ 34
3.3
Exemplo projetado 1 ...................................................................................... 36
3.3.1 Exemplo projetado 2 ........................................................................................ 37
3.3.2 Exemplo projetado 3 ........................................................................................ 38
3.4
Especificações de equipamentos ................................................................. 41
3.5
Testes .............................................................................................................. 45
4
CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE PROJETOS DE REDES PON ............. 51
5
ESTUDO DE CASO ......................................................................................... 55
5.1
Equipamentos usandos em laboratório ....................................................... 57
5.2 Cenário implementado .................................................................................... 59
5.2.1 Cálculo de enlace ............................................................................................. 61
6
CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................. 64
REFERÊNCIAS ................................................................................................. 65
ANEXOS ........................................................................................................... 66
11
INTRODUÇÃO
As tecnologias de comunicação óptica tiveram um rápido desenvolvimento e,
com a expansão do mercado de negócios de banda larga, o foco voltou-se para a
pesquisa em tecnologia de rede de acesso.
A rede de acesso por fibra óptica passiva – Passive Optical Network (PON) –
possui a mais nova tecnologia de transmissão óptica de banda larga e mostra um
grande potencial. As tecnologias Gibabit Passive Optical Network (GPON) e
Ethernet Passive Optical Network (EPON) são duas das principais redes ópticas
passivas.
Estudos mostram que o sistema PON será a tecnologia de rede de acesso
óptico mais interessante, tornando-se cada vez mais importante, pois permite altas
taxas de transmissão e recebimento de dados.
De acordo com Valérie Chaillou, diretora de Estudos em IDATE (2014, p. 14):
How can you convince end-users to change their subscription? How can a
government do this? This is a question of communication, of information.
You have to make sure that people understand the benefits of such a
connection. One possible strategy is to implement pilot platforms allowing
end users to use value-added and innovative services.
Como você pode convencer os usuários finais a mudar a sua assinatura?
Como pode um governo fazer isso? Esta é uma questão de comunicação,
de informação. Você tem que ter certeza que as pessoas entendam os
benefícios de tal conexão. Uma estratégia possível é a implementação de
plataformas piloto permitindo que os usuários finais usem serviços
inovadores.
A evolução da tecnologia muda rapidamente a vida das pessoas, é preciso
preparar-se para atender às necessidades do mundo moderno. A obtenção de altas
taxas de transmissão possibilita a inovação em outros setores de aplicativos e
serviços. Um grande investimento em infraestrutura é fundamental para convencer
clientes dos benefícios de uma super-rápida banda larga.
No Gráfico 1, a seguir, consta uma análise feita em fevereiro de 2013, em que
é possível visualizar a implantação dos serviços FTTH/B no mercado mundial:
12
Gráfico 1 - Mercado mundial FTTH
Fonte: IDATE e FTTH Council Europe, fevereiro 2013.
A seção óptica de um sistema de rede de acesso local pode ser ativa ou
passiva e sua arquitetura pode ser tanto de ponto a ponto ou de ponto a multiponto.
A Rede de Acesso Óptico (OAN) é comum à maioria das arquiteturas. A
uniformização desse sistema tem o potencial de gerar grandes volumes de dados
em todo o mundo (ITU- T G984.1, 2008).
 FTTH - Fiber To The Home – fibra até a residência do usuário.
 FTTB - Fiber To The Building – fibra até edifício.
 FTTCab - Fiber To The Cabinet - fibra até um gabinete, onde a distribuição
para os usuários é feita por meio de cabo coaxial ou cabo de cobre.
A Figura 1 adiante mostra os tipos de implementação.
13
Figura 1 - Tipos de implementação
Fonte: Recomendações ITU-T G.984.1, (03/2008).
1.1 Motivação
Contribuir com um estudo que visa a implementação de serviços de banda
larga para usuários residenciais e comerciais.
Tecnologias ópticas tiveram um grande progresso nos últimos anos,
entretanto, ainda existem muitos desafios para implementações mais amplas.
Hoje, tem-se uma demanda de serviços emergentes, que precisam de altas
taxas de transmissão (VoiP, IPTV), e esta situação contribuiu para o aumento da
utilização de fibras ópticas, com a tecnologia PON sendo usada como referência
para implementações Fiber to the Home (FTTH).
1.2 Estado da Arte
Existem vários tipos de soluções PON, algumas inclusive são evoluções e
adaptações da própria tecnologia, são elas:
14
APON, BPON, EPON, GPON, WDM- PON e TDM-PON.
Essas derivações são especificadas pelos Orgãos de Telecomunicações
Mundial, sendo eles: FSAN (Full Service Access Network), ITU-T e IEEE.
Posteriormente, no item 2.3 Tipos de redes de acesso PON, serão detalhadas todas
essas tecnologias.
.
1.3 Objetivo Geral
Estudar e determinar uma topologia de rede PON, que funcione com
transmissão de dados entre uma central e outros dispositivos finais, comunicando
os equipamentos em laboratório e analisando o desempenho, para melhor escolher
a opção de implementação.
1.4 Objetivos Específicos
O propósito deste trabalho é estudar as diferentes tecnologias PON para
implementação de uma rede de fibra óptica, no Laboratório de Redes 2, aplicando
metodologias de projetos, especificações dos equipamentos, níveis de splitagem e
orçamentos de potência, a fim de possibilitar a um dispositivo final, conectado à
central, ter o melhor desempenho em termos de potência e banda disponível para
seus usuários. Utilizar-se-ão:

Power Meters para realizar as medições necessárias;

Microscópio de campo para inspeção de conectores em cabos ópticos;

Caneta óptica;

Ferramenta para limpeza de conector.
Essas ferramentas serão úteis para que não existam falhas nos links de
fibras. Através de um estudo de caso, será possível saber, com as características de
atenuação, transmissão e recepção, se o sistema a ser implantado é viável.
15
2 DESCRIÇÃO SUCINTA DAS TEORIAS E TÉCNICAS UTILIZADAS

Recomendações ITU-T G.984 e IEEE protocolos Ethernet. Uma
arquitetura de rede metropolitana óptica passiva, com vários protocolos
de baixo nível (OSI 1 e 2) padronizados pela ITU-T referência G.984.X.

A arquitetura da rede pode ser constituída (configurada) nas opções:
o FTTH (Fiber To The Home)
o FTTB (Fiber To The Building)
o FTTCab (Fiber To The Cabinet)
A arquitetura a ser utilizada será definida pelo serviço que se pretende
oferecer.
Serviço digital broadcast / content broadcast (utilização de dados digitais, em
vez de forma de ondas analógicas para realizar transmissões em canais de televisão
IPTV), VOD (Video On Demand), download de arquivo, estudo a distância (distance
learning), telemedicine, online-gaming, serviços de telefonia (VoIP).
Serão necessários:

equipamentos de testes de telefonia;

verificadores de redes e cabeamento;

ferramentas para gerenciamento de rede Ethernet;

ferramentas para inspeção, limpeza e teste de fibras ópticas.
2.1 Descrição do hardware necessário para o desenvolvimento
Os principais elementos que compõem uma rede óptica passiva são:

Optical Line Termination (OLT)
Um dispositivo central, ponto final de uma ODN, que fornece funções de
gestão e de manutenção para a ODN e ONUs. Esse equipamento é
localizado no Centro de Operações (CO) e sua finalidade é processar os
sinais, gerenciar os dados e conectar os usuários da rede de acesso à
rede de transporte.

