INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES –INATEL ISSN2358-1913
SETEMBRO DE 2016
Abstract — This document it has intended to perform a comparison between PON and mixed networks, in order to determine the advantages and disadvantages of each type.
Index Terms — Costs, FTTh, mixed networks, PON.
Resumo — Este documento realiza um comparativo entre redes PON e redes Mistas, com a finalidade de determinar as vantagens e desvantagens de cada tipo.
Palavras chave — Custos, FTTh, Rede mista, PON.
I. INTRODUÇÃO
Devido ao crescimento e a grande demanda de serviços que necessitam de altas taxas de transmissão de dados, como internet, o número de redes de fibra óptica está em ascensão no Brasil, principalmente as redes FTTh (Fiber To The home), que consistem em ligar o usuário final à operadora de serviços de telecomunicações através da fibra óptica. [1].
As redes com maior penetração atualmente no Brasil, ainda estão utilizando cabos metálicos para atender o cliente final, com destaque para as tecnologias (ADSL) Asymmetric Digital Subscriber Line, (ADSL2) Asymmetric Digital Subscriber Line 2 e (VDLS) Very-High-Bit-Rate Digital Subscriber Line.[2], [3], [4].
Porém, estas redes possuem capacidade limitada de entrega de banda, pois há grande atenuação no par metálico, de tal forma que as redes com essas tecnologias não oferecem condições de atender a demanda de serviço em localidades longe da central de atendimento, diferente do que ocorre com as redes de fibra óptica, pois a atenuação no cabo óptico é muito baixa, permitindo atender clientes a uma distância bem maior sem perder a qualidade.
Com as redes PON (Passive Optical Network) tornou-se viável economicamente atender os clientes localizados distante da central de atendimento com demanda para altas taxas de transmissão de dados e diferentes tipos de serviços. Além da internet, possibilitou agregar os serviços de voz e vídeo, uma vez que trabalham em diferentes comprimentos de onda.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. André Luis da Rocha Abbade. Trabalho aprovado em 09/2016
Apesar dos custos de implantação das redes PON estarem bem inferiores do que no início da década, ainda pode ser um fator que inviabiliza determinados projetos, como por exemplo em áreas residenciais com moradores de baixa renda. Devido a esse fato surgiram algumas alternativas para viabilizar esses projetos, que são as redes mistas, que consistem em montar uma rede óptica passiva até o poste ou outro ponto bem próximo do assinante, local onde é instalado um distribuidor ativo (Switch) e deste até a residência do usuário utiliza-se par trançado (cabo UTP – Unshielded Twisted Pair). Essa tecnologia inicialmente tem um custo de implantação menor, porém, o fato de compartilhar a rede PON com mais assinantes gera um fator limitador, pois reduz significativamente a capacidade para atender o assinante com altas taxas de transmissão de dados.
O objetivo deste artigo é realizar uma comparação entre redes PON e redes Mistas, considerando os pontos de vista financeiro, capacidade de entrega de banda ao usuário final e escalabilidade de rede. Outro ponto analisado é a evolução das redes PON e as novas tecnologias nesse cenário
O artigo apresenta em sua segunda seção uma revisão sobre as redes PON e Mista. A terceira seção mostra um comparativo comercial e técnico entre as tecnologias . A quarta seção apresenta uma descrição das redes PON LAN e suas aplicações e benefícios. A quinta seção apresenta a conclusão do artigo.
II. REDESPONEREDESMISTA
Uma rede PON utiliza o processo de divisão da potência óptica de uma fibra, que é transmitida da operadora de serviços de telecomunicações, em diversas fibras, para vários usuários. Isto ocorre com a utilização de splitters, que são componentes passivos que permitem fazer essa divisão da potência óptica de forma balanceada ou desbalanceada, de acordo com a necessidade do projeto.
Os componentes ativos em uma rede PON estão apenas nas extremidades da rede, que são as OLT (Optical Line Terminal), que ficam instaladas na operadora de serviço de telecomunicações e as ONU (Optical network unit), instaladas nas residências dos usuários. O restante da rede que é composta por cabos de fibra óptica, adaptadores, caixas de
Comparativo Rede PON x Rede Mista
emendas, caixas de terminações, são totalmente passivas, sendo um grande diferencial desse tipo de tecnologia. [5].
