Sistemas de acesso WDM-PON com taxas de
1,25 Gb/s por usuário: vantagens e desafios
Ulysses Rondina Duarte*, João Batista Rosolem, Murilo Araujo Romero**
Este trabalho apresenta uma descrição das tecnologias e de topologias para rede óptica de acesso de
futura geração, conhecida como NG-PON (Next Generation of Passive Optical Network), baseada em
WDM. Essas são soluções que proveem largura de banda ilimitada aos usuários. São analisadas, neste
trabalho, as topologias e os dispositivos ópticos e eletro-ópticos necessários para viabilizar redes do tipo
WDM-PON. São, também, relatadas as pesquisas nessa área, que estão em desenvolvimento no
Projeto 100 GETH.
Palavras-chave: Redes ópticas de acesso. WDM-PON. NG-PON. R-SOA.
Introdução
A demanda de largura de banda exigida pelos
usuários, sejam eles residenciais ou empresas,
vem aumentando rapidamente nos últimos anos.
Estima-se que velocidades de transmissão da
ordem de algumas dezenas de Megabits por
segundo por assinante logo serão requisitadas
em
grande
volume,
em
virtude
da
disponibilização de vários serviços oferecidos
pelas operadoras de telecomunicações. Dessa
forma, soluções de altas taxas de transmissão
para o acesso vêm sendo abordadas a fim de
atender a essa crescente requisição por banda
larga.
Atualmente, com o emprego de fibras ópticas em
redes de acesso como meio físico de
transmissão de dados, vídeo e áudio (serviços
triple play) em uma única estrutura de conexão
banda larga do tipo PON (Passive Optical
Network), é possível oferecer aos usuários,
situados a algumas dezenas de quilômetros das
estações telefônicas (Central Office – CO), uma
gama de serviços que requerem taxa de
transmissão elevada, como, por exemplo,
Internet banda larga, jogos interativos, sinais de
vídeo de alta qualidade – como o HDTV (High
Definition Television) –, etc. A tecnologia
preferencial para implantação dessa primeira
geração de sistemas é conhecida como redes do
tipo TDM-PON (Time Division Multiplexing
Passive Optical Network) (NOWAK; MURPHY,
2005).
Nesse tipo de arquitetura passiva, um único
comprimento de onda é compartilhado entre os
diversos usuários da rede em cada sentido de
tráfego – downstream (da central para o usuário)
e upstream (do usuário para a central) – por
meio
da
utilização
em
cascata
de
divisores/combinadores
ópticos
(splitters)
localizados no nó remoto (Remote Node – RN)
do sistema. Adicionalmente, protocolos de
acesso ao meio (Medium Access Control – MAC)
fazem-se necessários em decorrência da
operação em modo rajada (burst) dos
transmissores upstream, a fim de evitar a
colisão/perda de pacotes enviados pelos
terminais dos usuários. Dessa forma, a
capacidade de banda larga oferecida pelo
sistema é dividida entre os vários assinantes da
rede passiva, excluindo a necessidade de
dispositivos complexos que poderiam encarecer
a manutenção de sua infraestrutura. Com a
tecnologia corrente, GPON (Gigabit Passive
Optical Network) (ITU-T, 2008), a qual possui
uma capacidade de 2,5 Gb/s, é possível permitir
taxas superiores a 40/80 Mb/s por assinante em
sistemas segmentados de 64/32 usuários, em
distâncias de até 20 quilômetros.
A segunda geração de tecnologia TDM-PON é
denominada X-GPON (EFFENBERG, 2011),
uma evolução dos sistemas GPON. Essa
segunda geração é capaz de permitir taxas de
10 Gb/s de downstream e 1,25 Gb/s de
upstream para o XG-PON I, e taxas 10 Gb/s
simétricos para o XG-PON II, compartilhadas em
sistemas constituídos por, no mínimo, 128
usuários. Nota-se que tais tecnologias são
capazes de aumentar a densidade de usuários
em uma única infraestrutura passiva. Entretanto,
não há aumento significativo do ponto de vista de
largura de banda por usuário.
Embora as tecnologias mencionadas se
destaquem como soluções vigentes para o
provimento de altas taxas de transmissão a
diversos usuários finais, tais sistemas podem
não permitir o grau de ampliação e
escalabilidade desejados pelas operadoras de
telecomunicações, por estarem limitados em
termos de capacidade. Isso ocorre devido a sua
*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].
** Departamento de Engenharia Elétrica – Universidade de São Paulo (USP-São Carlos).
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Sistemas de acesso WDM-PON com taxas de 1,25 Gb/s por usuário: vantagens e desafios
estrutura de compartilhamento, que limita a
quantidade de banda disponível por usuário.
Então, em um cenário futuro, no qual taxas
superiores a 100 e 200 Mb/s por assinante serão
requisitadas, em decorrência de novos serviços
oferecidos, tais tecnologias de acesso serão
insuficientes para atender a essa demanda.
Dessa forma, o estudo e o desenvolvimento de
soluções de acesso óptico capazes de prover
taxas superiores a 10 Gb/s tornam-se
necessários.
Nesse contexto, soluções conhecidas como
redes
WDM-PON
(Wavelength
Division
Multiplexing Passive Optical Network) são
capazes de oferecer banda larga “ilimitada” a
diversos assinantes, quando comparadas às
redes do tipo TDM. Em redes WDM,
empregam-se múltiplas frequências ópticas,
sendo que os usuários possuem canais
independentes entre si para se comunicarem
com a central, o que faz com que a banda por
assinante
seja
ampla.