Optical Network Unit (ONU)
16
Termo genérico que indica um dispositivo localizado em qualquer um dos
pontos finais (endpoints), em uma rede de distribuição óptica (ODN).
Implementa um protocolo de PON e adapta PON PDUs (Power
Distribution Units) para interfaces de serviço de assinantes. Em alguns
contextos, uma ONU implica um dispositivo de assinante múltiplo.

Optical Network Termination (ONT)
Um dispositivo de assinante único localizado em qualquer um dos pontos
finais (endpoints) em uma rede de distribuição óptica (ODN). Um ONT é
um caso especial de uma ONU.

Optical Splitter
Divisores de fibra óptica permitem que um sinal em uma fibra óptica seja
distribuído entre duas ou mais fibras.

Passive Optical Distribution Network (ODN)
Interligamento entre a OLT e a ONU/OLT. Uma árvore de fibras ópticas na
rede de acesso, utilizando wavelength splitters (divisores de comprimento
de onda), filtros ou outros dispositivos ópticos passivos.
2.2 Partes de uma fibra óptica
Figura 2 – Fibra e conector
Fonte: Zhone FTTx Application guide, 2009.
(Núcleo) Fiber core - núcleo da fibra. Possui um índice de refração mais
baixo. A luz viaja no núcleo através da reflexão interna total.
(Casca) Cladding – é uma ou mais camadas de materias com índice de
refração ligeiramente inferior ao do núcleo, o ângulo crítico para a reflexão interna
total é cerca de 90°. Consequentemente, apenas os raios que viajam quase
paralelos ao eixo são totalmente refletidos internamente.
17
(Capa Protetora) Coating - é uma camada de revestimento com material
plástico resistente, teflon, borracha ou semelhante, para proteger a fibra óptica.
End face - é a parte do conector que faz contato com o transceptor. Falhas no
conector são devidas a sujeiras ou danos na ponta End face.
As fibras precisam ser alinhadas para passar luz corretamente, por isso,
existe uma parte mecânica do conector para fixá-lo corretamente, na figura 2 está
indicado como Connector Key .
2.2.1 Boas práticas na manipulação de fibra

Não manusear peças de fibra óptica com os dedos, e usar pinça ou fita
adesiva para levantar e descartar qualquer extremidade solta da fibra
óptica.

Segurar apenas a carcaça quando ligar ou desligar conectores. Se tocar
na face extremidade da fibra, inspecionar e limpar.

Se houver possibilidade de recortes de fibra, lavar as mãos, pois
pequenos pedaços de vidro podem não ser vistos e causar danos aos
olhos.

Usar luvas de borracha ao limpar conexões ópticas, para evitar
contaminação de oleosidade da pele na ponteira.

Manter todas as portas e conectores ópticos cobertos com uma tampa de
conector ou uma tampa de proteção limpa.

Guardar as tampas em recipientes com fecho para evitar que eles tornemse contaminados.
2.3 Tipos de redes de acesso PON
Podem-se classificar as redes PON em diferentes tipos, tais como:
1. APON (Asynchronous Transfer Mode PON), que é baseada em ATM;
2. BPON (Broadband PON);
3. EPON (Ethernet PON), que é baseada em Ethernet;
4. GPON (Gigabit PON), que tem capacidade Downstream de até 2.5Gb/s.
18
5. WDM-PON (Wavelegnt Divison Multiplexing PON), que usa a técnica
WDM.
6. TDM-PON.
2.3.1 APON: ITU-T G.983
Rede APON foi o primeiro padrão para redes PON aceito pela ITU-T,
conforme norma G.983. O padrão utilizaria o protocolo ATM - Asynchronous Transfer
Mode (Modo de Transferência Assíncrono), onde as fontes de informação são
mutuamente assíncronas e a informação é segmentada em células, as quais são
enviadas pelas fontes em instantes independentes. Nas redes ópticas passivas, foi
denominado
como
APON
ou
ATM
PON,
independentemente
do
tráfego
transportado.
O foco dessa rede, inicialmente, foi para uso residencial. Na sua versão
inicial, não se incluiu o serviço de vídeo, foi utilizada fibra óptica tipo monomodo. A
princípio, com uma arquitetura com transmissão simétrica e taxa de 155 Mbit/s e
utilizando o comprimento de onda de 1310 nm para voz e dados no Upstream,
1550nm para vídeo e 1490 nm para voz e dados na Downstream. Além disso, utiliza
as células PLOAM - Physical Layer Operation Administration and Maintenance
(Camada Física de Operação, Administração e Manutenção) para alocação de
banda, sincronização, controle de erros, segurança e manutenção, além das células
ATM.
A transmissão do fluxo ascendente 155.52 Mb/s é realizada em "rajadas"
(burst).
Figura 3 - Formato Downstream
Fonte: International Telecommunication Union - ITU (2003)
19
Figura 4 - Formato Upstream
Fonte: International Telecommunication Union - ITU (2003)
Conforme as recomendações G.983, a distância entre OLT e ONT é limitada
em 20 km e pode atender a, no máximo, 32 ONTs.
O termo APON fez com que os clientes pensassem que somente os serviços
ATM seriam fornecidos, alterando, assim, o nome para banda larga PON (BPON).
2.3.2 BPON: ITU-T G.983
O padrão BPON (Rede Óptica Passiva Banda Larga) foi o próximo passo
devido à necessidade de atender a altas taxas de bits para transferência de
informações. O primeiro padrão para o BPON segue norma ITU-T G983.1, que tem
por padrão atender a taxas de 155 Mbit/s simétricos e 622/155 Mbit/s assimétrico,
sendo para downstream 622 Mbit/s e 155 Mbit/s para upstream. Com a necessidade
de se incluir um novo comprimento de onda para transmissão de vídeo, estudos da
ITU aprovaram a norma ITU-T G983.3, em que a capacidade de link foi estendida
para 622 Mbit/s simétricos e 1244/622 -Mbit/s assimétricos.
Esta é uma tecnologia APON modificada, permitindo mais serviços como
difusão de vídeo. Suporta WDM (Wavelenght Division Multiplex) e possui alocação
dinâmica da largura de banda.
A transmissão de voz e dados é feita sobre a mesma fibra, sendo reservadas
frequências diferentes para a televisão analógica e a digital, evitando, assim, a
sobreposição de comprimentos de onda (overlay wavelength).
Protocolo de transporte: ATM
Fluxo descendente: 622 Mbps, com 1,2 Gbps dividido pelos utilizadores
Fluxo ascendente: 155 a 622 Mbps
20
2.3.3 EPON: IEEE802.3
O EPON provê taxas de 1.25 Gbit/s tanto para downstream, usando
comprimento de onda de 1490 nm (voz e dados) e 1550 nm (vídeo), como para
upstream, usando comprimento de onda de 1310 nm. As OLTs no EPON podem se
conectar a 32 ou 64 ONUs. Foram definidas duas arquiteturas para esse padrão: a
1000BASE-PX10 e a 1000BASE-PX20, tendo como diferença básica, entre elas, a
distância máxima entre a OLT e as ONU, sendo 10 km e 20 km, respectivamente.
Para atingir essa capacidade de 1 Gbit/s, o EPON tem taxas de fracionamento de
1:32 e 1:64 e trabalha com largura de banda média por usuário de 60 e 30 Mbit/s,
respectivamente.
As redes EPON trabalham com um protocolo desenvolvido especificamente
para seu funcionamento, pois o protocolo Ethernet não atende a algumas
necessidades da rede. O EPON é baseado no MPCP (Mult-Point Control Protocol),
que permite o transporte e a comunicação dos serviços através do OAM (Operation
Administration and Maintenance), garantindo administração e manutenção com
qualidade para o serviço oferecido. O MPCP é definido como uma função da
subcamada de controle MAC (Medium Access Control). Assim, o protocolo MPCP
proporciona uma conexão individual da OLT com todas as ONUs na topologia pontomultiponto. O MPCP utiliza duas mensagens principais: GATE, que é usada pela
OLT para registrar as ONUs a elas conectadas, e REPORT, que é enviada da ONU
para a OLT em que está conectada, com informações referentes à transmissão,
mantendo a segurança da rede EPON.
Cada pacote Ethernet tem o endereço da ONU, à qual vai ser enviado, mas é
transmitido a todas as ONUs.
A rede EPON tem débito em ambas as direções, de 1.25 Gbps, dividido entre
os utilizadores.
Algumas vantagens das EPON:

