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Redes de Acesso Óptico para Próxima Geração
Next Generation Optical Access Networks
Guilherme Enéas Vaz Silva1
Rafael Jales Lima Ferreira2
Resumo
O artigo traz uma comparação entre duas arquiteturas de redes ópticas
capazes de atender a crescente demanda de largura de banda exigida pelos
usuários de redes de acesso. A rede óptica passiva baseada em
multiplexação por divisão no tempo e a rede óptica passiva baseada em
multiplexação por divisão de comprimento de onda foram investigadas
considerando-se aspectos como potência de transmissores, número de
usuários e alcance. A análise comparativa tem como objetivo facilitar a
escolha da próxima geração de acesso óptico.
Palavras-chave: Redes ópticas. TDM-PON. WDM-PON.
Abstract
This paper compares two optical network architectures capable of meeting
the growing demand of bandwidth required by access network users. The
passive optical network based on time division multiplexing and
wavelength division multiplexing were investigated considering aspect
such as transmitters power, number of users and distance. The objective of
the comparative analysis is to facilitate the choice of next-generation
optical access.
Keywords: Optical Networks. TDM-PON. WDM-PON.
INTRODUÇÃO
As redes de acesso são redes locais que se prolongam ao âmbito metropolitano,
nas quais conectamos o usuário a central de serviços (Central Office – CO).
________________________________________________
1Pós graduado em Telecomunicações pela Universidade de São Paulo (USP), Professor do Departamento
de Ciência da Computação – Centro de Ensino Unificado de Teresina (CEUT) - Teresina – PI – Brasil,
Professor do Departamento de Sistemas de Informação – Faculdade das Atividades Empresariais de
Teresina (FAETE) - Teresina – PI – Brasil, [email protected]
2Graduado pelo Departamento de Ciência da Computação – Centro de Ensino Unificado de Teresina
(CEUT), [email protected].
Caderno de Estudos Ciência e Empresa, Teresina, Ano 8, n. 2, nov. 2011.
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Os meios de transmissão mais utilizados nessas redes são o cabo de cobre, no
qual a tecnologia DSL (Digital Subscriber Line – Linha Digital de Assinante) fornece
serviços de internet banda larga para seus assinantes, e o cabo coaxial, no qual a
tecnologia utilizada é o modem a cabo.
O uso dessas tecnologias teve inicio quando as empresas de telefonia e TV a
cabo perceberam a internet como um mercado muito interessante e, a partir de então,
resolveram reaproveitar sua infraestrutura pré-existente para prover dados (além,
evidentemente, de prover seus serviços de telefonia e TV) [Kurose and Ross, 2003].
Porém, com o crescimento exponencial de tráfego na internet, o transporte de
dados pelas tecnologias DSL e modem a cabo tem se tornado um grande problema
devido as limitações físicas dos cabos de cobre e cabos coaxiais. Com isso podemos
observar que as redes de acesso, nos últimos anos, têm se tornado o maior problema
(“gargalo”) das redes de telecomunicações e a demanda por largura de banda exigida
pelos usuários vem aumentando rapidamente.
Aplicações emergentes, tais como Video on Demand (VoD), HDTV, cinema
digital, educação sob demanda (EoD), esquemas de vigilância on line, games on line
interativos e transmissão de áudio com alta qualidade, requerem uma alta largura de
banda tanto no downstream quanto no upstream. Outros serviços que devem ser
atendidos pela próxima geração de redes de acesso estão descritos em [Crimi 2011].
