Redes de Telecomunicações Capítulo 7 Redes de Acesso © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 303 Estrutura Geral da Rede de Acesso • A rede local ou de acesso corresponde à componente da rede telefónica pública que liga a central local aos equipamentos de assinante (telefones, modems, etc.). • Do repartidor de central local saem vários cabos de pares simétricos, sendo cada cabo constituído por centenas ou mesmo milhares de pares. Estes cabos são separados em feixes, e cada feixe vai alimentar uma determinada área de serviço. Grupos de casas Cabo de pares simétricos Central Local As áreas de serviço podem ter diferentes dimensões, desde umas dezenas de quilómetros nas áreas urbanas até algumas centenas nas áreas rurais Limite da área de serviço Interface de área de serviço © João Pires Área de serviço Redes de Telecomunicações (10/11) 304 Estrutura Simplificada da Central Local • Na central local pode-se identificar o repartidor principal, as interfaces de linha de assinante (ILA), os multiplexadores, e o comutador. Cabo de pares Interface de linha Repartidor simétricos de assinante principal Comutador ILA Para desligar o telefone de um assinante basta remover o cordão existente no repartidor principal que liga o par simétrico à ILA ILA MUX/ DMUX ILA Cordão 2 fios O comutador faz a comutação com base em sinais TDM (2 Mb/s). Por isso é necessário agregar os sinais a 64 kb/s gerados pelas ILA através de um multiplexer. 4 fios • O repartidor principal funciona como terminação dos cabos de alimentação e faz a interligação entre os pares e a ILA. • A ILA é usada para passar de dois para quatro fios e para fazer a conversão A/D e D/A, alimentar o telefone (-48 v), etc. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 305 Evolução da Rede de Acesso • A rede de acesso convencional das redes telefónicas públicas era constituída por uma infra-estrutura de pares de fios de cobre entrelaçados (pares simétricos) que ligavam a central telefónica local ao telefone do assinante. RP: Repartidor principal ASR: Armário de subrepartição CD: Caixa de distribuição Central Telefónica Local Cabos de pares simétricos Cabo de alimentacão (centenas de pares) Comutador RP Sub-rede de alimentação ou transporte Cabo de distribuição (dezenas de pares) ASR ASR ASR CD CD CD CD CD © João Pires Sub-rede de distribuição CD Redes de Telecomunicações (10/11) 306 Rede de acesso com concentração • Na evolução da rede alguns armários de sub-repartição foram por unidades remotas com capacidade para realizar concentração. Os cabos de alimentação foram substituídos por fibra óptica ou então por ligações via rádio (fixed wireless access). Central Telefónica Local MUX: multiplexador UR: Unidade remota CD: Caixa de distribuição Cabo de alimentacão (centenas de pares) Fibra óptica Comutador MUX Sub-rede de alimentação ou transporte Cabo de distribuição (dezenas de pares) UR UR ASR UR CD CD CD CD CD © João Pires CD Redes de Telecomunicações (10/11) Sub-rede de distribuição 307 Sub-rede de Transporte com SDH • Na sub-rede de transporte a informação é multiplexada e transmitida em formato digital normalmente sobre fibra óptica. Como alternativa à topologia física em estrela da sub-rede de transporte pode-se usar uma topologia em anel fazendo uso da SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Sub-rede de transporte Sub-rede de distribuição ADM ADM Central local ADM ADM Fibra óptica de protecção ADM ADM Par de fibras de fibras de serviço UR • Unidade remota ADM ADM Fibra óptica de serviço Unidade óptica de rede Unidade de terminação de rede Utilizador UR Fibra óptica ONU NT ONU NT Par simétrico ONU: Optical Network Unit NT: Network Termination Outra alteração de relevo consiste em introduzir também ligações ópticas em partes da rede de distribuição. Como soluções em fibra têm-se :FTTCab, FTTC, FTTB, FTTH, dependendo da distância entre a ONU e o assinante (NT). © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 308 Funcionamento das Unidades Remotas • As unidades remotas podem funcionar em modo concentrado ou não concentrado. Modo não concentrado 1 2 Unidade remota Trama 1 2 3 Central Local N tempo Mux/ Demux Comutador N Neste modo se se considerar como exemplo N=30, o número de timeslots disponíveis na trama TDM também é igual a 30. Modo concentrado N/K Factor de concentração © João Pires 1 2 N Concentrador Unidade remota K<N Trama 1 2 3 Central Local K tempo Comutador Os time-slots são atribuídos de acordo com as necessidades Redes de Telecomunicações (10/11) Como exemplo podem-se considerar 240 assinantes e 30 time-slots. Tem-se um factor de concentração de 8. Vai introduzir bloqueio 309 Acesso à Internet • O acesso pode ser directo (utilizadores empresariais), ou indirecto (utilizadores domésticos). O acesso indirecto usa a rede telefónica para aceder ao ISP (Internet Service Provider). O acesso indirecto pode ser de banda estreita ou de banda larga. O acesso de banda estreita é feito através de modems que operam na banda da voz. O acesso de banda larga pode ser feito usando ADSL, ou outras soluções (ex: PON). ISP#1 Canal virtual permanente Modem na banda de voz Serviço telefónico POP ISP#2 ISP#n Rede telefónica (Comutação de circuitos) Rede de banda larga (ATM) POP#n Par simétrico Acesso à Internet Central local O utilizador liga-se ao POP (point of presence) da rede telefónica. Este por sua vez liga-se aos POP dos ISPs através de circuitos alugados, ou canais virtuais permanentes estabelecidos por uma rede ATM. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 310 Acesso de Banda Larga • O acesso de banda larga baseado no ADSL faz uso da infra-estrutura de pares simétricos existente entre o assinante e a central. A ligação aos ISPs é feita normalmente usando o ATM, estando-se a evoluir para a Ethernet. Filtro Rede de circuitos Acesso à rede IP através da rede ATM Comutador local DSLAM Estação local Filtro Par simétrico Modem ADSL Instalações do cliente No acesso de banda larga a rede de acesso inclui para além do modem ADSL , os multiplexadores de acesso DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), situados no mesmo edifício onde se encontra a central local. Cada DSLAM interliga várias centenas de modems ADSL à rede IP através de uma rede de banda larga ATM Para ser possível continuar a usar o par simétrico para serviços de banda estreita, usa-se um filtro para separar a banda entre os 0- 4 kHz do resto da banda. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 311 Desagregação do Lacete Local • A desagregação do lacete local descreve a obrigação do operador histórico de alugar a sua infra-estrutura de acesso a operadores alternativos. A desagregação pode ser completa ou parcial. Na desagregação completa o operador alternativo tem acesso completo ao par simétrico do operador histórico. Na desagregação parcial o operador alternativo têm só acesso à banda base, ou a um sinal com a banda base filtrada. Comutador local Repartidor principal Filtro Desagregação completa Operador histórico DSLAM Filtro Par simétrico R Modem xDSL P Operador alternativo Par simétrico Modem xDSL DSLAM Estação do operador histórico © João Pires O operador alternativo instala no edíficio do operador histórico o seu comutador local e a sua DLSAM Instalações do cliente Redes de Telecomunicações (10/11) 312 Vantagens/Desvantagens da Desagregação • O conceito de desagregação do lacete local foi criado dos Estados Unidos em meados da década de 90, de modo a aumentar a concorrência no sector das telecomunicações. • A política de desagregação do lacete local pode dissuadir os operadores alternativos de investirem em novas tecnologias para a rede local, e também desmotiva o operador histórico de fazer grandes investimentos. Nova política definida pela FFC (Federal Communications Commission) nos Estados Unidos no último trimestre de 2004. 1) Qualquer infra-estrutura de acesso baseada na FTTH criada de raiz não fica sujeita à obrigação de desagregação. 2) Em qualquer infra-estrutura de acesso FTTH que resulte da substituição da infraestrutura de cobre existente, somente a banda base destinada ao tráfego da voz terá de ser partilhada. Fiber-to-the-Home © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 313 Evolução da FTTH nos Estados Unidos Fonte: RVA LLC, MarketResearch & Consulting Decisão da FCC (Federal Communication Commission) de desregulamentar o acesso FTTH © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 314 Técnicas de Duplexagem • Duplexagem por divisão na frequência (FDD) As direcções de transmissão são separada no domínio da frequência. • Duplexagem por divisão no comprimento de onda (WDD) As direcções de transmissão são separadas no domínio do comprimento de onda. • Duplexagem por divisão no tempo (TDD) As direcções de transmissão são separadas no domínio do tempo. Esta técnica também se designa por TCM (Time Compressed Multiplexing) • Cancelamento de eco (EC) Separa os dois sentidos de transmissão usando um híbrido associado a um cancelador de ecos. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 315 FDD e WDD • Na duplexagem por divisão na frequência ou FDD (Frequency Divison Duplexing) A comunicação nos dois sentidos é feita em bandas diferentes. Banda de guarda Comunicação no sentido descendente Comunicação no sentido ascende f1 • f2 Frequência Na duplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDD (Wavelength Division Duplexing) a comunicação bidireccional sobre fibra óptica é garantida usando comprimentos de onda diferentes nos dois sentidos. Fibra óptica Sentido descendente Sentido ascendente © João Pires λ1 λ2 M U X D E M U X Redes de Telecomunicações (10/11) Usa-se nas aplicações de fibra óptiva no acesso, quer nas ligações ponto-a-ponto, quer nas ligações ponto-multiponto. 316 Duplexagem por Divisão no Tempo Bloco de N bits Δt Central Local (A) A→B B→A Duração do bloco de N bits A→B Δt=N/Db ΔL Assinante (B) A→B Δτ Tempo de propagação na linha B→A Tempo N/Db0 τg Tempo de guarda Db Assinante Débito de transmissão no lacete Transmissor Débito da sequência binária Receptor © João Pires Switch T/R Dbo >2Db Lacete de assinante (2 fios) Central Local Transmissor Δτ= ΔL /vg Durante Δt é necessário garantir uma comunicação bidireccional Switch T/R Receptor Redes de Telecomunicações (10/11) Δt=2N/Db0+2Δτ+2τg 317 Duplexagem EC • Na duplexagem por cancelamento de eco (EC) a comunicação é feita nos dois sentidos usando o mesmo meio de transmissão (usualmente par simétrico). • A separação dos dois sentidos é feita no receptor usando um híbrido e um cancelador de ecos. y(t) Emissor Cancelador de ecos - rˆ(t ) Receptor ecos r(t) Lacete de assinante (2 fios) ∑ + • Híbrido O cancelador de ecos é filtro adaptativo cujo objectivo é gerar uma réplica do eco ř(t), a qual vai ser subtraída do sinal z(t)= x(t)+r(t) . No caso ideal em que a réplica é perfeita tem-se um cancelamento total do eco. x(t) O híbrido é um dispositivo que converte ligações de 2 fios em quatro fios. Como este dispositivo não é ideal vai originar ecos, que vão interferir com o sinal recebido. O par também pode originar ecos. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 318 Tecnologias x-DSL • O x-DSL é uma designação genérica para um conjunto de tecnologias de acesso de banda larga que operam sobre o par simétrico (cobre) e são derivadas do lacete digital do assinante ou DSL (Digital Subscriber Line). IDSL DSL para aplicações em redes ISDN (RDIS). Suporta o acesso básico (2B+D) a 160 kbit/s e o acesso primário (30B+D) a 2.048 Mbit/s. ADSL DSL assimétrico (Asymmetric DSL): Canal até 8 Mbit/s no sentido de cliente ou descendente (downstream) e até 800 kbit/s no sentido da rede ou ascendente (upstream). ADSL2+ DSL assimétrico 2+(Asymmetric DSL 2+): Canal até 24 Mbit/s no sentido de descendente e até 1.5 Mbit/s no sentido ascendente. A largura de banda usada duplica em comparação com o ADSL, passando de 1.1 MHz, para 2.2 MHz. SHDSL Symmetrical High Bit Rate DSL: Suporta débitos (simétricos) desde 192 kbit/s até 2.12 Mbits/s sobre 1 par simétrico, e desde 384 kbit/s até 4.62 Mbit/s sobre 2 pares. Não pode coexistir com o serviço telefónico. VDSL2 Very High Bit Rate DSL 2: Canal até 100 Mbit/s no sentido descendente e até 50 Mbit/s no sentido ascendente. Usa uma largura de banda até 30 MHz. DSL Bonding © João Pires DSL Bonding: Agrega várias linha DSL para suportar débitos mais elevados. Redes de Telecomunicações (10/11) 319 ADSL (Asymmetrical DSL) O ADSL é uma tecnologia que permite uma transmissão assimétrica. A duplexagem pode ser por divisão na frequência ou por cancelador de eco. 6 Mb/s :descendente 640 kbit/s: ascendente FDD Transmissão ascendente Espectro Voz (telefonia) Voz (telefonia Transmissão descendente 0 4 25 138 150 1104 Frequência (kHz) • 8 Mb/s :descendente 800 kbit/s: ascendente EC Espectro • Transmissão ascendente Transmissão descendente 0 4 25 138 150 1104 Frequência (kHz) Um sistema ADSL consiste em modems ADSL colocados em ambas as extremidades do par simétrico. A técnica de modulação mais usada é a modulação multi-tom discreto ou DMT (discrete multitone). © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 320 Very High-speed DSL (VDSL) • O VDSL1 pode ser simétrico ou assimétrico. Simétrico Assimétrico Débito Débito (Descendente) (Ascendente) 54 Mb/s 6.4 Mb/s 26 Mb/s 13 Mb/s Alcance Débito Débito Alcance (Descendente) (Ascendente) 0.3 km 25 Mb/s 25 Mb/s 0.3 km 3.2 Mb/s 1 km 13 Mb/s 13 Mb/s 1 km 1.6 Mb/s 1.5 km 6.5 Mb/s 6.5 Mb/s 1.5 km Sentido ascendente O VDSL1 usa no percurso descendente uma banda que vai até 12 MHz. Por sua vez o VDSL2 usa uma banda com uma frequência máxima de 30 MHz, permitindo 100 Mb/s. O VDSL2 também substitui o ATM pela Ethernet (PCS:64/65). Voz (telefonia) Espectro Plano de frequências para o VDSL com duplexagem DDF Sentido descendente RDIS 0 .12 0.3 0.7 1 12 Frequência (Hz) f1 © João Pires 30 Redes de Telecomunicações (10/11) f2 321 x-DSL ( Largura de banda/distância) Déb (kbps) 80000 VDSL2 ADSL2+ ADSL 70000 60000 50000 40000 Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio 2008 30000 20000 10000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Dist (m) 8000 Note-se que o ADSL só permite débitos de 8 Mb/s até distâncias da ordem dos 3 km e o ADSL 2+ só permite 24 Mb/s para distâncias inferiores a 0-8-0.9 km. Para distâncias superiores a 1.6 km, o ADSL2+ conduz a melhores resultados do que o VDSL2. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 322 Acesso em ADSL • A separação dos sinais telefónicos e ADSL é feita usando um filtro tanto nas instalações de assinante como na central local. Central local (ATR-C) Rede telefónica Comutador telefónico Par simétrico Instalação de assinante (ATR-R) Rede de Rede de agregação agregação Acesso à rede IP, em ATM ou Ethernet PC Splitter+filtro DSLAM Multiplexador de Acesso ADSL Splitter+filtro Modem Modem ADSL ATR-C (ADSL transceiver unit, central office ATR-R (ADSL transceiver unit, remote terminal • O tráfego proveniente de vários utilizadores é agregado através de um DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) o qual é usado para multiplexar os sinais provenientes de várias linhas DSL, num sinal de débito elevado. • A rede de agregação corresponde a um novo nível de agregação. Tradicionalmente era baseada em comutadores ATM e em DSLAMs ATM (saídas STM-N). Está-se a evoluir para uma rede IP suportada em Ethernet. Neste caso usam-se DSLAMs IP com portos de saída em GbE ou 10 GbE. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 323 Diagrama dos Segmentos Funcionais CPE (Customer Premises Equipment): equipamento requerido nas instalações do utilizador. Ex: modem ADSL (ATU-R), router, etc. Uma das funções do CPE consiste em encapsular o tráfego IP para ser transportada através da rede ADSL. A maior parte das soluções de encapsulamento usa ATM. NSP (Network Serviçe Provider): responsável por oferecer serviços aos utilizadores domésticos e empresariais. Ex: Internet, VPN, VoD, IPTV, VoIP. NAP (Network access provider): deve garantir que o CPE permite aceder aos serviços que o NSP tem para oferecer. Inclui: DLAM, componente de agregação e rede de núcleo Elemento de rede de agregação Fonte: Alexandre Ribeiro, “Redes de Acesso” Siemens, 2007 © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 324 Funções e Tipos de DSLAM • Os DSLAMs são responsáveis por ligar os utilizadores à NAP, incluem modems xDSL e realizam comutação de circuitos virtuais. • Tradicionalmente a interligação dos DSLAMs à rede core era feita usando ATM, a qual por sua vez era baseada em switches ATM. • Nos IP-DSLAM os circuitos virtuais são terminados , o tráfego IP é extraído, sendo este entregue a uma rede IP/MPLS. • Os IP-DSLAM têm a vantagem de poderem fazer agregação de tráfego, eliminando a necessidade de se usarem elementos de rede de agregação. • Os IP-DSLAM têm ainda a vantagem de poderem fazer multicast e deste modo têm um papel muito importante nas redes IPTV. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 325 Agregação ATM • Nas soluções baseadas no ATM podem-se ter arquitecturas com circuitos virtuais (VC, virtual circuits) extremo-a-extremo, ou arquitecturas baseadas na agregação de VC. DSLAM VC extremo-a-extremo Agregação de VC Switch Agregador Switch ATM S. Mervana, C. Le, “Design and Implementation of DSL-based Access Solutions,”Cisco Press PVC: Permanent virtual circuits © João Pires Na solução extremo-a-extremo faz-se uso de um PVC (ATM) para interligar um utilizador a um ISP. Este PVC é comutado por vários comutadores ATM antes de atingir o ISP. Na solução agregada vários PVC são agregados num dispositivo agregador em vez de serem simplesmente comutados. Reduz-se assim o numero de PVC que são terminados no ISP. Redes de Telecomunicações (10/11) 326 Arquitectura Centralizada Fonte: Alexandre Ribeiro, “Redes de Acesso” Siemens/IST, 2007 © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 327 Arquitectura Distribuída IP-DSLAM: acumula as funcionalidades do DSLAM e do elemento de rede agregador Fonte: Alexandre Ribeiro, “Redes de Acesso” Siemens/IST, 2007 © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 328 Rede ADSL BRAS: Broadband Remote Access Server Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio 2008 © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 329 Convergência no Acesso (fonte: Maria Céu Azurara, Planeamento de Redes Fixas, PT/IST, 2007) – – – – Access Services Metro/Aggregation/Edge and and Technologies Core Networks POTS ISDN SDH TDM PDH ADSL/2/2+ TDM SHDSL ATM VDSL/2 Ethernet Ethernet IP WiMAX WDM GPON etc. etc. Access Gateway Interfaces para o antigo e para o novo “mundo” Migração ao ritmo desejado pelo SP (Service Provider) Garantia (pelo menos) da manutenção de serviços & receitas Consolidação de plataformas de Rede/Redução de OPEX © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 330 IP DSLAM Multiserviço Fonte: Nokia Siemens Networks © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 331 IP-DSLAM Surpass hix5625 Capacidade do equipamento 15 cartas ADSL2+ (72 portos) 15 cartas SHDL (48 portos) 15 cartas VDSL2 (24 portos) 15×72=1080 15 ×48=720 15 ×24= 360 Uplinks Carta ADSL2+ 4 portos GbE ou 4 portos 100/1000 Base T Carta VDSL2 Interface óptica GbE (conector óptico) 100/1000 Base T (RJ45) Esta carta poderá ser duplicada se se usar protecção de carta © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 332 Evolução dos Débitos no Acesso 100 Mb/s 1 Gb/s Fonte: Heavy Reading (“The Race to the Home: FTTH Technology Option”, NetEvents Hong Kong) A linha a azul representa a evolução do débitos do acessos sobre cobre usando: 1) modems, com débitos entre 1.2 kb/s (1990) e 56 kb/s (1996); 2) x-DSL, que permitiu evoluir os débitos até cerca de 2 Mb/s (2005). A linha a verde extrapola a taxa de crescimento histórica: um factor crescimento de 2.29 ao ano. A linha a vermelho admite uma aceleração do crescimento a partir de 2004, para um factor de 3 ao ano. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 333 Lei de Nielsen • A lei de Nielsen prevê um crescimento na velocidade de acesso à Internet na terminação do utilizador de cerca de 50% ao ano. 2005 – 2.3 Mbps 2010 – 17 Mbps 2015 – 129 Mbps 2020 – 980 Mbps Fonte: http://connectedhome2go.com/2008/03/18/nielsens-law/ © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 334 Fibra Óptica: A Solução • Dentro de 3 a 5 anos débitos de 100 Mb/s no acesso será algo trivial. • Se as taxas de crescimento de tráfego se mantiveram serão de esperar, daqui a 10 anos, débitos no acesso de 1 Gb/s. • As tecnologias x-DSL, especialmente ADSL, estão a atingir os limites: limitações de banda e assimetria. • A solução está na generalização da utilização de fibra óptica na rede de acesso. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 335 Arquitecturas de Rede • Ponto-a-ponto (P2P) Um porto OLT (conversão O/E+E/O) na central local por cada cliente. • Ponto-Multiponto (P2MP) Um porto OLT na central por cada N clientes, com N tipicamente entre 8 e 64. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 336 Arquitecturas de Rede(II) • P2P ONU/ONT A ONU/ONT é um dispositivo que termina a componente óptica do lado do cliente. As ligações ao equipamento deste é feita usando Ethernet sobre par simétrico, x-DSL, ou cabo coaxial. ONU/ONT ONU/ONT Central Local (OLT) ONU/ONT ONU: Optical Network Unit (designação IEEE) ONT: Optical Network Terminal (designação ITU-T ) • P2MP Ponto de derivação Central Local (OLT) © João Pires ONU/ONT ONU/ONT Fibra de alimentação O ponto de derivação pode ser activo ou passivo ONU/ONT A OLT (Optical Line Terminal) proporciona uma interface entre a componente óptica da ONU/ONT rede e a rede do operador. Pode incluir interfaces 1GbE, 10 GbE, STM-N (SDH). Redes de Telecomunicações (10/11) 337 Ponto-a-Ponto • Duas fibras (Ex: IEEE 802.3z 1000BASE-LX) Uma fibra por cada direcção de transmissão (10 km @ 1 Gbps) • Uma fibra (IEEE 802.3ah, 1000BASE-BX10-D e BX10-U) Fonte: Cisco SFP Optics forGigabit Ethernet Applications Norma Tx _lambda (nm) Rx_lambda (nm) Débito (linha) Distância (km) Potência Óptica Tx (dBm) 1000 Base-BX10-D 1490 1310 1. 