Ademais,
essa
configuração permite uma ampliação gradativa
na capacidade da rede, em decorrência da
eliminação da estrutura de compartilhamento de
banda. Entretanto, a principal limitação para a
implantação de redes WDM-PON é o elevado
custo das unidades de transmissão e recepção
dos usuários.
Tendo em vista o panorama descrito, este
trabalho
apresenta
uma
descrição
das
tecnologias e de topologias para rede óptica de
acesso de futura geração, conhecida como
NG-PON (Next Generation of Passive Optical
Network), baseadas em WDM. Essas são
soluções que proveem largura de banda ilimitada
aos usuários. São analisadas, neste trabalho, as
topologias e os dispositivos ópticos e
eletro-ópticos necessários para viabilizar as
redes do tipo WDM-PON de curta e longa
distâncias. São, também, relatadas as pesquisas
em rede óptica de acesso do tipo WDM-PON,
que estão em desenvolvimento no Projeto 100
GETH.
1
Redes de acesso WDM-PON
A Figura 1 ilustra esquematicamente uma
topologia WDM-PON convencional conectando N
usuários (BANERJEE et al., 2005). Essa rede de
acesso é composta pelo terminal de linha óptica
(Optical Line Terminal – OLT), uma fibra
alimentadora e várias terminações de rede
ópticas (Optical Network Terminal – ONT),
localizadas a diferentes distâncias do OLT e
conectadas a ele através de um RN (Remote
Node). O RN é totalmente passivo, sendo
composto
apenas
de
multiplexadores/demultiplexadores ópticos, uma
vez que não é necessário o uso de
equipamentos e sistemas de alimentação
elétricos fora da planta da central de serviço, o
que torna essa implementação atrativa para as
provedoras de telecomunicações. No lado da
central de serviço, estão localizados os N
transmissores com diferentes comprimentos de
onda e receptores ópticos (Receiver – Rx) para a
Figura 1 Ilustração esquemática de uma rede WDM-PON convencional
126
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Sistemas de acesso WDM-PON com taxas de 1,25 Gb/s por usuário: vantagens e desafios
transmissão
e
recepção
dos
tráfegos
downstream e upstream, respectivamente. Um
AWG (Arrayed Waveguide Grating) com
funcionalidade bidirecional, ou qualquer outra
forma
eficiente
de
realizar
a
multiplexação/demultiplexação,
é
utilizado
comumente como roteador de comprimento de
onda, de forma a combinar e separar os sinais
de descida e subida dos N usuários. Devido à
propriedade cíclica do AWG, utiliza-se ainda um
filtro WDM de bandas em cada uma de suas
portas de saída, de forma a separar ambos os
tráfegos.
Atualmente,
pode-se
encontrar
comercialmente Athermal AWGs, que não
necessitam de controle térmico, com capacidade
de 44/88 canais na grade de 100/50 GHz, e
filtros dos tipos wideband e gaussiano.
É possível encontrar, também, AWGs com
128 canais na grade de 25 GHz com controle de
temperatura.
Em cada ONT do sistema, existe um transmissor
óptico, com comprimento de onda distinto do
transmissor da central, e um Rx para
transmissão e recepção dos tráfegos upstream e
downstream, respectivamente. Um segundo
AWG, localizado no RN, conecta esses
assinantes à central de serviço em uma única
fibra óptica, chamada fibra alimentadora.
A escolha das bandas de transmissão pode ser
feita nas bandas S, C ou L.
Em redes WDM-PON, cada usuário possui um
único par de comprimento de onda dedicado,
permanente e distinto em ambos os sentidos de
tráfego para se comunicar com a central de
serviço. Cada ONT pode enviar e receber dados
do OLT em qualquer instante de tempo,
independentemente da condição dos outros
usuários na rede. Ademais, os problemas de
gerenciamento, segurança e operação em modo
rajada dos transmissores ONT em sistemas
GPON
ou
XG-PON,
ocasionados
pelo
compartilhamento de um único canal óptico, são
eliminados. Nessa configuração, cada assinante
dispõe de um canal óptico ponto a ponto virtual
com o OLT, apesar de a arquitetura física da
rede ser do tipo ponto-multiponto.
Outra vantagem é a utilização de um roteador
AWG, em vez do emprego de divisores de
potência em cascata na ONT. Dessa forma, a
perda de inserção é muito menor que a perda
apresentada pelos splitters e independe do
número de usuários. Além disso, como a largura
de banda de cada receptor nas ONTs é igual à
largura de banda dedicada do canal, não há
deterioração adicional da relação óptica
sinal-ruído (Optical Signal-to-Noise Ratio –
OSNR), relacionada ao número de usuários. O
fato de a OSNR ser independente do número de
assinantes torna as redes WDM-PON flexíveis e
altamente escaláveis. Os fatores citados
permitem que a operação da rede WDM-PON
seja bastante simples e sua capacidade,
elevada. Entretanto, ainda com a análise da
Figura 1, pode-se dizer que um dos maiores
desafios para a implantação de WDM-PON em
redes de acesso é a disponibilização dos
inúmeros comprimentos de onda distintos
requisitados pelo sistema. Essa configuração
convencional eleva o custo de manutenção e de
gerenciamento da rede, não somente pelo custo
de cada fonte, mas também pela necessidade de
manter milhares de placas distintas em estoque.
Nesse contexto, soluções conhecidas como
fontes ópticas colorless (ou color-free), isto é,
soluções para transmissores que possam operar
em uma ampla faixa de comprimentos de onda,
têm sido propostas na literatura técnica, por
permitirem a utilização de um único tipo de fonte
óptica no transmissor óptico em cada usuário
ONT da rede WDM-PON. A seguir, serão
apresentados alguns tipos de fonte óptica
colorless destacados na literatura.