As tecnologias mais utilizadas em rede FTTh atualmente são GEPON (Gigabit Ethernet Passive Optical Network) e GPON (Gigabit Passive Optical Networks). A rede GEPON é padronizada pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), essa tecnologia tem velocidades simétrica de downlink e de uplink igual a 1,25Gbps, no downlink os pacotes são enviados por broadcast, ou seja, todos os pacotes são enviados para todos os usuários, e a ONU recebe o que é destinada a ela descartando o restante. Já no uplink são transmitidos os pacotes para a OLT com intervalo de tempo diferentes, atribuídos pela OLT de tal forma que evite a colisão de dados durante a transmissão. A rede GPON é padronizada pelo ITU-T (International Telecommunication Union), as velocidades de downlink e uplink são assimétricas, 2,5Gbps para downlink e 1,25Gbps para uplink, e o método utilizado para a transmissão de pacotes é idêntico ao GEPON [5].
A Figura 1 ilustra a estrutura de uma rede FTTh da ligação da OLT até a ONU na residência do assinante. Pode-se observar a distribuição dos splitters para realizar a divisão de potência permitindo distribuir a informação enviada pela OLT para vários assinantes.
Figura 1: Estrutura básica de uma rede FTTh.
Fica claro na Figura 1 que não existe nenhum elemento ativo entre a OLT e a ONU, diferente do que será apresentado a seguir nas redes mistas.
As redes mistas são bastante utilizadas no Brasil, pois tem como fatores primordiais para o surgimento o alto custo de implantação de rede FTTh no início da operação comercial das redes PON. A rede mista consiste em uma mistura de redes PON com rede cabeada, seja ela por par trançado ou cabo coaxial. Esse tipo de rede consiste em montar uma rede PON, geralmente rede GEPON, e o atendimento final ser feito com outro tipo de tecnologia, a mais comum é a utilização de cabo UTP.
Um diferencial das redes mistas é o menor custo, por usuário, de investimento de implantação de rede e também um menor custo para ativação dos assinantes, pois há um maior compartilhamento de rede, utilizando para isso um equipamento de baixo custo. Porém, existem dois fatores limitantes que são a capacidade de entregar banda ao assinante, pois além de haver mais usuários compartilhando do mesmo meio de transmissão, ainda fica limitada pela porta do Switch, que tem capacidade menor que a porta PON e o custo de manutenção da rede, pois agora há um componente ativo na rede externa.
A Figura 2 ilustra o funcionamento de uma rede mista. Pode-se observar que a rede PON liga a Central até o poste e a partir deste até a residência a ligação é feita através de cabo UTP.
Figura 2: Estrutura básica de uma rede mista
Através do esquema apresentado na Figura 2, fica claro a existência de elementos ativos entre a Operadora e o assinante, que são os Switches nos postes, na ilustração é denominada de PACPON.
III. COMPARAÇÃOCOMERCIAL
Devido ao fato de uma rede PON não possuir elementos ativos no seu meio de transmissão, isso torna a manutenção e o gerenciamento mais fácil do que comparado com uma rede mista, que insere elementos ativos na rede externa. Os Switches são instalados estrategicamente nos postes para garantir que o cabo UTP chegue até a casa do assinante. Cabe ressaltar que os switches necessitam de energia elétrica para funcionar e isso se torna um ponto negativo, pois demandam mais manutenção, além de precisar de uma gerência e monitoramento maior em cima dessa rede.
Neste caso o custo de operação se torna maior em uma rede mista do que em uma rede PON, ao contrário do custo de implantação.
Segundo Carlos Barroqueiro, devido a grande demanda por necessidade de banda sempre maior, em função da alta qualidade dos vídeos, da grande variedade de aplicações e novos serviços sendo oferecidos, os projetos que tem como fator limitante a escalabilidade de banda, tendem a não ser viáveis, pois necessitarão de constantes upgrades para conseguir acompanhar a evolução tecnológica [6].
Atualmente as redes PON já estão preparadas para garantir a demanda de banda que a evolução tecnológica exigirá, além de ser possível agregar valores na rede, tais como serviços de vídeo incluindo TV por assinatura, TV on demand e de voz. Fato este que não pode ser garantido em uma rede mista, pois tem-se uma limitação de banda que não permite entregar esses serviços com a qualidade exigida, sendo necessário refazer todo o projeto de uma rede mista para garantir a banda necessária, o que tornaria inviável o projeto.