Alguns estudos citam que sejam necessários mais de 75 Mbps para disponibilização de
todos esses requisitos aos usuários, outros apontam para valores de 100 Mbps
bidirecionais [Ollivry 2009]. Taxas desta magnitude não podem ser alcançadas pelas
tecnologias de acesso xDSL e modem a cabo.1
Nesse contexto, as fibras ópticas surgem como alternativa para as redes de
acesso. As redes ópticas podem ser organizadas no modelo FTTx (Fiber to the Home,
Fiber to the Building, Fiber to the Curb e Fiber to the Cabinet), e, desse modo, podem
prover o chamado serviço triple-play, ou seja, voz, vídeo e dados em um mesmo
canal.Em esquemas utilizando fibra óptica na topologia ponto-multiponto, diversos
usuários compartilham uma fibra até um nó remoto (RN – Remote Node), a partir do
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qual cada cliente dispõe do seu enlace óptico. O RN pode ser passivo ou ativo,
dependendo se é eletricamente alimentado ou não. Se requerer suprimento de energia, a
arquitetura é chamada Rede Óptica Ativa (AON – Active Optical Network), caso
contrário à arquitetura recebe o nome de Rede Óptica Passiva (PON – Passive Optical
Network).
PONs são mais vantajosas do que AONs em termos de instalação, operação,
manutenção da rede e possibilidade de upgrade [Effenberger 2007]. Nas PONs, o
Terminal de Linha Óptica (OLT – Optical Line Terminal), localizado na central do
provedor de serviço (CO – Central Office), é conectado a várias Unidades de Rede
Óptica (ONUs – Optical Network Units) através de um ou vários divisores ópticos,
conhecidos como splitters, que estão localizados dentro do RN. A topologia em árvore é
a configuração mais utilizada para a implementação de uma Rede Óptica Passiva.
Tendo isso em vista, a solução de acesso óptico mais difundida no mundo é a
Rede Óptica Passiva baseada em multiplexação por divisão no tempo (TDM-PON –
Time Division Multiplexing-PON) [Mukherjee 2006], [David and Kyeong 2005].
Muitos países têm adotado a primeira geração de TDM-PONs, que fornece taxas de
dados para downstream de até 1,25Gbps [Abrams 2005]. Alternativamente, a PON
baseada em multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM-PON) explora
de forma mais eficiente a vasta capacidade da fibra óptica sem alterar drasticamente a
infraestrutura da rede. Redes WDM-PON têm sido alvo de grande interesse tanto para
comunidade acadêmica quanto para empresas atualmente, destacando-se principalmente
os países asiáticos [Lee et al 2007].
Nesse contexto, o artigo faz uma comparação entre as TDM-PONs e WDMPONs, levando-se em consideração aspectos como potência de transmissores, número
de usuários e alcance, como forma de incrementar os resultados alcançados em [Ferreira
and Silva 2011]. A continuação do artigo está organizada da seguinte forma: na seção 2
é feito um estudo sobre as TDM-PONs e na seção 3 discute-se sobre as WDM-PONs.
Na seção 4 ilustra os resultados obtidos com auxílio do software OptiSystem, da
empresa Optiwave. A seção 5 apresenta as conclusões obtidas.
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TDM-PON
No downstream a transmissão ocorre em broadcasting, sendo que cada ONU
recebe toda a informação provida pelo OLT e filtra os dados que lhes são destinados,
como pode ser observado na Figura 1. Precauções relativas à segurança, tais como a
criptografia, devem ser tomadas para garantir que usuários mal intencionados não
tenham acesso a toda informação da rede. A faixa de comprimento de onda utilizada
nesse sentido de tráfego varia entre 1480nm a 1500nm.
Figura 1. Esquema de downstream e upstream da TDM-PON
No sentido upstream, cada ONU terá uma janela temporal pré-determinada e,
durante este intervalo, poderá usar toda a largura de banda provida pelo canal óptico. O
splitter, atuando como um combinador de potências, será responsável por combinar as
sequências de dados e mandar as informações de todos os usuários ao CO. O esquema
descrito está ilustrado na Figura 1. O OLT é responsável por alocar as janelas temporais
de cada usuário. De forma complementar, as ONUs devem negociar com o OLT quando
elas podem transmitir seus dados, levando-se em consideração as diferentes distâncias
que pode haver entre elas. A faixa de comprimento de onda utilizada no upstream varia
entre 1260nm e 1360nm.
