Devido a grande demanda de taxa de transmiss˜ao atual de servi¸cos de Internet como
streaming de v´ıdeos de alta defini¸c˜ao, computa¸c˜ao em nuvens, Internet Protocol Television (IPTV), as taxas de transmiss˜ao obtidas nas redes deve acompanhar a demanda. A tecnologia com maior potencial para altas taxas de transmiss˜ao, atualmente, s˜ao as redes ´
opticas e apesar destas j´a conseguirem atingir altas taxas de transmiss˜ao, o meio ´optico ainda tem um grande potencial a ser explorado.
As redes ´opticas baseadas em WDM apresentam vantagens como alta capacidade de transmiss˜ao e comuta¸c˜ao reconfigur´avel de comprimentos de onda, por´em apresentam desvantagens como taxas de transmiss˜ao fixas e baixa granularidade. Tais falhas levam a m´a utiliza¸c˜ao do espectro ´optico, tendo em vista que independente da taxa de transmiss˜ao sendo utilizada em um canal WDM, este ocupa a mesma faixa do espectro.
As redes WDM utilizam tradicionalmente canais com um espa¸camento de 50 GHz, por´em, para a obten¸c˜ao de taxas de transmiss˜ao mais altas, que podem chegar a at´e 1Tbps, s˜ao necess´arias frequˆencias mais altas, como 75 ou 150 GHz [24], tornando a utiliza¸c˜ao eficiente do espectro uma tarefa dif´ıcil.
2.2. Redes ´Opticas El´asticas 9
apresentam alta granularidade em forma de subportadoras, permitindo o agrupamento destas para a obten¸c˜ao de taxas de transmiss˜ao vari´aveis. A seguir, s˜ao apresentados o conceito das redes ´opticas el´asticas e as tecnologias necess´arias para seu funcionamento.
2.2.1
OFDM
Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) ´e uma t´ecnica de multi portadora
que transmite dados em alta velocidade, dividindo-os em v´arios canais ortogonais de transmiss˜ao de dados. OFDM surgiu como um mecanismo de controle da camada f´ısica para redes sem fio, e ´e adotado em diversas tecnologias atualmente, como 802.11a/g Wi-Fi, 802.16 WiMAX, LTE (Long-Term Evolution), DSL (Digital Subscriber Loop) [28].
Esta tecnologia ´e considerada promissora para o futuro das redes ´opticas. Com carac- ter´ısticas flex´ıveis e de f´acil escalabilidade, ´e poss´ıvel gerenciar sinais de diferentes taxas de dados e at´e com taxas vari´aveis [16].
A tecnologia utilizada atualmente em redes ´opticas, a WDM, emprega canais com espa¸camento fixo entre os comprimentos de onda, isto ´e feito para que n˜ao haja inter- ferˆencia entre os canais. Esse problema n˜ao ocorre com a utiliza¸c˜ao OFDM, devido a ortogonalidade das subportadoras, que permite sua sobreposi¸c˜ao sem que haja inter- ferˆencia. A Figura 2.3 ilustra a sobreposi¸c˜ao das subportadoras, e mostra como ´e poss´ıvel economizar espectro utilizando OFDM, em contraste ao WDM.
Figura 2.3: Especro de sinais WDM em contraste com sinais OFDM [22]
Para que as subportadoras sejam ortogonais, as suas frequˆencias devem ser espa¸cadas de n/T8, onde n ´e um inteiro e T8 ´e a dura¸c˜ao do s´ımbolo. A Figura 2.4 mostra que o
10 Cap´ıtulo 2. Referencial Te´orico
Deste modo, quando uma subportadora ´e amostrada em seu ponto de pico as outras subportadoras est˜ao em ponto zero, e n˜ao interferem nesse sinal sendo amostrado [28].
Figura 2.4: Dom´ınio de espectro de um sinal OFDM [38]
A Figura 2.5 mostra o dom´ınio de tempo de um sinal OFDM, o sinal ´e uma s´ıntese das v´arias ondas das subportadoras e consiste em um fluxo cont´ınuo de s´ımbolos OFDM, que tˆem um per´ıodo regular.
2.2.2
Banda de guarda
Em comunica¸c˜oes ´opticas, componentes de um pulso ´optico com frequˆencias distintas propagam com velocidades diferentes, e por isso os pulsos ´opticos s˜ao dispersos durante a transmiss˜ao (atraso de dispers˜ao). Devido a tal fenˆomeno, as transmiss˜oes OFDM de longa distˆancia com atraso de dispers˜ao podem se dessincronizar e os s´ımbolos OFDM podem sair de sua posi¸c˜ao desejada, causando interferˆencia nas outras subportadoras, chamada de interferˆencia inter s´ımbolos (inter symbol interference - ISI), que impacta a interferˆencia entre portadoras (inter carrier interference - ICI) [28].