25 Gbps 10 -3 a -9 1000 Base-BX10-U 1310 1490 1. 25 Gbps 10 -3 a -9 © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 338 Ponto-Multiponto • Estrela Activa ( Ethernet Activa) O ponto de derivação é um nó activo, normalmente um switch Ethernet , que é usado para agregar tráfego proveniente de diferentes ONUs/ONTs: Ethernet comutada+ ponto-a-ponto. • Estrela Passiva (PON) O ponto de derivação é passivo, ou seja é constituído por um splitter/combinador óptico passivo: Passive Optical Network (PON). © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 339 Soluções em Fibra (FTT-x) • Na arquitectura FTTH (fibre to the home) a fibra óptica vai até às intalações do assinante, e deste modo a ONU realiza as funções da NT( Network Termination). • Na arquitectura FTTC (Fibre To The Curb) ou FTTB (Fibre to the Building) cada ONU serve entre 10 a 100 casas, ou edifício ( <300 m do assinante). Neste caso há uma rede de distribuição adicional entre a ONU e a NT, em cobre (par simétrico, ou par coaxial) ou via rádio. • A solução FTTCab ( Fibre To The Cabinet) a ONU está mais afastada do assinante (<1.5 km), requerendo também uma rede de distribuição adicional. • Outra arquitectura alternativa, designada rede óptica passiva ou PON (Passive Optical Network), usa um repartidor óptico passivo para dividir o sinal proveniente da OLT por várias ONUs. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 340 Perdas nas Curvas • Na presença de curvas a fibra óptica está sujeita a perdas radiativas. Estas perdas podem ser significativas se o raio de curvatura for inferior a poucos centímetros (cerca de 3 cm). • Este problema é importante nas soluções FTTH/FTTB e levou ao desenvolvimento de fibras quase insensíveis às curvas, à custa do aumento da complexidade da estrutura da fibra. Fibra padrão Fibra insensível a curvas © João Pires Fonte: Ming-Jun Li,” Bend-insensitive optical fibers simplify fiber-to-thehome installations” , Optoelectronics & Optical Communications, 21 Abril 2008, SPIE . Redes de Telecomunicações (10/11) 341 Vantagens das Fibras Insensíveis a Curvas O desenvolvimento de fibras tolerantes a curvas permitiu reduzir a dimensão dos armários de rua e veio facilitar significativamente a extensão da fibra óptica até à casa dos utilizadores. Fonte: H. Kogelnik, OFC2008 © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 342 Redes Ópticas Passivas para FTT-x FTTEx FTTCab/N FTTC FTTH/B NT Concentrador (UR) Cobre ADSL ( < 6 km ) 8 Mbit/s@3 km Central Local ONU NT ONU ADSL2+ ( <1.5 km ) 24 Mbit/[email protected] km ONU OLT VDSL1 ( < 300 m ) NT 55 Mbit/[email protected] km FTTEx: Fibre-to-the-Exchange FTTCab/N: Fibre-to-the-Cabinet /Node FTTC: Fibre-to-the-Curb FTTB: Fibre-to-the-Building FTTH: Fibre-to-the-Home © João Pires Fibra óptica OLT: Optical Line Termination ONT: Optical Network Termination Redes de Telecomunicações (10/11) 100 Mbit/[email protected] km VDSL2 ONT 343 Detalhes da FTTH • Redes de fibra num prédio Caixa de terminação Fibra insensível a curvas Caixa de distribuição do andar Conector Cabo cabo vária dezenas de fibras Caixa de distribuição do prédio Fonte: Corning © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 344 Tipos de PONs • Como todos os ONUs partilham a mesma fibra de alimentação e o mesmo porto na OLT, é necessário usar técnicas de acesso múltiplo para evitar colisões na comunicação clientecentral. • TDM/PON: O acesso múltiplo opera no domínio do tempo (TDMA: Time Division Multiple Access), ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no mesmo instante. • WDM/PON: O acesso múltiplo opera no domínio do comprimento de onda (WDMA: Wavelength Division Multiple Access), ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no mesmo comprimento de onda. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 345 PON vs P2P: dimensão das condutas • Exemplo: rede FTTH com 20 000 clientes (Fonte FT, Globecom 08) • Solução GPON com 1:64: 3 cabos de alimentação, cada cabo com 144 fibras e com um diâmetro de 13.5 mm. • Solução P2P: 28 cabos, cada cabo com 720 fibras e com um P2P diâmetro de 25 mm. PON Cabo de 13.5 mm A solução P2P requer uma conduta com uma área cerca de 20 vezes superior à PON Cabo de 25 mm Sempre que o espaço disponível nas condutas seja um bem escasso a solução a adoptar deverá ser a PON. Nos outros casos a P2P deverá ser tida em conta no projecto. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 346 Arquitectura TDM-PON • A ligação descendente (OLT-ONU) é feita no comprimento de onda de 1490± 10 nm e a ascendente (ONU-OLT) no comprimento de onda de 1310 ±50 nm. Receptor Laser Nó de repartição OLT Laser 1310/1490 nm mux/demux ONU 1 As ONUs operam ao débito de linha agregado 1490 nm Repartidor/ combinador Receptor Receptor Laser 1310 nm O comprimento de onda de 1.55 μm, também é usado para soluções de vídeo “overlay”, como seja por exemplo televisão em RF. ONU k A componente de rede entre a OLT e ONU designase ODN (Optical Distribution Network) Receptor ONU N Laser Max de 10 ou 20 km • As variantes da TDM-PON mais usadas são a GPON (Gigabit PON) e EPON (Ethernet PON). A primeira opera a um débito de linha agregado de 2.488/1.244 Gbps e a segunda a 1.25 /1.25 Gbps. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 347 Dimensionamento Físico da PON • Estrutura de uma PON Conectores Repartidor óptico passivo ONU λa=1310 nm 1:N OLT λd=1490 nm La ONU Ld Na ONU e na OLT terão de se usar duplexores de comprimento de onda para agregar/separar os diferentes comprimentos de onda. ONU • Balanço de potências Valor mínimo da potência média emitida Psmim ≥ Pr + Ms + α (La + Lmax d ) + Ar + ΔPi (Dλ L) + Ax Ar = 10 log10 ( N ) + Ad log 2 N (dB) Pr sensibilidade do receptor, Ms margem de funcionamento, Ax perdas extra (conectores, duplexores, etc.), Ar perdas de derivação, ΔPi ( Dλ L) perdas devidas à dispersão, Ad perdas de inserção dos acopladores Valor máximo da potência média emitida Psmax ≤ Psc − Msc + αLa + Ar + Ax Psc potência de sobrecarga, Msc margem de funcionamento para a potência máxima © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 348 Acopladores • O acoplador direccional é usado para combinar e derivar sinais nas de redes ópticas. Comprimento acoplamento Entrada 1 Saída 1 P P Entrada 2 P 1 P 4 Saída 2 2 3 P C = 10 log 1 Parâmetros: Coeficiente de acoplamento: P3 P1 A 10 log = d Perdas em excesso: P2 + P3 • Combinando de modo apropriado acopladores direccionais é possível construir repartidores ópticos passivos 1:N. Repartidor óptico passivo 1x8: P /8 o P o P /8 o P /8 o Atenuação total do repartidor 1xN At = log 2 N × Ad + 10 log( N ) P /8 o © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 349 Funções da OLT e ONU/ONT na EPON • Como acontece na generalidade das PONs a OLT funciona como o controlador de rede. • Todas a comunicações têm lugar entre a OLT e as ONUs, ou seja não há interacção directa entre as ONUs. Cada ONU é identificada pelo seu LLID (Logical Link Identifier). • Funções da OLT: Processo de descoberta: Verifica se uma nova ONU se juntou ou abandonou a rede. Controlo de registo: Controla o registo das novas ONUs adicionadas à rede. Gestão de banda: Atribui a cada ONU uma banda apropriada no canal ascendente. Processo de alinhamento (ranging) e sincronismo: Calcula o atraso temporal entre a OLT e cada ONU; gera mensagens de sincronismo (time-stamped) de modo a garantir que as ONUs e a OLT tenham uma referência temporal comum. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 350 Arquitectura da EPON (P2MP) A principal diferença entre a EPON e a Ethernet P2P é a presença da sub-camada MPMC. Esta sub-camada é responsável por executar um protocolo de acesso múltiplo que regula o acesso das diferentes ONUs ao canal ascendente. A sub-camada PCS é responsável pela codificação 8B10B, como no caso da GbE. Isto implica que embora à EPON corresponda um fluxo de informação bidireccional a 1 Gbit/s, a transmissão é feita no meio óptico a um débito de símbolo de 1.25 Gbaud/s. Como opção, esta sub-camada também pode implementar um código do blocos RS(255,239). A sub-camada PMA é responsável por converter um fluxo de bits paralelo proveniente da sub-camada PCS num fluxo série. A sub-camada PMD é responsável por definir as características ópticas do transceptor e pela ligação à fibra através do MDI. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 351 Formato da Trama (IEEE 802.3) • A estrutura da trama EPON é idêntica à da Ethernet (IEEE 802.3),com excepção do campos preâmbulo/SFD. 7 1 6 6 Preâmbulo S F D Endereço de destino Endereço de fonte 8 bytes 0x5555 SLD 0x5555 2 bytes 1 byte 2 bytes LLID 2 bytes Modo 1 bit • CRC 1 byte ID 15 bits 2 Compri mento / Tipo 46-1500 Dados+ 4 octetos FCS Enchimento (Pad) O primeiro bit do campo LLID (Logical Link Indentifier) é um bit que indica o modo como o tráfego é enviado: difusão (1) ou unicast (0). No processo de difusão a mesma trama é enviada para todas as ONUs. Os 15 bits restantes são capazes de suportar 32 768 diferentes ONUs lógicas. A trama começa com o SLD (Start LLID delimiter), que é delimitado de ambos os lados por 2 bytes com um padrão fixo. Segue-se o LLID e um campo CRC para proteger os campos SLD e LLID. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 352 Protocolo MPCP • O protocolo MPCP (Multipoint Control Protocol) é usado pela EPON para regular o fluxo de tráfego e foi desenvolvido pelo grupo IEEE802.3ah. Usa dois tipos de mensagens REPORT/GRANT. • O MPCP é responsável por funções tais como auto-descoberta, registo de ONUs, alinhamento para as novas ONUs adicionadas à rede. • O MPCP proporciona ainda um plano de controlo para coordenar a transmissão ascendente, o qual fiscaliza a ocupação das filas de espera nas ONUs e atribui largura de banda para transmissão ascendente a cada ONU em função dessa ocupação. • A atribuição da banda é feita usando um algoritmo DBA (Dynamic Bandwidth Assigmnent), o qual usa as mensagens GATE (GRANT) e REPORT. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 353 Operação da EPON (descendente) • No sentido descendente as tramas Ethernet transmitidas pelo OLT passam através de um repartidor (splitter) 1:N e chegam a cada ONU. • Todas as tramas são difundidas pela OLT para todas as ONUs, as quais extraiam as tramas que lhe são destinadas com base na etiqueta LLID. Note-se que a LLID só está presente dentro de EPON. Antes de enviar as tramas para o cliente a LLID é eliminada pela ONU. 3 2 2 1 1 ONU 1 0& LLID=1 0& LLID=3 Laser OLT 3 2 1 2 3 2 1 2 2 2 ONU 2 Trama Ethernet Repartidor (Splitter) Óptico © João Pires 3 2 1 Cada ONU extrai a trama que lhe é destinada usando a etiqueta LLID , e rejeita todas as outras tramas recebidas. 