As tecnologias TDM-PON mais utilizadas atualmente são: Broadband PON
(BPON) [ITU G.983], conhecida anteriormente como ATM-PON; Ethernet PON
(EPON) [IEEE 802.3ah]; e Gigabit PON (GPON) [ITU G.984].
Já existem muitas plantas TDM-PON em operação viabilizadas pelas
operadoras DT (Alemanha), BT (Inglaterra) e BellSouth (Canadá), com destaque
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especial para a NTT (Japão), onde estão instalados alguns dos maiores parques de PON
[Abrams 2005]. Detalhes sobre a implantação de fibras ópticas para redes de acesso nos
Estados Unidos estão descritos em [Wagner 2006].
3 WDM-PON
Embora a TDM-PON seja uma boa alternativa para prover acesso banda larga
ao usuário final, ela tem a desvantagem de não ser escalável devido à perda por divisão
de potência nos divisores ópticos (o que limita o número de ONUs). Para resolver este
empecilho pode-se usar multiplexação por divisão de comprimento de onda,
aumentando a largura de banda de uma PON e melhorando o orçamento de potência.
Estas redes recebem o nome de WDM-PONs.
A topologia lógica é a ponto-a-ponto (diferentemente da PON convencional) e
o sistema reúne múltiplos comprimentos de onda tanto na direção downstream como na
direção upstream. Diferentes ONUs podem operar em diferentes taxas de bits, logo uma
variedade de serviços pode ser oferecida em uma mesma rede. O equipamento principal
de uma rede WDM-PON é o Arrayed Waveguide Grating (AWG), que faz o roteamento
do sinal óptico de uma dada porta de entrada para uma dada saída, baseado no
comprimento de onda do sinal [Mukherjee 2006].
Como representado na Figura 2, uma fonte de múltiplos comprimentos de onda
no OLT é usada para transmitir os comprimentos de onda que serão roteados para as
diversas ONUs (downstream). Na direção upstream, o OLT é equipado com um
demultiplexador WDM para receber os comprimentos de onda das ONUs. As
transmissões downstream e upstream ocorrem nas janelas de 1500nm e 1300nm,
respectivamente. Em cada janela, a separação dos comprimentos de onda é por WDM
denso (um espaçamento típico entre os comprimentos de onda é 100GHz).
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Figura 2. Esquema simplificado de uma rede WDM-PON
4 RESULTADOS
A ferramenta utilizada nas simulações foi o software OptiSystem 9 da empresa
Optiwave Systems Inc. [Optiwave 2011].Primeiramente vamos analisar uma rede TDMPON, de forma mais específica, o padrão GPON (as taxas, números de usuários e outros
parâmetros foram baseados de acordo com o padrão). Na rede simulada, o OLT é
conectado a 32 ONUs através de um divisor óptico passivo. Nele é utilizado um laser
DFB com comprimento de onda 1490nm, modulação NRZ (não retorno a zero), sendo
que ao gerador de sequência de bit pseudo-randômico (PRBS) foram atribuídos 28 bits.
Na ONU, para o upstream, um laser semelhante em 1310nm.
A distância entre o OLT e a ONU é de 20Km. Os valores de atenuação e
dispersão na fibra bidirecional para a banda de 1550nm foram de 0.2 dB/Km e 16.75
ps/(nm.km), respectivamente. Para a banda de 1310nm, utilizada para o upstream, a
atenuação e dispersão foram 0.5 dB/Km e 0 ps/(nm.km), respectivamente.
Foram utilizadas as taxas de bit de 1.25Gbps, 2.5Gbps e 10Gbps. Como já
explicado, redes TDM-PON compartilham a largura de banda no tempo, dessa forma
enviando-se 1.25Gbps para 32 ONUs tem-se como taxa individual 40Mbps.