1.1 Transmissores colorless
1.1.1 Fatiamento espectral de fontes de
banda larga
A maneira mais elementar de se obter a
requerida fonte óptica colorless seria por meio da
utilização de lasers sintonizáveis em cada ONT
do sistema (AKULOVA et al., 2002; COLDREN et
al., 2004). Entretanto, essa opção elevaria
demasiadamente o preço de instalação e de
gerenciamento da rede óptica, em decorrência
do tipo de transmissor utilizado. Uma alternativa
à utilização de lasers sintonizáveis é o emprego
da técnica de fatiamento espectral de uma fonte
óptica de banda larga BLS (Broadband Light
Source), como o espectro de um LED (LightEmitting Diode) ou o ruído de ASE (Amplified
Spontaneous Emission) de um EDFA (ErbiumDoped Fiber Amplifier) ou de um SOA
(Semiconductor Optical Amplifier), conforme
Figura 2. Cada fatia da BLS, após ser
demultiplexada pelo AWG, ou por qualquer tipo
de demultiplexador, localizado no RN, é
encaminhada às diferentes ONTs do sistema.
O LED é uma fonte óptica de baixo custo, se
comparado aos amplificadores ópticos citados.
Entretanto, a utilização dessa fonte requer o uso
de modulação externa. Ademais, a baixa
densidade espectral do dispositivo semicondutor
é insuficiente para alocar vários canais (JUNG
et al., 2001), o que acabaria sacrificando o
orçamento de potência do sistema e exigindo o
uso de amplificação óptica, transformando a rede
óptica passiva em ativa. O espectro de ASE,
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Sistemas de acesso WDM-PON com taxas de 1,25 Gb/s por usuário: vantagens e desafios
gerado por um dos amplificadores citados,
possui densidade espectral de potência e largura
de banda superiores às dos LEDs. Entretanto, a
utilização de ASE também requer o uso de
moduladores externos, além de ainda sacrificar o
orçamento de potência da rede em decorrência
das altas perdas ocasionadas pelo fatiamento
espectral, encarecendo a instalação e a
manutenção desse tipo de sistema.
Alternativamente, o fatiamento espectral de
diodos laser de Fabry-Pérot (FP-LD) pode ser
utilizado como fonte óptica colorless, uma vez
que possui mais coerência e maior densidade de
potência, se comparado ao LED e aos espectros
de ASE. Entretanto, FP-LDs convencionais,
devido ao seu comprimento de cavidade
(∼ 250 µm) e a sua alta refletividade nas faces
(∼ 30%), não possuem largura de banda
suficiente
para
disponibilizar
muitos
comprimentos de onda para o sistema
(WOODWARD et al., 1998).
Em 2008, foi proposto o uso do fatiamento
espectral de um FP-LD como fonte óptica
colorless em uma rede de acesso WDM-PON de
baixo custo, com capacidade total de 2,5 Gb/s
(16 × 155 Mb/s), para prover o sinal upstream
(LEE, H. K.; LEE, J. H.; LEE, C. H., 2008).
A diferença notável na construção desse
dispositivo, em relação aos convencionais, é a
baixa refletividade (na ordem de 0,1%) utilizada
em uma das faces e o estreito espaçamento
entre canais (de 0,6 nm), em decorrência do uso
de uma cavidade longa (∼ 550 µm), o que
permite uma equalização de potência entre os
vários modos no dispositivo e a redução do ruído
inerente. Apesar de permitir uma implementação
de fonte óptica colorless, viabilizando a
implantação de sistemas do tipo FTTH (Fiber-tothe-Home), a rede era limitada a 16 canais com
taxas de 155 Mb/s e a distâncias de 20 km entre
o OLT e a ONT.
1.1.2 Bombeio
óptico
provindo
do
fatiamento espectral de fontes de banda larga
As limitações encontradas nas propostas das
fontes ópticas colorless mencionadas podem ser
superadas utilizando a técnica de injeção de
sinal óptico de banda estreita. Nesse esquema, o
bombeio óptico, provindo do fatiamento espectral
de uma BLS, é injetado no transmissor óptico, o
qual passa a operar com a frequência central do
sinal injetado. Utilizando um AWG para realizar o
fatiamento espectral de uma BLS do tipo ASE, a
frequência de operação dos transmissores será
definida pela porta de saída desse filtro. Essa é a
forma de obter o controle espectral e selecionar
em frequência a operação da fonte óptica
colorless.
Na
literatura
técnica,
são
encontradas
basicamente duas vertentes sobre o tipo de
bombeio óptico empregado nesses sistemas:
a) utilização de fontes ópticas monomodo,
como o laser DFB; e
b) fatiamento espectral de uma fonte ASE
de banda larga.
De fato, a opção a elevaria demasiadamente o
custo de manutenção e de gerenciamento da
rede, uma vez que seria necessário um estoque
de lasers específicos para gerar o bombeio
óptico. A opção b é a que mais se destaca na
literatura, se comparada à opção a, sendo que
uma única fonte BLS é capaz de prover o
bombeio
óptico
para
40
dispositivos
simultaneamente. Logo, será dado maior
enfoque à segunda opção.
Podem
ser
citados
dois
dispositivos
semicondutores que operam nas condições
previamente citadas:
a) FP-LD; e
b) RSOA (Reflexive Semiconductor Optical
Amplifier).