Grande flexibilidade nos serviços disponibilizados;

Equipamentos de fácil manutenção.
21
2.3.4 GPON: ITU-T G.984
Em GPON, é transportado o quadro Ethernet, trabalhando com ATM e TDM
através do GEM (método de encapsulamento GPON), para permitir uma
interoperabilidade com outras redes, como DSL, HFC e redes sem fio (802.11).
O GPON pode atingir as taxas de upload de até 1.25 Gbps e taxas de
download de até 2.5Gbps. Assim, pode fornecer largura de banda suficiente para
atender às comunicações de alta velocidade, especialmente o modo assimétrico que
suporta o amplo serviço de dados.
Lam (2007) explica que, para obter essas taxas, é preciso uma potência
adequada, e o padrão especifica que, para receptores mais próximos, será enviada
uma potência menor do que para receptores mais distantes.
GPON fornece largura de banda suficiente para atender às comunicações de
alta velocidade no modo assimétrico/simétrico, que suporta amplos serviços de
dados e de telefonia baseados em protocolo IP, serviços IPTV e entrega de
conteúdos sob demanda (on demand).
A principal razão para GPON é o esperado consumo de banda para serviços
de TVs de alta definição (HDTV). Enquanto uma TV de definição padrão (SDTV),
canal com codificação MPEG2, exige 3 Mbits/s de capacidade, HDTV precisa de 18
Mbits/s e, portanto, vai muito rapidamente consumir PON capacidade download
(PARSONS, 2006).
Uma das questões abordadas no artigo de Parsons (2006) é o quão rápido
deve ser um PON para suportar uma mistura de conteúdo IPTV e ainda fornecer
serviços IP básicos, tais como voz e internet de alta velocidade. Isso depende de
fatores como a demografia, taxa consumida, se a transmissão de tráfego é multicast
ou unicast , e planejamento de rede .
A Figura 5 a seguir mostra o Frame de dados – fluxo ascendente e
descendente.
22
Figura 5 - Frame de dados - fluxo ascendente e descendente
Fonte: TELECO, 2014.
PCBd: Physical Control Block for downstream - bloco de controle físico é
transmitido para as ONUs em broadcast. Cada ONU recebe seu PcBd
correspondente, que se comporta de acordo com as informações do conteúdo. Ele é
segmentado em 6 itens:

Psync - Sincronização física

Ident - Campo de identificação

PLOAMd - Campo de operação, administração e gerenciamento da
camada física na direção de downstream

BIP: Bit Inter-leaved Parity - Campo do código de paridade

Campo Plend

BW map - Campo do mapa de largura de banda
23
Frame de dados no canal de retorno
Figura 6 – Canal de retorno
Fonte: TELECO, 2014.
Os frames de upload têm uma duração constante de 125μ se um
comprimento de 19,44 bytes para sistemas de 1.24416 Gb/s e 38,88 bytes para
sistemas de 2.48832 Gb/s. A ONU gera os frames de dados no canal de retorno.

PLOu: Physical Layer Overhead of upstream;

PLOAMu: campo opcional de PLOAM upstream;

PLSu: campo de sequência de nivelador de potência de upstream;

DBRu: campo de reporte dinâmico de largura de banda.
Modo de encapsulamento GPON (GEM)
Figura 7 - Encapsulamento GEM
Fonte: TELECO, 2014.
Este método flexível de encapsulamento permite realizar transmissões de
pacotes IP de diferentes tamanhos ao longo dos enlaces no protcolo de divisão
TDM.

Payload Length Indicator - indicador do comprimento do payload;

PORT ID - identificação da Porta;

PTI - tipo de dados t;

HEC - proteção de erro de código.
24
2.3.5 WDM-PON
As redes WDM-PON constituem uma das soluções para a demanda
crescente de banda, em que uma fibra virtual é disponibilizada para cada assinante
via comprimento de onda ou frequência óptica. Para que essas redes sejam
viabilizadas, é necessário desenvolver dispositivos especiais que reduzam o custo
da tecnologia empregada para o assinante.
É uma tecnologia que faz a multiplexagem de múltiplos sinais de portadoras
ópticas numa única fibra óptica, utilizando diferentes comprimentos de onda (cores)
de luz laser para transportar sinais diferentes. Isso permite uma multiplicação da
capacidade, além de possibilitar comunicações bidirecionais através de um fio de
fibra. Também é uma forma de multiplexagem por divisão de frequência (FDM), mas
é normalmente chamado de multiplexagem por divisão de comprimento de onda.
O termo multiplexagem por divisão de comprimento de onda é normalmente
aplicado a uma portadora óptica (descrito pelo seu comprimento de onda) e, por sua
vez, a multiplexagem por divisão de frequência, geralmente, se aplica a uma
portadora de rádio.
Dentro da multiplexagem de comprimento de onda, existem o CWDM (Coarse
Wavelength Division Multiplexing) e o DWDM (Dense Wavelenght Division
Multiplexing).
2.3.6 TDM-PON
É um tipo de multiplexagem digital ou analógica na qual dois ou mais sinais,
ou fluxos de bits, são transferidos ao mesmo tempo, aparentemente como subcanais
num canal de comunicação, mas fisicamente vão se revezando no canal. O domínio
do tempo é dividido em vários intervalos de tempo (timeouts) recorrentes de
comprimento fixo, um para cada subcanal, em que uma amostra byte, ou bloco de
dados de um subcanal 1, é transmitida durante um time-slot, o subcanal 2, durante
dois times-lots e assim sucessivamente.
O trama TDM consiste em um intervalo de tempo por subcanal e, após o
último subcanal, o ciclo começa de novo com nova trama, começando a partir da
segunda amostra, byte ou bloco de dados do subcanal 1.
25
Esse tipo de multiplexagem permite transmitir simultaneamente vários sinais,
dentro do mesmo meio de transmissão, onde cada sinal (canal de comunicação)
possui um tempo próprio e definido de uso da banda para transmissão.
Quadro 1 -Tipos de PON mais usuais e suas principais características
Características
EPON
BPON
GPON
Recomendação
IEEE 802.3ah
ITU-T G.983
ITU-T G.984
Protocolo
Ethernet
ATM
Ethernet, TDM
Taxa de bits
1000 Mbit/s [2], DS
e US
622 Mbit/s DS,
155 Mbit/s US
2488 Mbit/s DS,
1244 Mbit/s US
Span (km)
10
20
20
Taxa de divisão
(split-ratio) [3]
16 ou 32
32
32 ou 64
Fonte: TELECO, 2014.
2.4 Topologias das Redes de acesso
A implementação das redes PON pode ser feita em diferentes topologias,
sendo no sentido de downstream P2MP (Point to Multi Point) e na direção de
upstream P2P (Point to Point).
Na topologia ponto a ponto, utilizam-se mais fibras ópticas na construção de
um cenário, tornando-se mais cara. Neste caso, é necessária uma fibra dedicada
entre o centro de comando até o cliente e, assim, o usuário não compartilha a
largura de banda.
A implementação para projetos com fibras dedicadas é feita, na sua maior
parte, para empresas que precisam à sua disposição uma alta banda para usufruir
de seus serviços.
A implementação das redes PON pode ser:
1. Estrela
2. Árvore
3. Anel
4. Barramento
26
2.4.1 Estrela
Figura 8 - Representação Topologia Estrela
Fonte: TELECO, 2014.
Nesta topologia, são feitas conexões ponto a ponto, utilizando-se uma fibra
dedicada entre OLT e ONT/ONU.
Vantagens