Para lidar com o problema de ISI, bandas de guarda (guard band) s˜ao inseridos no s´ımbolo OFDM, como mostrado na Figura 2.6. Em [28], mostra-se que caso o atraso de dispers˜ao no canal seja menor que a banda de guarda, a ISI pode ser eliminada totalmente. As bandas de guarda s˜ao necess´arias para o funcionamento da rede ´optica, entretanto causam uso ineficiente do espectro, e devem ser evitadas.
2.2. Redes ´Opticas El´asticas 11
Figura 2.5: Dom´ınio de tempo de um sinal OFDM [38]
2.2.3
Vantagens do uso de OFDM
O uso de OFDM acarreta em uma s´erie de vantagens que s˜ao necess´arias para as redes ´
opticas do futuro, dentre elas [38]:
• OFDM transmite um fluxo de dados de alta velocidade, dividindo-o em v´arias sub- portadoras de baixa velocidade, aumentando a flexibilidade da rede.
• ´E poss´ıvel aumentar a taxa de transmiss˜ao de um enlace aumentando o n´umero de subportadoras utilizadas para o envio. Tal propriedade n˜ao tem grande impacto no desenvolvimento do sistema.
• OFDM ´e capaz de alcan¸car uma alta eficiˆencia de uso do espectro atrav´es da uti- liza¸c˜ao de sobreposi¸c˜ao de subportadoras, e com isso aumentar a capacidade de transmiss˜ao da rede.
• Eficiˆencia energ´etica pode ser implementada para reduzir o consumo de energia de uma rede OFDM atrav´es de mudan¸cas dinˆamicas de modula¸c˜ao e da desativa¸c˜ao de subportadoras de acordo com a demanda de transmiss˜ao do usu´ario e condi¸c˜oes do canal de transmiss˜ao.
12 Cap´ıtulo 2. Referencial Te´orico
Figura 2.6: Intervalo de guarda em um s´ımbolo OFDM [28]
2.2.4
Arquitetura de Redes ´Opticas El´asticas
Foram propostas diversas arquiteturas para a elabora¸c˜ao de redes ´opticas el´asticas, os prin- cipais objetivos destas redes s˜ao a possibilidade do uso de taxas de transmiss˜ao flex´ıveis, eficiˆencia no uso de recursos, baixo custo e baixo consumo de energia.
Uma arquitetura foi proposta em [16], chamada de Spectrum-Sliced Elastic Optical Path Network (SLICE), sendo a pioneira na aloca¸c˜ao el´astica do espectro atrav´es do uso de multiplexa¸c˜ao de subportadora com a tecnologia OFDM, alocando o n´umero de subportadoras necess´arias para a transmiss˜ao dos dados, obtendo alta eficiˆencia do uso do espectro, se comparada com as redes WDM de espectro fixo.
A arquitetura SLICE introduz dois conceitos de aloca¸c˜ao no espectro, a sub aloca¸c˜ao de comprimento de onda que ´e a aloca¸c˜ao de subportadoras independentes de uma maneira individualizada e flex´ıvel e a supra aloca¸c˜ao de comprimento de onda, que ´e a aloca¸c˜ao de diversas subportadoras adjacentes garantindo uma utiliza¸c˜ao eficiente do espectro. A rede SLICE introduz os transceptores de largura de banda vari´aveis e os OXCs com largura banda vari´avel, necess´arios para a transmiss˜ao com tamanho vari´avel, caracter´ıstica das redes ´opticas el´asticas.
A Figura 2.7 ilustra um exemplo de rede slice, na qual os clientes apresentam um trans- ceptor com largura banda vari´avel na borda da rede, onde s˜ao realizadas as transmiss˜oes e decodifica¸c˜oes de sinal. Os OXCs de largura de banda vari´avel realizam a comuta¸c˜ao dos sinais de acordo com as rotas calculadas transmitindo para as fibras corretas, at´e que o sinal atinja seu destino.
Para o calculo da rotas ´e necess´ario que um algoritmo de roteamento, e a aloca¸c˜ao correta de uma por¸c˜ao de espectro, conceitos apresentados na se¸c˜ao a seguir.