Figura 2 Fonte BLS e técnica de fatiamento espectral
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Figura 3 Fontes ópticas refletivas
A Figura 3 ilustra a técnica de bombeio óptico em
ambos os dispositivos. FP-LDs são projetados de
forma a se comportarem como cavidades ópticas
ressonantes, exibindo comportamento multimodo
(ou a coexistência de vários modos ressonantes)
em decorrência da existência de faces clivadas e
da condição de oscilação no dispositivo
semicondutor. Entretanto, FP-LDs convencionais
não possuem largura de banda suficiente para
disponibilizar muitos comprimentos de onda para
o sistema, devido ao seu típico comprimento de
cavidade (250 µm) e a sua alta refletividade nas
faces (30%). Ademais, o ruído inerente existente
no dispositivo decorrente de seu comportamento
multimodo limita sua operação a baixas taxas de
modulação direta, em torno de 155 Mb/s, o que o
torna inapropriado para sistemas de alta
capacidade.
Quando a técnica de bombeio óptico em FP-LD é
utilizada, o processo recebe o nome de injection
locking (LEE et al., 2007). A frequência do sinal
óptico externo, uma vez próxima de um dos
modos ressonantes do diodo laser, força o
dispositivo a oscilar praticamente em modo
único, como um laser DFB. Injetando diferentes
fatias do espectro da BLS, é possível selecionar,
de acordo com a frequência, os modos de
operação do FP-LD.
Diferentemente
dos
diodos
lasers
hoje
disponibilizados comercialmente, os FP-LDs
utilizados para injection locking possuem
características particulares para propiciar o
travamento óptico: elevado comprimento da
região ativa, permitindo a equalização em
potência em uma larga faixa de comprimento de
onda; faces com refletividades assimétricas,
sendo que as faces de entrada e saída possuem
camadas antirreflexivas (Anti-Reflection – AR) e
altamente reflexivas (High Reflection – HR) com
valores de 1% e 80%, respectivamente, de forma
a requisitar uma baixa potência de bombeio
óptico, garantindo um travamento eficaz. Essa
técnica vem sendo pesquisada desde 2000 (KIM;
KANG; LEE, 2000) e, atualmente, existe uma
rede WDM-PON com essa configuração
operando na Coreia do Sul (LEE et al., 2007).
Recentemente, um trabalho experimental
utilizando FP-LD em regime de tratamento óptico
mostrou ser possível implementar uma rede
WDMA com capacidade de 80
Gb/s
(32 x 2,5 Gb/s) a uma distância de 20 km entre o
OLT e a ONT (LEE, H. K. et al., 2010). Quando
comparados aos RSOAs, os FP-LDs em regime
de travamento óptico podem facilmente ser
modulados diretamente a taxas de 2,5 Gb/s, sem
a necessidade de equalização eletrônica,
utilizando-se um equalizador de realimentação
por decisão (Decision Feedback Equilizer –
DFE). Apesar das vantagens que a fonte óptica
colorless
proporciona,
a
disponibilização
comercial desse dispositivo próprio para
utilização da técnica de injection locking é muito
restrita.
Apesar do avanço significativo na vertente de
travamento óptico de FP-LD, transmissores do
tipo RSOA vêm chamando a atenção de
pesquisadores,
recentemente,
pela
implementação satisfatória de redes híbridas
WDM/TBM baseada em tais transmissores (LEE,
J.H. et al., 2010b).
A face frontal reflexiva do amplificador óptico
semicondutor é revestida com uma camada AR e
apresenta uma perda de inserção relativamente
baixa (menor que 0,5 dB), sendo utilizada
simultaneamente como porta de entrada do
bombeio óptico e saída do sinal óptico modulado,
enquanto a outra face possui um revestimento
HR, de modo que grande fração da luz injetada
seja enviada de volta à face AR. Dessa forma, o
bombeio óptico nesse dispositivo é injetado pela
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Sistemas de acesso WDM-PON com taxas de 1,25 Gb/s por usuário: vantagens e desafios
face AR, modulada em amplitude por meio da
aplicação de polarização alternada, refletida pela
face HR, amplificada novamente e enviada de
volta para a face AR com o mesmo comprimento
de onda central da semente óptica injetada.
Valores de ganho óptico e largura espectral de
ganho óptico de 3 dB para esse dispositivo estão
compreendidos entre 10 e 30 dB e 30 e 32 nm,
respectivamente. Dessa forma, um único RSOA
é capaz de operar em uma ampla faixa de
comprimento de onda (~ 30 nm), além de
amplificar o sinal óptico de entrada, sendo,
portanto, uma fonte óptica atrativa para utilização
em sistemas WDM (40 canais) e/ou DWDM
(80 canais).
De acordo com trabalhos encontrados na
literatura (CHO, K. Y. et al., 2008; CHO, K. Y.;
TAKUSHIMA; CHUNG, 2008; CHO, S. H. et al.,
2010a, 2010c; CHO, S. H.; JEON et al., 2008;
LEE; SHIN, 2010; LEE, J. H. et al., 2010a; SEOL;
JUNG; LEE, 2010), a máxima taxa de modulação
direta utilizada desses dispositivos, sem a
necessidade de técnicas sofisticadas de
equalização eletrônica, está compreendida entre
1,25 e 2,5 Gb/s. Entretanto, estão disponíveis,
comercialmente, apenas RSOAs capazes de
suportar taxas de modulação direta de, no
máximo, 1,5 GHz, possuindo largura de banda
suficiente para permitir 1,25 Gb/s por usuário.
Existem dois tipos de RSOAs disponíveis
comercialmente, no que se refere à dependência
de polarização do bombeio óptico injetada no
dispositivo: RSOA com alto PDG (Polarization
Dependency Gain), com valores de PDG
superiores a 20 dB, e RSOA com baixo PDG,
inferior a 1,5 dB. De fato, a escolha de BLSs
provindas de fontes incoerentes, como o ruído
ASE, é reforçada pelas características de
operação do RSOA em relação ao PDG, uma
vez que o fato de essas BLSs não possuírem
polarização determinada não influencia no tipo
de RSOA a ser utilizado no sistema, o que
permite mais flexibilidade na escolha dos
transmissores
colorless.