Facilidade na adição de novas estações;

Uma falha em um ramo da rede não vai derrubar toda a rede;

Fácil de resolver os problemas da rede;
Desvantagens

Custo com os cabos dependentes do número de estações;

Maior custo com fibras.
2.4.2 Árvore
Esta topologia é uma das mais utilizadas nas redes PON, ponto-multiponto,
possui custo baixo de implementação e manutenção pelo fato do compartilhamento
da infraestrutura. A principal característica é a formação da rede em que existe
apenas uma OLT se comunicando com várias ONTs/ONUs ou com a possibilidade
de proteção, utilizando um segundo OLT caso ocorra alguma falha.
27
Figura 9 - Topologia em árvore com duas possibilidades de retorno
Fonte: TELECO, 2014.
2.4.3 Anel
Figura 10 - Topologia em anel
Fonte: TELECO, 2014.
As arquiteturas em anel, ponto-multiponto, oferecem mecanismos de proteção
com enlaces redundantes, possuem capacidade de compartilhamento de redes
locais e alocação de largura de banda, podendo ser também consideradas uma
combinação de arquiteturas em árvore e em estrela.
Neste tipo de rede, pode ser escalonada mais quantidade de ONTs/ONUs
sem o uso de amplificadores, por serem flexíveis em largura de banda.
28
2.4.4 Barramento (BUS)
Figura 11 - Topologia em barramento
Fonte: TELECO, 2014.
A topologia de barramento, ponto-multiponto, mostra a OLT ligando com as
ONTs através de um enlace principal. Se houver uma falha nesse enlace, todos os
ONTs serão afetados, desconectando os usuários.
29
3 ESTRUTURA DE REDES DE ACESSO
Figura 12 - Exemplo de arquitetura com equipamentos CIANET
Fonte: Apresentação CIANET em evento Abranet, 2011.
Figura 13 - DIO com Splitters, conectores para conexão à OLT
Fonte: Apresentação CIANET em evento Abranet, 2011.
A caixa óptica primária: protege e abriga emendas diretas ou derivadas de
cabos ópticos.
30
Figura 14 - Caixa óptica de distribuição com splitters e conectores
Fonte: Apresentação CIANET em evento Abranet, 2011.
Figura 15 - PTO: Ponto de terminação óptica. Cabo DROP interno.
Fonte: Apresentação CIANET em evento Abranet, 2011.
O Centro de Operações (CO) utiliza uma plataforma óptica conhecida como
Optical Line Terminal (OLT), para transmitir o tráfego para várias
unidades
31
residenciais, ou Terminais de Rede Óptica (ONT). Nesse processo de enviar
potência para as ONTs/ONUs ou OLTs, existe uma perda que é estipulada por
Naigian (2009 ) da seguinte forma:
1) Perda devido à fibra: usando um comprimento de onda de 1550 nm, a
perda é de 0.2 dB/km.
Para o caso de uma distância de transmissão de 5 km, o total de redução
será
.
2) Perda devido aos divisores de comprimento de onda (splitters): perda de
inserção. Neste exemplo Naigian utiliza um spliiter 1:32, portanto a perda é de 17dB.
Quadro 2 - Perda de inserção no splitter óptico
Fonte: NAIGIAN, (2009).
3) OLT insertion loss: para uma aplicação DTV, o sinal perde cerca de 3db na
OLT.
4) Potência mínima na entrada da ONU: para sistemas FTTH,
não é
necessária uma potência alta de transmissão. Portanto, uma potência de
transmissão de -6 dBm será o suficiente. Para sistemas FTTB, a potência na entrada
precisa ser mais alta, porque os sinais de TV digitais precisam ser distribuídos para
cada cliente, com a potência devendo ser na ordem de 0 dBm.
A conclusão a que se chega é que a entrada óptica da OLT para FTTH é
(1+17+3-6) = 15 dBm e para FTTB é (1+17+3+0) =21 dBm. (1 dB - Perda da fibra,
17 dB - Perda de inserção no splitter, 3dB aplicação DTV).
Ao invés de utilizar sistemas eletrônicos na Rede de Distribuição Óptica
(ODN), entre o OLT e ONT, o uso de divisores passivos (splitters) permite dividir
uma única transmissão em múltiplos fluxos de ponto final, assim como o tráfego
upload agregado de vários ONTs, em um fluxo comum de voltar para o CO (Centro
de Operações).
32
Os sinais no fluxo descendente provenientes da central são transmitidos para
todas as instalações dos clientes (ONT) que partilham a mesma fibra, são
combinados usando o protocolo TDM. O equipamento ONT é configurado para
selecionar somente os quadros descendentes a ele endereçados.
Os sinais no fluxo ascendente são combinados usando um protocolo de
múltiplo acesso, o TDMA. Para evitar colisão na transmissão dos dados pelo ONT, o
OLT insere no cabeçalho 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. "Ranging" é
o processo que define esses atrasos, e é feito através o de comandos enviados da
OLT para os ONTs, que respondem através de uma transmissão ascendente. O
tempo de resposta de cada ONT é utilizado para calcular os atrasos e para indicar o
intervalo de transmissão que ele deve usar para o tráfego ascendente.
Cada ONT transmite sinais com diferentes perdas, por isso, é necessário que
o receptor óptico do OLT tenha sensibilidade adequada e permita uma faixa
dinâmica. Para se obter essa faixa dinâmica, usa-se a técnica de "power levelling",
que faz o nivelamento das potências emitidas pelos ONTs. No momento de ativação
da ONT, o OLT envia a mensagem para realizar essa técnica.
O controle e a monitoração dos ONTs são feitos através da interface OMCI
(ONT Management and Control Interface), que utiliza um canal chamado OMCC
(ONT Management and Control Channel) para transportar protocolos e mensagens.
Esse gerenciamento permite estabelecer conexões nas interfaces da ONT, alerta de
falhas de enlaces e demonstrativos de desempenho.
3.1 Considerações de projeto
No projeto de implementação de redes FTTx, são necessárias algumas
diretrizes gerais, como, por exemplo: os serviços a serem disponibilizados, os
segmentos a serem atendidos, a otimização da rede, e o fornecimento de soluções
economicamente viáveis e alternativas para migração e evolução da rede.
O Quadro 3 e a Figura 16 mostram um comparativo de dois projetos,
realizados com GPON e uma arquitetura ponto a ponto, para atender a 16.000
assinantes.
33
Quadro 3 - Comparativo PON x P2P
GPON
Ponto a ponto
Quantidade de fibras a partir da central
500
32.000
Quantidade de racks
3
40
Ocupação de espaço físico na central
10 m2
100 m2
Consumo de energia
4.800 w
67.000 w
Fonte: Alcatel-Lucent.
Figura 16 - Ganhos operacionais com alta densidade de fibra
Fonte: Alcatel-Lucent.
34
Figura 17 - Divisão da rede e banda disponível
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
A diminuição da razão de divisão da rede aumenta a banda disponível por
usuário.
3.2 Topologia
A rede GPON tem suas limitações, com um alcance lógico de 60 km (entre
OLT e ONT) e um alcance físico de 20 km (distância entre os ONTs). Para altas
taxas de transmissão, a distância física máxima é 10 km. Esses limites são
necessários para ter uma atuação correta do protocolo de ranging.
Figura 18 - Limites de alcance
Fonte: Redes Ópticas de Acesso: Padrão EPON e GPON, 2011.
35
Vários fatores influenciam nos limites da rede: topologia, atenuação das
fibras, quantidade de clientes, número de níveis de distribuição de potência de saída
dos transmissores e sensibilidade dos receptores.
Uma topologia bastante utilizada é em barramento, híbrida simétrica e
assimétrica, apresentada a seguir na Figura 19.
Figura 19 - Topologia da rede GPON com distribuição híbrida
Fonte: Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica, 2007.
Neste caso, têm-se acopladores que derivam a potência óptica em uma
fração D. A potência óptica derivada é, então, distribuída através de outro acoplador
1:N simétrico. Assim, é possível fazer análises de perda, devendo-se levar em
consideração o tráfego ascendente, pois é ele que tem maior atenuação.
A equação que define a perda do total do sinal
:
: Perda do distribuidor simétrico 1:N
: Perda das conexões ópticas
: Perda na derivação do acoplador assimétrico
: Perda na transmissão pelos acopladores assimétricos
: atenuação da fibra
: comprimento de fibra entre os estágios de derivação
A margem de potência óptica é definida pela potência óptica transmitida pelo
ONT e a sensibilidade do receptor:
.
36
Portanto, é possível planejar uma estrutura com diferentes quantidades de
derivações e ONTs. Cada derivação atenderá a um número X de ONTs, e será
possível fazer cálculos de margem para diferentes valores de fração de potência
óptica derivada. Consequentemente, é possível definir a quantidade de fibra total
necessária para a montagem da rede de distribuição.
Podem-se realizar os atendimentos dos ONTs utilizando uma topologia com
apenas acopladores simétricos, conforme a Figura 20:
Figura 20 - Acopladores simétricos com três níveis de splitagem
Fonte: Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica, 2007.
Nessa topologia convencional, observa-se que nem todas as fibras são
utilizadas ao longo de todo o cabo, havendo, assim, um desperdício.
3.3 Exemplo projetado 1
Naigian (2008) projetou um sistema GPON para transmitir sinais de TV
digital. Nesse sistema, existem nove edifícios em área de cobertura. Entre eles,
foram feitos um edifício FTTH (Fiber-To-The-Home) e outros oito edifícios FTTB
(Fiber-To-The-Building). O edifício FTTH tem 64 usuários. Cada OLT tem apenas
uma porta PON, e é dividido em 32 ramos por um divisor ótico para fornecer sinais
para 32 usuários. Então, duas OLTs vão atender à demanda. Com base no sistema
de rede e o potencial elétrico de saída da ONU, cada edifício FTTB precisa de 4
ONUs, por isso, há, no total, 32 ONUs. No topo, pode-se ver que esses oito edifícios
só precisam de uma OLT para fornecer sinais. A figura a seguir ilustra a topologia da
situação.
37
Figura 21 – Exemplo projetado 1
Fonte: NAIGAIN, 2009.
3.3.1 Exemplo projetado 2
A quantidade de perda que existirá no sistema é diretamente ligada ao
comprimento do cabo e à quantidade de spliters que colocar nessa mesma FO. Na
figura abaixo, um exemplo de cálculo de atenuação: utilizando um spliter de 1x2
primeiro, para, só então, dividir em outros maiores, tem-se o mínimo de perda na
fibra que vai adiante.
Figura 22 - Atenuação em cada estágio
Fonte: TELECO,2014
38
Usando-se spliters eficientes e obtendo-se uma fusão de qualidade, esses
valores podem diminuir em até 30%.
3.3.2 Exemplo projetado 3
Projeto de instalação da rede EPON na Universidade de São Paulo (USP)
com as seguintes características:

Um cabo de fibras ópticas monomodo, 1,5 km;

Largura de banda de 1Gps para o OLT;

Splitagem de 1:4 divisores ópticos;

24 pontos de terminação para cada ONU.
A largura de banda assegurada na saída de cada divisor óptico é de 250
Mbps.
Se todos os 24 pontos forem ocupados, ter-se-á uma largura de banda
mínima por terminal de 10 Mbps.
Essa largura de banda permite a utilização de vários serviços como, por
exemplo: videofonia, videoconferência, ensino a distância, video sob demanda, tv
digital, etc.
O cálculo de perda de potência é feito com base nos seguintes aspectos:

Coeficiente de atenuação do cabo óptico (dB/km) no comprimento de onda de
operação;

Atenuação de emendas por fusão;

Atenuação dos conectores;

Atenuação dos divisores ópticos passivos;

Potência de transmissão;

Sensibilidade do receptor.
O quadro a seguir mostra o detalhamento de perdas.
39
Quadro 4 - Detalhamento de perdas
Fonte: Dissertação apresentada à Universidade de São Paulo - projeto e dimensionamento de
Redes Ópticas Passivas (PONS) - Paulo Takeuti.
De acordo com o padrão EFM 802.3ah, para os transceptores 1000basePX10 (10 km), o balanço de potência óptica é de 21 dB e para 1000base-PX20 (20
km) é de 26 dB.
Cálculo de perdas do sinal óptico no projeto e avaliação do desempenho do
sistema:

Taxa de erro de bit (BER) =10^ (-12);

Potência média de transmissão = -4dBm (especificação TX do
transceptor ONU);

Sensibilidade do receptor operando a 1,25 Gbps para um comprimento
de onda 1310nm = -26dBm (especificação RX do transceptor OLT *);

Comprimento de onda (*) bidirecional 1310nm RX e 1490nm Tx;

Comprimento estimado do cabo óptico 1,5 km;

Taxa de fracionamento de 2 divisores ópticos passivos (1:4 e 1:8) =
1:32;

Número de conectores (um para cada cordão óptico, saída do OLT e
entrada da ONU): 2 unidades;

Número de emendas por fusão na fibra óptica: 6 unidades.
40
No quadro a seguir, verifica-se que as perdas suportadas pelos equipamentos
são de 22 dB. O cálculo de atenuação total do sistema resulta em 19,35 dB.
Portanto, tem-se uma margem de 2,65 dB para o funcionamento correto do sistema
com um fracionamento máximo de 1:32.
Quadro 5 - Cálculo da margem de desempenho do sistema
Fonte: Dissertação apresentada à Universidade de São Paulo - projeto e
dimensionamento de Redes Ópticas Passivas (PONS) - Paulo Takeuti.
Quadro 6 – Pontos de terminação de rede do projeto
Fonte: Dissertação apresentada à Universidade de São Paulo - projeto
e dimensionamento de Redes Ópticas Passivas (PONS) - Paulo Takeuti.
41
Fluxograma 1 – Esquemático do projeto
Fonte: Dissertação apresentada à Universidade de São Paulo - projeto
e dimensionamento de Redes Ópticas Passivas (PONS) - Paulo Takeuti.
3.4 Especificações de equipamentos
Um ONT residencial do tipo SFU (Single-Family UNIT) possui portas Gigabit
Ethernet. Outros ONTs podem ter suporte para NAT (Network Address Translation),
firewalls, DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) e servidores de DNS
(Domain Name Server).
Na figura adiante, vê-se a placa SUGP1 do equipamento OLT (fabricante
MileGate), com as seguintes especificações:

4 portas GPON, de acordo com ITU-T G.984;

Splitting factor 1:128;

1Gbps ou 10 Gbps backplane access;

Projetado para implementações interiores e exteriores;

Todas as funções gerenciadas por um único sistema;

Cada uma das 4 portas pode conectar até 128 ONUs/ONTs
assinantes.
42
Figura 23 - Placa SUGP1. Fabricante MileGate
Fonte: Datasheet Keymile GPON OLT Unit SUGP1.
Figura 24 - Plataforma GEPON Furukawa
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
43
Figura 25 - ONU GEPON Furukawa
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
Figura 26 - SFP ONU GPON Furukawa
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
44
Figura 27 - Produtos
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
Figura 28 – Gerenciamento
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
45
3.5 Testes
Uma
rede
bem
estruturada,
sem
falhas,
precisa
ser
analisada
minuciosamente, fazendo-se necessário um teste de cabeamento óptico que tem
como objetivo: testar a continuidade da fibra óptica, identificar a perda no enlace
para cada comprimento de onda e caracterizar as emendas e os conectores. O
instrumento recomendado para esses testes é o OTDR (Optical Time Domain
Reflectometer). O procedimento de teste inclui realizar a limpeza das faces dos
conectores, configurar o OTDR (de acordo com o comprimento de onda e largura de
pulso). Essa configuração depende da distância do cabo em teste e do objetivo da
medição.
Figura 29 - Perdas demonstradas com OTDR
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
Figura 30 - Exemplo de um evento medido pelo OTDR
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
46
D= (C x T) / 2n
Onde: C é a velocidade da luz no vácuo 2.997x(10^8) m/s
T é a duração do pulso (ns)
n é o índice de refração da fibra
Quadro 7 - Largura de pulso
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet
Figura 31 - Medições OTDR 1
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
Na figura, o pulso mais estreito tem menor range dinâmico, maior nível de
ruído e, portanto, é melhor que a solução à direita de pulso mais largo.
Figura 32 - Medições OTDR 2
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
47
Zona morta de atenuação (Attenuation Deadzone) é a distância mínima
necessária para visualizar o primeiro evento. Ela ocorre em função do nível elevado
do sinal óptico (pulso) na saída do OTDR: quanto maior a largura do pulso, maior
será a zona morta.
Zona morta de evento (Event Deadzone) é a distância necessária para
visualizar 2 eventos separadamente, dependendo da configuração da largura de
pulso e distância /atenuação máxima do enlace óptico.
Na instalação da rede, antes da ativação do ONT e OLT, é necessário medir a
perda total do enlace e a perda de retorno. O instrumento recomendado para esse
teste é um Medidor de Perda de Retorno (ORL tester), pois a medição é efetuada
com um laser de sinal contínuo (OCWR) e um procedimento de calibração
padronizado.
Figura 33 - Teste em campo usando ORL
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet
No item 4.2, "Estudo de caso", será apresentado o cálculo de enlace que
pode ser validado através dos testes de potência do Power Meter PMP-3212A
(Figura 34). Esse equipamento tornou possível a medição na saída de diferentes
sistemas ópticos, como mostra o Quadro 8 adiante:
48
Figura 34 - Power Meter
Fonte: <http://www.cianet
Quadro 8 – Especificações técnicas
Sistema Óptico
Potência
Enlace 7 km
0.7dBm
Splitter 1:2
0.62dBm
Splitter 1:4
-2.37dBm
Splitter 1:2 + 1:4
-6.62dBm
Enlace 7Km + Splitter 1:2 + 1:4
-10dBm
Analisou-se o desempenho da rede com o uso do IPERF (gerador e
analisador de tráfego) e fez-se a transmissão de um vídeo usando o VLC Media
Server na OLT e um Player na ONU e rodaram-se os aplicativos.
No teste, usando a ferramenta IPERF, o cliente envia tráfego TCP para o
servidor por 10 segundos, o resultado dessa transmissão é a quantidade de dados e
a velocidade atingida. Neste exemplo, foram transferidos 97.6 MBytes, atingindo-se
a velocidade média de 81.6 Mbits/sec.
49
Figura 35 - Teste de desempenho da rede
Fonte: Software IPERF
50
Outra ferramenta que auxiliou nos testes de desempenho foi o JPERF (Figura
36 adiante), que faz o mesmo papel do IPERF, porém se utiliza uma interface
gráfica, tornando mais fácil a troca de opções de pacotes. Foram feitas simulações
e, na Figura 36, veem-se dois exemplos transmitindo 80 Mbits/s e 20 Mbits/s e seus
valores de Jitter.
Figura 36 - Ferramenta JPERF
51
4 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE PROJETOS DE REDES PON
No projeto de uma rede PON, é necessário definir todos os componentes que
serão utilizados. Neste caso, tem-se um projeto que leva em conta a quantidade de
usuários e os serviços ofertados.
Dados

OLT;

ONU;

PABX, VOIP, IPTV, Switches e Roteadores.
Vídeo overlay

Tx Óptico, Amplificador EDFA;

ONU de Vídeo;

Head End.
Demanda vs Taxa de Penetração
Demanda: Todas as unidades habitacionais
Taxa de Penetração: Percentual efetivamente atendido
Home-Passed (HP): acessos efetivos, que possuem fibras e/ou portas de
splistters reservadas -> Acessos Ópticos
Taxa de Penetração:
Planejamaneto: expectativa de vendas, fatores físicos / infraestrutura.
Home Connected (HC): Assinantes atendidos
52
Quadro 9 - Projetos de Redes PON
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
Quadro 10 - Perda por splitagem
Fonte: Apresentação Furukawa evento Abranet.
Perda no cabo óptico: 0,35 dB/Km
Perda por fusão: 0,05 dB/fusão
Perda por conectorização: 0,10-0,30 dB por conectorização
Perda máxima admissível: 29-30 dB (Ovetek)
Gráfico 2 - Atenuação acumulada do projeto
Fonte: Encontro Nacional Associação Nacional para Inclusão digital, KAMIDE
53
Figura 37 - Pré-projeto feito no Google Earth
Fonte: Encontro Nacional Associação Nacional para Inclusão digital, KAMIDE.
Quadro 11 - Configuração largura de banda
Fonte: Apresentação Furukawa evento Abranet.
O cliente pode escolher a configuração da sua banda. Em alguns casos, é
preciso uma banda garantida, em que o cliente sempre terá ao seu dispor o serviço.
Clientes que não tenham essa necessidade podem ser configurados no modo best
effort, no qual ele terá o seu acesso dependendo da utilização dos outros usuários.
Este modo, consequentemente, é mais barato e vale mais em conta seu uso.
54
Figura 38 - Protocolo GEPON (IEEE)
Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.
Figura 39 - Implantação de redes ópticas passivas e gerenciamento de uma plataforma
gigabit Ethernet PON (Gepon)
Fonte: Apresentação Furukawa evento Abranet.
55
5 ESTUDO DE CASO
5.1 Equipamentos usados em laboratório
Especificações do equipamento CIANET utilizados neste estudo de caso.
Figura 40 - ONT GEPON - CTS2702B
Fonte: <http://www.cianet.ind.br>
O ONT GEPON possibilita adicionar serviços de valor agregado em sua rede,
provendo soluções de IPTV, VoD, VoIP e banda ultralarga de 1.25 Gbps simétrica.
Utilizando uma arquitetura ponto-multiponto e com a necessidade de utilizar
um concentrador chamado de OLT GEPON, o ONT GEPON permite a criação de
redes redundantes com controle de banda, priorização de pacotes, funções de
gerenciamento e configurações avançadas.
Com a linha GEPON, é possível criar redes partindo com uma única fibra
óptica e, por meio de splitters ópticos para subdividir a rede, interligar até 64 ONTs.
Abaixo, são listadas as características do ONT GEPON CTS2702B:

Possui uma porta GEPON com banda simétrica de 1.25 Gbps (upstream
e downstream);

Alcance de 20 km;

Gerenciamento de rede baseado em SNMP;

Suporte Dinâmico de Alocação de Banda (DBA);

Atualização remota de software;

Suporte a configuração de LLIDs;

Atua como Bridge;

Suporte a VLAN e QoS;

Suporte broadcasting storm;

Provisionamento;
56

RSTP.
Interface Ethernet 10/100Base-T e 10/100/1000Base-Tx
O equipamento possui uma porta UTP RJ45 10/100 Base-T e outra
10/100/1000 Base-T, possibilitando um tráfego de dados à taxa de 100 Mbps e 1
Gbps em modo de operação Full Duplex. Também é auto MDI/MDIX, ou seja,
adapta-se automaticamente à interface da outra extremidade do cabo de rede,
possibilitando o uso de cabos normais ou crossover.
Interface PON
O ONT GEPON CTS2702B possui um conector SC/PC que disponibiliza uma
interface óptica GEPON. Essa interface possibilita um tráfego de dados à taxa
máxima de 1.25 Gbps em modo Full Duplex. A interface óptica permite a conexão
com outros dispositivos compatíveis com o padrão IEEE 802.3ah através de um
cabo óptico monomodo, com alcance de até 20 km. Para maiores detalhes sobre as
características técnicas, deve-se consultar o item 5-Especificações Técnicas.
Figura 41 - Especificações técnicas
57
Fonte: DATASHEET CIANET ONT GEPON CTS2702B.
A OLT utilizada no projeto foi a CTS 2780, conforme a figura a seguir:
Figura 42 - OLT CTS 2780
Fonte: <http://www.cianet.ind.br>
Figura 43 - Especificações OLT
Fonte: DATASHEET CIANET OLT GEPON CTS2780
58
Especificação da bobina de fibra óptica:
Fabricante Lucent Technologies
Truewave Nonzero-Dispersion Optical Fiber
Figura 44 - Características de transmissão da fibra.
Fonte: True wave Lucent Technologies
59
Especificação do Cabo Drop CFOAC-SM-AS-MF-1-LSZH :
Figura 45 - Cabo Drop.
Fonte: <http://www.cianet.ind.br>
Figura 46 - Especificação técnica
Fonte: <http://www.cianet.ind.br>
5.2 Cenário implementado
Neste trabalho de implementação da rede GEPON, teve-se como apoio o
conteúdo da matéria de instalações elétricas. Foi elaborado um estudo de caso da
60
utilização dos equipamentos na planta de uma escola, tendo sido detalhado o
cabeamento estruturado do prédio (ANEXO 1,2 e 3).
Simulou-se o cenário deste estudo de caso no laboratório, obtendo-se as
medidas de potência e, através de testes, obtiveram-se taxas de transmissão e os
pacotes recebidos na porta de rede local da OLT.
Primeiramente, tem-se a OLT localizada no Centro de Operações, que está a
uma distância de 7 km (enlace de rede primária). Em seguida, é realizada uma fusão
com o cabo drop que faz o acesso à escola. Antes de entrar no Distribuidor Geral, é
feita uma nova fusão da fibra para entrar na bandeja de conexões que interligará os
splitters, o sinal óptico é dividido na fração 1:2 e 1:4, conforme a figura abaixo.
Figura 47 – Sinal óptico
Neste cenário, utilizam-se 5 ONUs: no primeiro andar, têm-se 3 ONUs, duas
delas conectadas a switchs que fornecerão banda para a rede metálica, 30 portas
Ethernets em cada sala. No segundo andar, a sala dos professores é atendida por
uma ONU e, no terceiro andar, no laboratório técnico, a última ONU.
Para garantir o funcionamento desta rede, foi realizado o cálculo de enlace
com todas as especificações dos equipamentos de ponta e dispositivos passivos.
Em um primeiro momento, o cálculo de perdas total não estava coerente com a rede
prática montada. Após algumas verificações, constatou-se que foi utilizado um
conector diferente do outro em um adaptador que gerou uma perda considerável de
4dB.
Analisando-se a situação, concluiu-se que seria possível fazer essa conexão
com um conector mecânico pré-polido, uma solução que está sendo usada mais
intensificadamente para os serviços de instalação. Obtiveram-se os seguintes
resultados da rede estruturada.
61
5.2.1 Cálculo de enlace
Rede EPON
l = 1310nm
Dados:
Enlace
Símbolo
Valor
Comprimento Rede Primária/Secundária
Comprimetno Cabo Drop
Distância Tx/Rx
Número de Conectores
Atenuação nos Conectores
Atenuação das Emendas
Perda no Splitter 1:2
Perda no Splitter 1:4
Transmissor Óptico
L
n
ADIO
Ae
Símbolo
Unidade
7
Km
0
7
2
0,5
Km
Km
dB
0,1
3,6
7,3
dB
dB
dB
Valor
l
PTxmínima
1310
0
nm
dBm
Potência Máxima de Saída
Potência Média de Saída
PTxmáxima
Ptxmédia
8
4
dBm
dBm
Receptor Óptico
Símbolo
PRxmínima
Potência Máxima de Recepção
PRxmáxima
Cabo Óptico
Símbolo
l
AKm
Cálculos:
Enlace
Atenuação Total da Fibra
Perdas Total devido às emendas
Perdas nos Conectores
Perdas nos Splitters
Símbolo
-27
7
Valor
PTs
Psmáximo
Km
Fórmula
dB
ATf =L.A Km
0,3
dB
3 emendas
1
10,9
dB
14,90
dB
ps/nm
Valor
DTotalTxRx = L.D f
Unidade
Fórmula
dB
Pot. Média - Pot.Mín de Recepção
31,00
MS
Perda Máxima Tolerada
Observação
Unidade
ATe
Símbolo
dBm
Valor
Unidade
SM 9/125 - NZD
1310
nm
0,385 dB/Km
ATDIOs
ATotalTxRx
Observação
dBm
2,70
D TotalTxRx
Margem do Sistema
Observação
Unidade
ATf
Total da Dispersão Cromática entre Tx/Rx
Sistema
Valor
Lc(Bobina)
Total das Perdas entre Tx/Rx
Perda Teórica do Sistema
por Emenda
Laser
Tipo de Detetor
Potência Mínima de Recepção
Comprimento do Cabo
por Conector
Unidade
Tipo de Fonte
Comprimento de Onda
Potência Mínima de Saída
Tipo do Cabo
Comprimento de Onda Nominal
Atenuação da Fibra por Km
Observação
3
dB
28,00
dB
Psmáximo = PTs - Ms
Conclusões
Símbolo
Unidade
Fórmula
Perda Máxima Tolerada
Psmáximo
28,00
dB
Psmáximo = PTs - Ms
Total das Perdas entre Tx/Rx
ATotalTxRx
14,90
dB
13,11
dB
Margem de desempenho do sistema
Valor
Na rede GEPON, o sinal de vídeo é transmitido no comprimento de onda 1550nm, e
os dados, no comprimento de 1490nm, podendo-se considerar o mesmo cálculo de
enlace, pois a atenuação não será muito diferente.
62
Rede EPON
l = 1550nm
Dados:
Enlace
Símbolo
Valor
Comprimento Rede Primária/Secundária
Comprimetno Cabo Drop
Distância Tx/Rx
Número de Conectores