O splitter localizado no RN possui perda por inserção de 1.5dB (valor
compatível com dispositivos disponibilizados no mercado [Neophotonics 2011]). Esse
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dispositivo divide a potência no sentido downstream, tornando o requerimento da
potência enviada pelo OLT elevado, como pode ser observado na Figura 4. Para obterse uma taxa de erro de 10-12 (valor típico recomendado atualmente para transmissão
livre de erro) com a taxa de 1.25Gbps, a potência enviada no transmissor do OLT
necessita ser pouco menor que 1.5dBm, enquanto que para obter-se essa mesma taxa de
erro a 2.5Gbps a potência no OLT deve ser cerca de 3.3dBm. De forma previsível, uma
maior taxa requer uma maior potência.
Figura 3. Varredura de potências no sentido downstream para uma rede
TDM-PON em 20Km.
Em termos de evolução da GPON, tem-se procurado melhorar o orçamento de
potência da rede para que seja possível aumentar seu alcance e aumentar o número de
ONUs por OLT. Adicionalmente, estuda-se o incremento da taxa de downstream para
10Gbps [Effenberger 2007], taxa já investigada na Figura 3. Tendo isso em vista, vamos
analisar a rede agora com 64 ONUs (provável upgrade das redes atualmente instaladas).
Como podemos observar na Figura 4, para obter uma taxa de erro de 10-12 com
a taxa de 1.25Gbps, a potência enviada no transmissor do OLT é de 4.5 dBm, enquanto
que para obter-se essa mesma taxa de erro a 2.5Gbps a potência no OLT deve ser cerca
de 6 dBm, enquanto que para uma taxa de dados de 10Gbps necessitamos de uma
potência de 9 dBm para chegar na mesma taxa de erro. Então, como podemos observar,
a medida que aumentamos a quantidade de usuários e a taxa de dados, precisamos
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aumentar a potência necessária no laser do OLT para termos um orçamento de potência
satisfatório (note que a divisão de potência de um splitter de 64 portas é bem elevada).
Em termos de largura de banda, com a taxa de transmissão de 10Gbps compartilhada
por 64 usuários, a taxa efetiva de cada ONU seria 160Mbps.
Figura 4. Varredura de Potências no sentido downstream para uma rede GPON de 64
ONUs.
Vamos analisar agora uma rede WDM-PON. Na rede simulada, o OLT é
formado por uma fonte WDM e um receptor WDM. A fonte WDM é representada por
um array de 32 lasers DFB (Distributed Feedback) com modulação NRZ, sendo que ao
PRBS foram atribuídos 27 bits. O comprimento de onda central é 1550nm e
espaçamento foi 100GHz. Foram utilizadas taxas para downstream de 1.25Gbps,
2.5Gbps e 10Gbps. O receptor WDM é composto por um demultiplexador capaz de
separar cada um dos 32 comprimentos de onda utilizados no upstream e encaminhá-los
para seus fotodetectores PIN (cuja responsividade é 1A/W).
A largura de banda do AWG utilizada por canal foi de 70GHz, com perda de
inserção 3.5dB, perda de retorno -65dB e filtro retangular (valores compatíveis com
AWGs disponíveis no mercado [Furukawa 2011]). Cada porta de saída do AWG na
direção de downstream apresenta um comprimento de onda diferente que será
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encaminhado para a respectiva ONU. A Figura 5a mostra o gráfico da varredura de
potências transmitidas em 20Km de fibra. Utilizou-se o canal que apresenta o pior
desempenho, ou seja, a maior taxa de erro de bit entre todos os 32 canais no sentido
downstream (diferentemente do gráfico da Figura 5b, na qual todos os comprimentos de
onda são apresentados). Para 1.25Gbps, uma potência de -13.5dBm provê uma BER de
10-12. Como foi apresentado na simulação com TDM-PON, a potência necessária nessa
taxa para gerar essa BER seria muito mais elevada: 1.5dBm. Já para 2.5Gbps na rede
WDM-PON a potência necessária para atingir essa BER seria aproximadamente
-12dBm. E, para 10Gbps, a potência necessária seria aproximadamente -9.2dBm.