Quando
são
empregados lasers coerentes como fontes BLS,
como, por exemplo, o DFB, poderiam ser
utilizados apenas RSOAs com baixo PDG, uma
vez que o uso de controladores de polarização
acoplados ao transmissor colorless seria
necessário, a fim de ajustar o estado de
polarização da luz “semente” injetada e otimizar
o desempenho do dispositivo, o que é inviável,
do ponto de vista prático, para a produção em
massa. Ademais, RSOAs com alto PDG
possuem valores de ganho óptico superiores aos
de baixo PDG, sendo, portanto, uma escolha
atrativa para esses sistemas ópticos.
Outra característica notável em RSOAs é o seu
130
desempenho de operação estável em uma ampla
região de temperatura, compreendida entre 0 e
60ºC. Dessa forma, RSOAs podem ser
considerados dispositivos uncooled, uma vez
que não necessitam de controle térmico. Apesar
das inúmeras vantagens que essa fonte
colorless
oferece,
poucas
empresas
comercializam o dispositivo. A seguir, serão
apresentadas algumas topologias WDM-PON
empregando RSOAs como transmissores
colorless.
1.1.3
Compartilhamento da banda C
Uma solução atrativa para sistemas de acesso
WDM-PON, denominada C-band splitting
(PAYOUX; CHANCLOU; BRENOT, 2006), pode
ser alcançada com o compartilhamento de uma
única banda óptica, nesse caso a banda C, para
os sinais downstream e upstream, em vez da
utilização de bandas ópticas independentes
(LEE, C. H. et al., 2007; LEE, S. M. et al., 2005).
De fato, o uso de uma única banda para ambos
os sentidos de tráfego possibilitaria uma redução
de custo na manutenção e no gerenciamento de
componentes optoeletrônicos e aumentaria o
orçamento de potência do sistema, em
decorrência das baixas perdas por atenuação na
região de 1.550 nm. Além disso, uma vez que a
maioria
dos
dispositivos
fotônicos
e
optoeletrônicos para redes de acesso e de longa
distância tem sido desenvolvida para operação
na banda C, essa topologia permitiria uma gama
de
cenários
a
serem
investigados/implementados. A Figura 5 mostra
uma representação esquemática da topologia
C-band splitting para sistemas de acesso.
Nessa configuração, uma única BLS gera o
bombeio óptico para ambos os RSOAs da ONT e
do OLT. Um isolador óptico é utilizado entre a
fonte BLS e o filtro azul/vermelho, impedindo o
retroespalhamento para a fonte BLS. O filtro
azul/vermelho tem a função de separar
simetricamente o espectro óptico da banda C em
duas partes: a parte vermelha e a parte azul.
A parte vermelha corresponde aos comprimentos
de onda utilizados para o tráfego upstream,
localizados na parte superior da banda C
(1.547-1.561 nm), enquanto a parte azul
corresponde aos comprimentos de onda dos
sinais downstream, localizados na parte inferior
da banda C (1.530-1.543 nm). Um acoplador
óptico 2x2 é utilizado para encaminhar os sinais
azul e vermelho para os lados opostos da fibra
alimentadora. Ambos os espectros ópticos são
fatiados pelos AWGs localizados no OLT, para
os sinais downstream, e no RN, para os sinais
upstream.
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Sistemas de acesso WDM-PON com taxas de 1,25 Gb/s por usuário: vantagens e desafios
Figura 4 Esquema C-band splitting para redes de acesso
As portadoras de downstream são geradas por
meio de modulação direta dos RSOAs no OLT,
após a injeção dos sinais fatiados da banda azul
nesses RSOAs. A portadora de downstream é
enviada às ONTs e detectada pelo Rx, após
propagar pelo AWG, pelo acoplador óptico 2x2,
pelo circulador óptico, por um trecho de fibra
monomodo padrão, pelo AWG no RN e pelo filtro
azul/vermelho da ONT, o qual combina/separa o
sinal downstream e a semente óptica do
upstream. Nas ONTs, o sinal fatiado da parte
vermelha, gerado no OLT, é injetado nos
RSOAs, amplificado, refletido e enviado de volta
ao Rx do OLT em um esquema denominado
loopback. Deve-se notar que a geração do sinal
upstream em ONTs refletivas difere-se do
esquema
de
WDM-PON
convencional.
Em sistemas loopback, a portadora de upstream
é gerada na ONT; entretanto, o transmissor
colorless localizado na ONT é alimentado
remotamente a partir do bombeio óptico
localizado na CO. Dessa forma, a maioria dos
aparatos para transmissão encontra-se na CO,
mantendo a simplicidade de operação dos
usuários ONTs.
Em consequência, o alcance dessas redes de
acesso acaba sendo limitado pelo desempenho
do tráfego upstream, uma vez que é necessário
um nível mínimo de potência de bombeio nos
RSOAs da ONT, a fim de se garantir um
desempenho de transmissão satisfatório. Apesar
de a topologia C-band splitting oferecer uma
solução atrativa para sistemas de acesso WDM,
o número de usuários é limitado a menos do que
a metade do número de canais AWG, uma vez
que o filtro azul/vermelho separa a banda C
simetricamente.
Atualmente,
com
o
desenvolvimento de filtros de bandas azul e
vermelha com um espaçamento reduzido entre
as bandas ópticas (azul: 1.525-1.545 nm;
vermelha: 1.547-1.563 nm) e Athermal AWGs
com 88 portas (1.529-1.563 nm), é possível
desenvolver uma rede WDM-PON com
capacidade de 50 Gb/s (40 x 1,25 Gb/s).