Atenuação nos Conectores
Atenuação das Emendas
Perda no Splitter 1:2
Perda no Splitter 1:4
Transmissor Óptico
L
n
ADIO
Ae
Símbolo
Unidade
7
Km
0
7
2
0,5
Km
Km
dB
0,1
3,6
7,3
dB
dB
dB
Valor
l
PTxmínima
1550
0
nm
dBm
Potência Máxima de Saída
Potência Média de Saída
PTxmáxima
Ptxmédia
8
4
dBm
dBm
Receptor Óptico
Símbolo
PRxmínima
Potência Máxima de Recepção
PRxmáxima
Cabo Óptico
Símbolo
l
AKm
Cálculos:
Enlace
Atenuação Total da Fibra
Perdas Total devido às emendas
Perdas nos Conectores
Perdas nos Splitters
Total das Perdas entre Tx/Rx
Sistema
Perda Teórica do Sistema
Margem do Sistema
Observação
Laser
Tipo de Detetor
Potência Mínima de Recepção
Comprimento do Cabo
por Conector
por Emenda
Unidade
Tipo de Fonte
Comprimento de Onda
Potência Mínima de Saída
Tipo do Cabo
Comprimento de Onda Nominal
Atenuação da Fibra por Km
Observação
Valor
-27
7
Valor
Fórmula
ATf =L.A Km
0,3
dB
3 emendas
1
10,9
dB
13,66
dB
ATe
Valor
31,00
MS
Perda Máxima Tolerada
Psmáximo
Km
dB
ATDIOs
PTs
Observação
Unidade
1,46
Símbolo
dBm
Valor
Unidade
SM 9/125 - NZD
1550
nm
0,209 dB/Km
ATf
ATotalTxRx
Observação
dBm
Lc(Bobina)
Símbolo
Unidade
Unidade
Fórmula
dB
Pot Média - Pot Mín de Recepção
3
dB
28,00
dB
Psmáximo = PTs - Ms
Conclusões
Símbolo
Unidade
Fórmula
Perda Máxima Tolerada
Psmáximo
28,00
dB
Psmáximo = PTs - Ms
Total das Perdas entre Tx/Rx
Potência de Recepção
Margem de desempenho do sistema
ATotalTxRx
13,66
-9,66
14,34
dB
dBm
dB
Valor
Pode-se observar que o cálculo de enlace confere com o valor medido na
saída do sistema -10 dBm, pois tem-se uma potência de transmissão de 4 dB e
sendo assim, a perda no sistema foi de 14 dB (conforme a tabela).
Em um primeiro momento, a rede apresentava uma perda muito maior
daquela calculada, com a medição não conferindo com o cálculo teórico. Através de
uma análise, constatou-se que um conector era diferente do outro, gerando, assim,
63
uma perda de sinal muito alta. Injetaram-se -8.6 dBm do Power Meter e mediu-se 12.7 dBm na saída do sistema da figura a seguir.
Nesse sistema, a perda:
(Bobina + conectores) = -8.6 + 12.7 = 4.1dB
Bobina = 7 * 0.209dB/km = 1.463dB
Conectores = 4.1-1.4 = 2.7dB
Figura 48 - Teste usando Power Meter como fonte de sinal
A solução encontrada foi substituir os conectores APC por conectores pré-polidos
(UPC), obtendo-se, então, uma atenuação adequada em termos de projeto.
Figura 49 - Conector pré-polido
Fonte: <http://www.cianet.ind.br>
64
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho propôs um projeto teórico e prático das técnicas de
implementação de uma rede de acesso GEPON. Neste sentido, foram estudados os
principios de funcionamento dos equipamentos, como a OLT, ONU e splitters para o
devido entendimento de como essa rede passiva funciona.
Apresentou-se a descrição das diferentes características das redes de
acesso. Na parte prática, ativaram-se as ONUs através do software de gerência
EMS e realizaram-se testes de desempenho e níveis de potência.
No estudo de caso, observou-se que o atendimento com fibra óptica na
escola era viável, pois a implementação corresponde ao sistema montado no
laboratório que funcionava de acordo com as expectativas.
Algumas simulações de tráfego de dados foram feitas. Primeiro, foi
transmitido um vídeo utilizando o VLC media server na OLT e um player na ONU,
mais tarde, o uso da ferramenta JPERF foi essencial para gerar e analisar o tráfego
de dados de até 100Mbits/s.
Visitas técnicas às empresas Furukawa e Miharu, empresas que dominam o
mercado mundial de fibra óptica, foram fundamentais para o embasamento técnico
deste trabalho de conclusão de curso, assim como o relacionamento com a
engenharia da COPEL, que
possibilitou o contato com uma rede GPON já
devidamente estruturada e em uso.
O modelo de redes de cobre está sendo substituído pela rede de acesso
óptico, que permite um armazenamento muito maior de informações e transporte de
dados em velocidades muito mais altas. Podem-se imaginar novas aplicações que
vão necessitar de uma demanda alta de banda larga.
A tecnologia GEPON já está sendo bastante utilizada, mas ainda existe um
grande mercado a ser atingido.
65
REFERÊNCIAS
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FTTP Deployments in the United States and Japan equipment choices and service
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
PD.30.11.69A.0040A/RT02 (Documento de especificações). Campinas: CPqD, ago.
2006.
DEUTSCH, B.; WHITMAN, R.; MAZZALI, C. Optimization of FTTH passive optical
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FRIGO, N. J.; IANNONE, P. P.; REICHMANN, K. C. A view of fiber to the home
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GREEN, P.E. Fiber to the home: the next big broadband thing. IEEE
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ITU-T G.984.1. Gigabit-capable Passive Optical Networks(GPON): General
characteristics, March 2003.
ITU-T. G.984.2. Gigabit-capable Passive Optical Networks(GPON): Physical
Media Dependent (PMD) layer specification, March 2003.
LAM, Cedric F. Passive Optical Networks: Principles and Practice. 1. Ed [S.I]:
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NAIGIAN, Zhang. Design of GPON for Digital Video Broadcast Signal
Transmission: Management and Service Science, set 2009.
OVERTEK. Optical Power Budget. Disponível em:
<http://wiki.overtek.com.br/powerbudget>. Acesso em: 10 jun. 2014
PARSONS, Dan. GPON is more than just a faster PON. Lightwave, 2006.
Disponível em: <https://www.lightwaveonline.com>. Acesso em: jun. 2014.
TELECO. Inteligências em comunicações. Tutoriais Redes Ópticas. Disponível em:
<http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialsolfo1/pagina_4.asp>. Acesso em: 20 jun.
2014.
66
ANEXOS
ANEXO 1 - Planta Baixa 2° andar
67
ANEXO 2 - Planta Baixa 1° andar
68
ANEXO 3 - Planta Baixa andar térreo