3 2 ONU 3 Redes de Telecomunicações (10/11) 354 Operação da EPON (Ascendente) • No sentido ascendente há o problema da contenção. Duas tramas que cheguem simultaneamente ao OLT colidem. Para ultrapassar esse problema usa-se o protocolo MPCP. • Para sincronizar as diferentes ONUs o protocolo MPCP baseia-se num esquema TDMA (Time Division Multiple Access) . Assim, a cada ONU é alocado um time-slot, com capacidade para transportar várias tramas Ethernet. Os esquemas de alocação de time-slots podem ser estáticos ou dinâmicos. Neste último caso a dimensão do time-slot é ajustada em função da fila de espera na ONU. Laser OLT 1 2 2 3 3 3 1 1 ONU 1 Trama Ethernet 2 2 2 2 ONU 2 0& LLID=1 Time-slot 0& LLID=2 Combinador 3 3 3 Todas as tramas enviadas por uma ONU devem ser etiquetadas com o seu próprio LLID. © João Pires ONU 3 Redes de Telecomunicações (10/11) 3 3 3 Cada ONU armazena em memória as tramas recebidas dos utilizadores até que o seu time-slot chegue. Nesta altura envia todas as tramas armazenadas em rajada, à velocidada máxima do canal. Se não houver tramas em número suficiente para encher um time-slot são enviados caracteres de 10 bit sem informação. 355 Algoritmo DBA • O conjunto dos N time-slots correspondentes aos N ONUs designa-se por ciclo. A duração de um ciclo é denominada por T. A duração de cada timeslot (janela de transmissão) é variável, sendo atribuída pelo DBA em função da ocupação das filas de espera da ONU. Os time-slots estão organizados sequencialmente, com um intervalo de guarda de modo a evitar colisões na OLT devido a flutuações no RTT (round-trip time). Este é dado por 2d/v, onde d é a distância entre a OLT e a ONU e v é a velocidade de propagação na fibra. Este tempo é calculado pela OLT através das mensagens Report/Grant (Gate). Na figura uma OLT atribui permissão Gate a uma ONU logo após a recepção do seu Report. No ciclo seguinte essa ONU já vai transmitir na janela de transmissão atribuída pela OLT. Fonte: João Santos, TFC, IST, 2006 • A cada ONU é atribuída uma janela de transmissão máxima de Wi, max (em bytes). O tempo de ciclo máximo, correspondente a N ONUs, é dado por Tmax = © João Pires 8 × Wi , max ⎛ ⎜⎜τ g + D i =1 ⎝ N ∑ ⎞ ⎟⎟ ⎠ τg: intervalo de guarda (segundos), D: Débito binário na linha Redes de Telecomunicações (10/11) 356 Serviços e Arquitectura da GPON • • • A OLT serve como interface entre a PON e a rede do operador e suporta diferentes tipos de tráfego, tais como: – IP sobre Fast, Gibabit, ou 10 Gbit Ethernet: – TDM sobre interfaces SDH; – ATM UNI entre 155-622 Mb/s. Por sua vez a ONT termina a PON e apresenta diferentes interfaces para o utilizador que suportam voz (POTS), VoIP, Ethernet, etc. A arquitectura da GPON é a seguinte: Cliente ATM Cliente TDM Cliente GEM Transmission convergence (TC) adaptation sub-layer GPON TC framing sub-layer Transmission convergence (TC) layer GPON physical media dependent (PMD) layer Qualquer tipo de tráfego dos clientes que não seja ATM ou TDM ( ex: Ethernet, IP, etc) é encapsulado em tramas GEM (GPON encapsulation method). Estas tramas têm comprimento variável e permitem transportar no máximo 1500 bytes de carga. Se houver necessidade de transportar pacotes de maior dimensão é necessário recorrer a fragmentação. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 357 Orçamento de Potência Orçamento de potência para a GPON (descendente, 1490 nm) considerando componentes de Classes B Perdas dos componentes OLT (saída do laser) Saída/sensibilidade /perdas Margem de potência (dB) +7.0 dBm ONT (sensibilidade do receptor) - 21 dBm Atenuação máxima permitida 28.0 dB Perdas nos duplexores WDM (2 × 1.5 dB) - 3.0 dB 25.0 dB Perdas no splitter (1:32) -16.5 dB 8.5 dB Perdas na fibra (0.25 dB/km × 20 km) - 5.0 dB 3.5 dB Conectores ( 4 × 0. 25 dB) -1.0dB 2.5 dB Margem do sistema Notas: 1) Para o orçamento ascendente é necessário adicionar a penalidade associada ao facto do receptor operar em “burst mode” (tipicamente 1 dB). 2) Se se usasse um splitter 1: 64 a atenuação por ele introduzida seria igual a 19. 9 dB (log10 64 + 0.3 log2 64 ). A margem do sistema anterior não seria suficiente para compensar a atenuação adicional ( 3.4 dB). Para suportar este factor de derivação seria então necessário usar óptica de classe C. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 358 GPON vs EPON GPON EPON Norma ITU-T G984 IEEE 802.3ah Débito de linha descendente 1244, 2448 Mb/s 1250 Mb/s (1 Gb/s Eth ) Débito de linha ascendente 155, 622, 1244, 2448 Mb/s 1250 Mb/s (1 Gb/s Eth) Derivação máxima 1:64 1:32 ; 1:16 (típica) Máximo alcance 10/20 km 10/20 km Atenuação máxima 20/25/30 dB (Classe A, B, C) 20/24 dB (10, 20 km) Eficiência média (ε) ≈ 93% ≈ 65-70% Tráfego suportado Ethernet, ATM, TDM Ethernet Débito médio por ONU ≈ 70 Mb/s @ 1:32 (ε=92%) ≈ 45 Mb/s @ 1:16 (ε=72%) A eficiência refere-se à fracção do débito usada para transporte de dados. A menor eficiência da EPON resulta de tempos de guarda maiores e um maior cabeçalho dedicada para correcção de erros e outras funções (8B/10B). No cálculo do débito médio considerou-se um utilização completa e sem bloqueio da PON. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 359 Notas sobre XG-PON (10G-PON) • Espera-se que a norma esteja pronta no fim de 2010. • O débito descendente é cerca de 10 Gb/s, enquanto o débito ascendente é de 2.5 Gb/s para a XG-PON1 (ou 10 Gb/s futuramente: XG-PON2). • Deve haver compatibilidade com a G-PON e E-PON. Para garantir essa compatibilidade pode-se ter o seguinte plano de lambdas: XG-PON 1260 • 1280 1290 G-PON 1310 G-PON 1330 1480 1500 Video- RF 1530 1540 XG-PON 1570 1580 Lambda (nm) A atenuação máxima suportada estará situada entre 28.5 e 31 dB, para BER=10-12 . © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 360 10 GPON em Portugal Fonte: Diário Económico © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 361 Soluções WDM-PON • Nas PON baseadas em WDM (Wavelength Division Multiplexing) a cada ONU é atribuído um comprimento de onda (lambda). • Tal como no caso do P2P cada ONU opera ao débito binário individual (e não agregado) e a privacidade da ligação está garantida sem necessidade de encriptação, como acontece na TDM-PON. • As redes WDM-PON baseiam-se quer no DWDM (Dense-WDM), quer no CWDM (Coarse-WDM). • As soluções DWDM operam na janela de 1550 nm e as principais variantes são: 1) broadcast & select; 2) wavelength routing © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 362 Arquitectura DWDM-PON:broadcast & select • Na arquitectura broadcast & select a banda de lambdas usada é difundida para todas as ONUs, para posteriormente cada ONU seleccionar o seu lambda próprio usando um filtro óptico. λ1, λ2, ........ λN, Receptor ONU 1 Laser Nó de repartição OLT λ1, λ2, ........ ,λN λN+1, λ N+2 ..,λ 2N Receptor Repartidor/ combinador A electrónica de cada ONU opera ao débito individual da ONU • Filtro λ1, λ2, ........ λN, Matriz de Lasers Matriz de Receptores λN+1 ONU k Laser λN+k λ1, λ2, ........ λN, Receptor ONU N λ 2N Laser No sentido ascendente cada ONU emite no seu comprimento de onda próprio, as quais são combinadas passivamente no nó de repartição. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 363 Arquitectura DWDM-PON:wavelength routing • O derivador óptico é substituído por um encaminhador óptico tipo AWG (Arrayed Waveguide Grating). λ1 Receptor ONU 1 Laser Nó de repartição OLT Matriz de Lasers Matriz de Receptores λ1, λ2, ........ ,λN AWG Splitter λk Receptor Repartidor/ combinador λN+1, λ N+2 ..,λ 2N combinador Permite suportar mais de 80 lambdas o que corresponde a mais de 40 ONUs, com débitos individuais por ONU até 10 Gb/s • λN+1 ONU k Laser λN+k λN, Receptor ONU N λ 2N Laser O encaminhador envia os diferentes comprimentos de onda para os diferentes ONUs. A utilização do AWG vai eliminar as perdas de derivação da solução broadcast & select. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 364 CWDM-PON • Usa componentes de baixo custo com os lambdas espaçados de 20 nm. Na segunda e terceira janela (1280-1600 nm) só são suportados 16 canais, ou seja 8 ONUs • Exemplo de uma rede CWDM (Coarse-WDM) com 4 lambdas por cada direcção e 10 Gb/s por canal (Fonte: T. Shih et al., “A 40 Gb/s bidirectional CWDMPON....”, OECC08) m 10 km, 40 Gb/s OLT © João Pires n xx 3 1 WDM WDM m Mulriplexer de 13xx /15XX WDM 1310 nm 1550 nm WDM 1330 nm WDM Redes de Telecomunicações (10/11) 1290 nm 1530 nm WDM Ponto de repartição 1510 nm WDM WDM CWDM MUX 15 xx n WDM CWDM MUX 1290 nm 1310 nm 1330 nm 1350 nm CWDM MUX 1510 nm 1530 nm 1550 nm 1570 nm CWDM MUX WDM 1570 nm 1350 nm ONU 365 WDM-PON: Prós e Contras Prós • Suporta todos os serviços (Ethernet, TDM, ATM, etc.) de modo transparente. • Suporta débitos por ONU muito elevados (até 10 Gb/s). Contras • Requer um número elevado de interfaces ópticas na OLT (16 no caso do CWDM-PON, e várias dezenas no caso da DWDM-PON). • Requer interfaces ópticas coloridas na ONU, já que cada ONU processa lambdas diferentes ( problema CAPEX/OPEX). • A variante DWDM requer lasers DFB muito estáveis devido ao espaçamento entre canais ser reduzido e por isso muito caros. © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 366 WDM-PON: Cenários de Aplicação • A variante DWDM conduz a soluções muito caras, não compatíveis com os requisitos de baixo custo da rede de acesso. • A variante CWDM conduz a redes de dimensões reduzidas e por isso de fraco interesse prático. • A WDM-PON não se afigura como alternativa viável, pelo menos a curto prazo, para aplicações de acesso óptico domésticas. • As redes híbridas metro-acesso são o cenário de aplicação mais apropriado para as soluções WDM © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 367 Mercado FTTH/B por tecnologia (previsão 2011) FTTH Market by Technology, Dec 2011 A tecnologia EPON será dominante nos países asiáticos. 23% 26% A tecnologia GPON será dominante nos EU e Europa. GPON EPON Other PON Active 1% 50% © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) Fonte: Heavy Reading report, FTTH Worldwide Market & Technology Forecast, 2006-2011, June 2006 368 Utilizadores por Tecnologia de Banda Larga (Mundial) Fonte: H. Kogelnick, “Perspectives on Optical Communications”, OFC 2008 © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 369 FTTH/FTTB Panorama Internacional (2010) © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 370 Implementações FTTH/B na Europa (2009) © João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 371