1.1.4
Esquemas de remodulação na ONT
Uma possível solução proposta pela literatura
técnica para a superação das limitações de
capacidade da rede descrita na Seção 1.1.3
baseia-se na remodulação da portadora óptica
do downstream para geração do tráfego
upstream, e denomina-se C-band remodulation.
Essa técnica foi proposta por Frigo e outros
autores (1994) visando eliminar a necessidade
de fontes específicas nas ONTs. Nessa primeira
proposta, não existe fonte óptica na ONT. Parte
do sinal dowstream é modulado na ONT e
enviado de volta para o OLT como sinal
upstream, em esquema de loopback.
A modulação, nesse caso, pode ser realizada
numa parte específica do quadro de transmissão
do sinal downstream por um modulador externo.
Na proposta original, empregam-se duas fibras
ópticas e um esquema de divisão de tempo para
os canais upstream e downstream. Nota-se que
essa técnica permite uma redução pela metade
do número de comprimentos de onda utilizados
em WDM-PON convencionais.
Recentemente, essa técnica foi aplicada em
arquiteturas empregando transmissores RSOA
em ONTs/OLTs do sistema e tráfego bidirecional
na fibra alimentadora, de forma a eliminar a
necessidade de duas fibras e moduladores
externos, conforme descrito por Frigo e outros
autores (1994). A Figura 5 ilustra essa rede.
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n. 2, p. 125-138, jul./dez. 2011
131
Sistemas de acesso WDM-PON com taxas de 1,25 Gb/s por usuário: vantagens e desafios
Figura 5 Esquema de remodulação da banda C
Após a geração da portadora de downstream,
pela injeção do sinal da BLS fatiada pelo AWG
no OLT, os dados de downstream são inseridos
por meio de modulação direta nos RSOAs. Esse
sinal downstream é enviado às ONTs do sistema
após propagar pelo enlace de fibra óptica e ser
selecionado por uma das portas do AWG do RN.
Nas ONTs do sistema, está presente um splitter
de potência 1x2, que divide o sinal de
downstream igualmente entre as duas portas,
sendo uma fração deste destinada ao Rx para
detecção dos dados de descida e a restante,
encaminhada ao RSOA. O sinal de upstream é,
então, gerado a partir da remodulação da
portadora de downstream e enviado de volta ao
OLT do sistema.
Apesar de a técnica de remodulação propiciar o
benefício de uma redução na quantidade de
comprimentos de onda empregados no sistema,
ela pode gerar ruídos excessivos na portadora
de upstream em decorrência da reutilização do
sinal downstream, quando é utilizado o mesmo
formato de modulação em ambos os sentidos.
Nesse contexto, a fim de se garantir uma
remodulação eficaz na ONT a partir do sinal
gerado no OLT, a literatura técnica reporta o uso
de formatos independentes de modulação para
os tráfegos upstream e downstream, como, por
exemplo, PSK (Phase Shift Keying), DPSK
(Diferential Phase Shift Keying) (LIU, 2010;
WANG et al., 2009), SCM (Subcarrier
Modulation) (JANG et al., 2007) e OOK (On-Off
Keying). Dessa forma, poder-se-ia utilizar um
formato coerente para a descida e remodular em
amplitude o sinal de upstream, ou o oposto,
eliminando o ruído residual do formato utilizado
na portadora de downstream com o emprego de
um formato ortogonal do sentido upstream.
Entretanto, para topologias de redes de acesso,
132
o uso de formatos complexos de modulação
encarece a implantação do sistema. É, portanto,
preferível que se utilize apenas formatos do tipo
OOK em ambos os tráfegos, pela sua
simplicidade de geração e detecção. É possível,
ainda, empregar o esquema de remodulação
fazendo uso de formatos OOK nos dois sentidos
de tráfego com o emprego de valores distintos de
razão de extinção para a descida e a subida
(CHO et al., 2010c).
Nesse esquema, os dados de downstream são
modulados em formato OOK com uma razão de
extinção menor que a portadora de upstream,
uma vez que o sinal de subida sofre maiores
perdas e efeitos de degradação devido à
roundtrip OLT-ONT-OLT. A desvantagem dessa
técnica é a degradação do sinal de downstream
em decorrência do baixo valor de razão de
extinção utilizado. Trabalhos atuais mostram
uma simulação experimental de uma rede
WDMA com capacidade de 100 Gb/s –
40 x 2,5 Gb/s
(CHO
et
al.,
2010c)
e
80 x 1,25 Gb/s (CHO et al., 2010b) –
empregando essa técnica. Entretanto, devido ao
ruído de batimento ASE-ASE somado aos efeitos
de degradação do sinal upstream, decorrente do
emprego de remodulação óptica da portadora de
downstream, é necessário o uso de receptores
com ajuste de decisão de nível de limiar
(Decision Threshold Limiar Adjustment – DTLA)
em ambas as ONTs e nos OLTs no sistema.
Logo, embora a configuração descrita permita o
dobro da capacidade em comparação à Seção
1.1.3, é necessária a utilização de 160
receptores não usuais nessa topologia, o que
poderia aumentar seu custo de manutenção e de
gerenciamento.