Para a rede WDM-PON foram analisados apenas 32 ONUs. Porém, cada uma
dessas ONUs possui um comprimento de onda dedicado, ou seja, a taxa efetiva de um
usuário poderia ser de fato 2.5Gbps, por exemplo. Evidentemente que um usuário
comum não precisa de uma taxa tão elevada, mas poderemos considerar a ONU como
sendo uma grande empresa ou um residencial de casas, logo a taxa da ONU seria
compartilhada por diversos usuários.
(a)
(b)
Figura 5. (a) Varredura de potências para 1.25Gbps, 2.5Gbps e 10Gbps (b)
BER dos 32 canais a 2.5Gbps em 20Km.
O padrão ITU-T G.984 define algumas classes de redes PON de acordo com a
perda na fibra, potência enviada, sensibilidade do receptor e BER estipulada. Para a
Classe A, a perda total na rede de distribuição está na faixa de 5 a 20dB. Dessa forma, a
WDM-PON simulada em 20Km enquadrar-se-ia nesta classe. A potência mínima de um
transmissor no OLT a uma taxa de 1.25Gbps definida para esta classe é -4dBm. Para
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avaliar o alcance da WDM-PON, fez-se uma varredura de distâncias com os lasers do
array no OLT operando a -4dBm. Os resultados estão ilustrados na Figura 6, na qual o
canal com pior desempenho é mostrado. Efeitos não lineares também foram
considerados, dentre eles: Modulação de Fase Cruzada (XPM), Automodulação de Fase
(SPM), Espalhamento Raman (SRS), Espalhamento Brillouin (SBS) e Mistura de
Quatro Ondas (FWM).
De acordo com a Figura 6, considerando-se o valor de BER máximo 10-12, a
taxa de 2.5Gbps, por exemplo, alcançaria uma distância de aproximadamente 58Km. O
gráfico foi construído para o downstream, dessa forma é importante ressaltar que para o
upstream deve-se levar em consideração que o valor da atenuação é maior (banda de
1300nm), logo o alcance seria reduzido. Pode-se observar que os efeitos não lineares
não influenciaram no comportamento dos canais.
Figura 6. Varredura de distâncias com potência de - 4,0dBm
5 CONCLUSÃO
Neste artigo foram analisadas duas alternativas para redes ópticas: a TDMPON (no caso, a GPON) e a WDM-PON. Como demonstrado, o splitter presente nas
redes TDM-PON prejudica o orçamento de potência, fazendo com que a potência dos
transmissores seja bem mais elevada. Quanto a taxa efetiva de cada usuário, a proposta
de evolução das atuais redes GPON instaladas para operarem em taxas de 10Gbps
compartilhadas por 64 usuários ofereceria uma taxa efetiva para cada ONU satisfatória
para as aplicações emergentes mencionadas. E a viabilidade dessas redes em termos de
qualidade do sinal foi mostrada no artigo.
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Já na rede WDM-PON, o AWG não realiza divisão de potência, apenas faz o
roteamento dos comprimentos de onda, melhorando o orçamento de potência destas
redes. Adicionalmente, a largura de banda oferecida pelas redes WDM-PON é maior, já
que existe um comprimento de onda dedicado para cada ONU. Essa comunicação
ponto-a-ponto, inclusive, torna a rede bem mais simples, evitando a necessidade de
algoritmos de alocação dinâmica de largura de banda, por exemplo. Por outro lado, o
esquema idealizado de uma WDM-PON apresenta um custo bastante elevado, levandose em consideração que utiliza diversos transmissores e receptores ópticos.
Tendo isso em vista, concluímos que um upgrade das atuais redes TDM-PON
instaladas seria suficiente para atender a demanda de um futuro próximo. A
infraestrutura da rede não seria muito alterada, porém o aumento na taxa de transmissão
acarreta em componentes mais sofisticados, o que pode ser um empecilho. Por outro
lado, as redes WDM-PON surgem como uma tendência natural para evolução das redes
TDM. Porém, os custos para implantação dessas redes ainda são proibitivos e a
demanda fornecida por ela ainda não é necessária. Tendo isso em vista, nos últimos
anos, muitos autores vêm estudando como tornar essa arquitetura mais viável [Andrade
et al 2011].
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