2
Redes WDM-PON estendidas
A
consolidação
das
redes
de
acesso
e
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n. 2, p. 125-138, jul./dez. 2011
Sistemas de acesso WDM-PON com taxas de 1,25 Gb/s por usuário: vantagens e desafios
metropolitanas,
denominadas
redes
de
metroacesso, tem despertado o interesse de
vários pesquisadores na área de redes de
acesso estendidas. De fato, a extensão das
redes de acesso do tipo PON permite o
acréscimo da área de cobertura das provedoras
de
telecomunicações,
mantendo
as
características de um sistema de baixo consumo
(green system) em decorrência da exclusão de
amplificadores/regenadores ópticos no trecho de
transmissão do sistema e/ou novas centrais de
acesso. Aliado a esse interesse, o emprego de
ONTs refletivas (colorless) nesse sistema
colabora na redução dos custos OPEX e
CAPEX, favorecendo a implementação da
tecnologia.
Um dos desafios enfrentados em redes de
metroacesso é a questão relativa ao alto
orçamento de potência demandado em função
do aumento do link óptico/número de usuários no
sistema. Enquanto uma rede de acesso do tipo
WDM-PON requer um orçamento de potência em
torno de 26 dB, em esquemas de acesso
estendido tal orçamento pode atingir valores
superiores a 60 dB, devido à operação de
loopback do tráfego upstream.
Nesse contexto, podem ser destacadas duas
vertentes na literatura técnica para a possível
solução dessa limitação:
a) emprego de formatos avançados de
modulação PSK e/ou QPSK para o
upstream
(JUNG;
TAKUSHIMA;
CHUNG, 2010, 2011); e
b) utilização de amplificadores ópticos no
RN alimentados remotamente (HONG
et al., 2011; SCHRENK et al., 2011).
Trabalhos recentes abordando a opção a relatam
o emprego de RSOAs nas ONTs do sistema
operando a taxas de transmissão de 1,25 Gb/s
(JUNG; TAKUSHIMA; CHUNG, 2010) e 5 Gb/s
(JUNG; TAKUSHIMA; CHUNG, 2011) por
usuário a distâncias superiores a 100 km da CO,
excluindo a necessidade de amplificação óptica.
De fato, a utilização de formatos de modulação
em fases permite um aumento significativo na
sensibilidade dos receptores ópticos. Entretanto,
fazem-se necessárias técnicas de detecção não
convencionais para cada usuário agregado ao
sistema, em relação ao acesso convencional,
além da utilização de fontes ópticas de bombeio
do tipo DFB, aumentando demasiadamente o
custo do sistema.
A opção b é a que apresenta a melhor relação
custo/benefício, uma vez que os amplificadores
ópticos no RN, assim como os lasers de bombeio
localizados na CO, podem ser compartilhados
entre os N usuários da rede. Entretanto, nessas
soluções, usa-se ainda bombeio do tipo DFB,
recaindo na limitação de custo. Poderia ser
interessante, em uma rede WDM-PON
estendida, o emprego de fontes BLS do tipo
ASE, com formatos de modulação OOK, RSOAs
nas ONTs/OLT do sistema, receptores
convencionais e esquemas de amplificação
óptica localizados na CO do sistema. Essa
solução vem sendo pesquisada recentemente no
CPqD, e será abordada na próxima seção.
3
Desenvolvimento
WDM-PON
da
plataforma
3.1 Plataforma de acesso WDM-PON
Acompanhando a evolução em redes de acesso
de futura geração, o subprojeto Sistemas de
Acesso e Agregação, vinculado ao Projeto
100 GETH,
apresenta
como
meta
o
desenvolvimento e a prototipagem de uma rede
de acesso do tipo WDM-PON capaz de prover 50
Gb/s simétricos de capacidade (40 x 1,25 Gb/s),
consolidando uma rede de 100 Gb/s.
A plataforma em desenvolvimento, em uma
primeira fase, foi baseada na topologia C-band
splitting (conforme descrito na Seção 1.1.3), a
qual permite flexibilidade, compactação e
redução de custos para as empresas operadoras
de telecomunicações devido ao emprego dos
transmissores colorless do tipo RSOA e de
dispositivos na banda C, excluindo receptores
complexos para detecção.
A Figura 6 apresenta alguns resultados obtidos
no WDM-PON, que vem sendo pesquisado e
desenvolvido no CPqD, no âmbito do Projeto
100 GETH. Apesar de o projeto estar em sua
fase inicial, alguns resultados importantes já
foram alcançados, como o domínio na
transmissão 1,25 Gb/s bidirecional empregando
ASE como fonte de bombeio óptico na grade de
100 GHz e com alcance de 20 km.
Para que essa configuração seja possível, uma
fibra compensadora de dispersão é utilizada na
CO, de forma a reduzir simultaneamente os
efeitos degradantes dos tráfegos upstream e
downstream decorrentes da presença de
dispersão cromática. Essa dispersão limita
drasticamente o desempenho dos tráfegos em
redes WDM-PON, devido à elevada largura de
banda
espectral
dos
canais
ópticos
proporcionada pela técnica de fatiamento
espectral. Nota-se, nas Figuras 6 (a) e 6 (b), que
é possível obter uma transmissão livre de erros
em todo o espectro da banda C, em ambos os
sentidos de tráfego, com apenas 1 dB de
penalidade para transmissão em 1,25 Gb/s,
usando formatos de modulação OOK.
Essa solução permite a agregação de 16
usuários, totalizando uma rede de 20 Gb/s (16 x
1,25 Gb/s). Os próximos passos consistem em
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n. 2, p. 125-138, jul./dez. 2011
133
Sistemas de acesso WDM-PON com taxas de 1,25 Gb/s por usuário: vantagens e desafios
testes de validação na grade de 50 GHz,
Figura 6 Projeto WDM-PON desenvolvido no CPqD: (a) Desempenho do sentido downstream; (b)
Desempenho do sentido upstream
permitindo o aumento da capacidade de 20 para
50 Gb/s, extensão do alcance de link óptico de
20 para 40 km, assim como a transmissão e
detecção de um sinal real no padrão Gigabit
Ethernet.
3.2 Plataforma de acesso WDM-PON
estendida
Em paralelo ao desenvolvimento das redes de
acesso WDM-PON, outra aplicação que vem
sendo pesquisada no CPqD é a extensão do link
de acesso óptico empregando esquemas de
amplificação na CO para a topologia C-band
splitting. De fato, a inserção de amplificadores
ópticos na rede WDM-PON proporcionaria um
aumento significativo da rede, excluindo a
necessidade de outras centrais de acesso, a fim
de disponibilizar serviços para usuários mais
afastados dessas centrais. Uma vantagem
adicional dessa solução seria a disposição de
tais amplificadores ópticos na CO, o que não
altera significativamente a infraestrutura de uma
rede WDM-PON do tipo C-band splitting e torna
ainda mais atraente o desenvolvimento dessas
tecnologias.
Nessa configuração, utiliza-se a amplificação
híbrida Raman/EDFA bidirecional como forma de
aumentar ambas as potências do bombeio óptico
para os RSOAs localizados nas ONTs –
respectivamente, os sinais de upstream e
downstream. Em virtude da utilização da técnica
de fatiamento espectral e bombeio óptico, os
canais modulados possuem largura de banda
espectral da ordem da largura da filtragem óptica
realizada pelo AWG (0,6 nm para um AWG na
grade de 100 GHz). Consequentemente, tais
sinais ópticos não são afetados por efeitos não
lineares no sistema em decorrência do emprego
134
de altos níveis de potência, o que permite a
utilização combinada de amplificadores EDFA e
amplificação Raman.
No lado da central, utiliza-se um conjunto de
EDFAs em esquema de amplificação de potência
para os sinais de downstream e upstream e
pré-amplificação para o upstream. Um único
laser Raman, localizado na CO, com potência
média de 25,5 dBm provê a amplificação Raman
copropagante (para o downstream e o bombeio
do upstream) distribuída e contrapropagante
distribuída (somente para o upstream) em um
trecho de 70 km de SMF. Dessa forma, essa
configuração é capaz de garantir os níveis
mínimos de potência de bombeio óptico para um
desempenho satisfatório dos RSOAs nas ONTs,
uma vez que esse é um dos maiores desafios
em redes de acesso estendido. Para efeitos de
comparação, utilizando apenas EDFAs como
amplificadores ópticos é possível estender o
alcance em, no máximo, 45 km. Entretanto, ao
se utilizar amplificação Raman/EDFA, o aumento
do link de acesso pode ser estendido até 70 km,
mantendo-se ainda uma configuração totalmente
passiva, em decorrência da localização de
amplificadores na central, e um custo
relativamente baixo, em decorrência do emprego
de ASE como fonte BLS e de receptores
convencionais do tipo PIN.
A Figura 7 apresenta alguns desses resultados
para ambos os sentidos de tráfego –
downstream e upstream –, validando a proposta
de acesso estendido. Foi possível obter uma
taxa livre de erro com uma penalidade de, no
máximo, 3 dB para os sinais de subida e 0,5 dB
para os sinais de descida. O próximo passo
desta pesquisa será o desenvolvimento de uma
plataforma WDM-PON estendida com alcance de
100 km, na grade de 100 GHz, e 70 km, na
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n. 2, p. 125-138, jul./dez. 2011
Sistemas de acesso WDM-PON com taxas de 1,25 Gb/s por usuário: vantagens e desafios
grade de 50 GHz.
Figura 7 Avaliação do esquema de amplificação híbrido Raman/EDFA na CO com 70 km de
alcance: (a) Desempenho do downstream; (b) Desempenho do upstream
Conclusão
Projetos (FINEP).
Este trabalho apresentou uma descrição das
futuras topologias e tecnologias de rede óptica
de acesso do tipo WDM-PON, as quais
permitirão o oferecimento de largura de banda
ilimitada aos usuários. Analisaram-se as
topologias e os dispositivos ópticos e
eletro-ópticos necessários para viabilizar redes
do tipo WDM-PON e WDM-PON estendidas.
Alguns resultados iniciais de pesquisas em
andamento no Projeto 100 GETH, relacionadas a
essa área de estudos, foram, também, relatados.
Entre esses resultados, destacam-se os obtidos
em pesquisas inovadoras em sistemas acesso
WDM-PON e sistemas de amplificação híbrida
Raman/EDFA na CO para extensão das redes
WDM-PON. Tais resultados apontam para um
ganho
de
flexibilidade,
compactação,
consolidação das redes metropolitanas e de
acesso, assim como a redução de custos para as
empresas operadoras de telecomunicações.
Os próximos passos da pesquisa consistem no
desenvolvimento da plataforma WDM-PON
50 Gb/s e na sua extensão em 100 km, com o
emprego de esquemas de amplificação óptica.
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Os autores agradecem pelo apoio dado a este
trabalho, desenvolvido no âmbito do Projeto 100
GETH, Tecnologias Ópticas de 100 Gb Ethernet,
que contou com recursos do Fundo para o
Desenvolvimento
Tecnológico
das
Telecomunicações (FUNTTEL), do Ministério das
Comunicações, por meio do Convênio no
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Abstract
This paper presents a description of technologies and topologies for optical network access known as
NG-PON (Next Generation of Passive Optical Network), based on WDM. These are solutions to provide
unlimited bandwidth to final subscribers. The topologies and the optical and electro-optical devices
needed to enable WDM-PON are analyzed. Also, the results of the research in this area that were
developed under the 100 GETH Project are reported.
Key words: Access networks. WDM-PON. NG-PON. RSOA.
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n. 2, p. 125-138, jul./dez. 2011
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