Em um estudo de caso, em um condomínio fechado com 320 lotes na cidade de Poços de Caldas – MG, o investimento necessário para implantar uma rede FTTh – GPON seria menor que o investimento para implantar uma rede mista (GPON + Cabo UTP). Como a atenuação em cabos de fibra óptica é menor que nos cabos metálicos, em redes mistas existe a necessidade de espalhar mais cabos metálicos no projeto, objetivando ter cobertura em toda área que deseja ser atendida. Já na rede de fibra não tem necessidade de espalhar uma grande quantidade de cabos, pois a atenuação é menor, o que permite projetar uma distância maior entre o ponto de atendimento e a casa do assinante. O ponto positivo para a rede mista está no custo de ativação do assinante, que utiliza cabos de par trançado e conectores RJ, que fica mais barato do que a ativação de um cliente FTTh – GPON, que utiliza cabo de fibra óptica, conectores especiais e ONU, isso é possível devido ao projeto ter sido executado com uma quantidade maior de cabos metálicos para garantir a cobertura.
Já quanto a quantidade de OLTs, a rede mista demanda um número menor, ficando, portanto com um custo menor do que a rede PON.
Considerando uma taxa de penetração de 100% o ponto favorável para a rede FTTh está no custo de implantação da rede, uma vez que não se usa equipamentos ativos ao longo da rede e a distribuição de cabos óticos necessários para atender a mesma região é menor. Além disso, a quantidade de banda disponível por cliente e a facilidade de upgrade de banda em uma rede FTTh tem um custo maior em uma rede mista.
Com o cenário tecnológico atual, considerando 100% de ocupação das portas, a rede mista reduz bastante a capacidade de entrega para atender toda a demanda, ficando limitado a oferecer velocidades menores, pelo fato do switch trabalhar com porta fast ethernet restringindo em 800Mbps a capacidade total de atendimento da célula, muito menor comparado aos 2,5Gbps da rede GPON [7].
Outro ponto analisado foi o custo da manutenção das redes, este custo em uma rede FTTh é extremamente baixo, pois não existem elementos ativos na rede externa. Já na rede mista existem muitos ativos entre a central e o assinante, o que proporciona uma manutenção maior, visto que os elementos ativos existentes na rede são muitos vulneráveis a interferências eletromagnéticas e descargas elétricas, fato que deixa o custo de manutenção e operação de uma rede mista maior do que uma rede FTTh. Este ponto é bastante relevante, pois se a intenção da rede mista é disponibilizar um serviço com menor custo para o usuário, esta receita mensal menor
para um custo de manutenção maior é um item que não pode ser desprezado na hora de se projetar a rede.
Por fim, deve-se destacar que para o provedor de serviços, outro custo relevante é o custo de conexão com o roteador (link de acesso), que deverá ser maior quanto maior o número de OLTs conectadas à rede. Em que pese estar oferendo um serviço mais limitado para o cliente final este custo é menor nas redes mistas, pois precisa de um menor número de OLTs para atender o mesmo número de clientes
IV. PONLAN
Uma PON LAN (Passive Optical Network Local Area Network) é uma rede local utilizando fibras ópticas até o usuário final. As redes locais tradicionais (LAN) de infraestrutura de dados são baseadas em switches distribuídos ao longo da rede para garantir o encaminhamento e o processamento dos pacotes, garantindo que toda a informação chegue até o destino final, no caso de corporações, do data center até a estação de trabalho. Essa comunicação é feita através de cabos metálicos que precisão ser distribuídos ao longo de toda a estrutura para garantir a comunicação. A transmissão de dados nos cabos metálicos, para garantir altas taxas de transmissão, é feita através de sinal de alta frequência e isso demanda um consumo significativo de energia elétrica para garantir o funcionamento, além disso, não podem ultrapassar a distância de 100m, pois perdem eficiência e não conseguem garantir que toda a informação transmitida seja entregue. A soma de todos esses fatos: consumo de energia; limitação de distância; espaço físico nas tubulações; proporcionou o surgimento das redes PON LAN [8].
A tecnologia de rede PON LAN, está em ascensão, e consiste em interligar equipamentos de um data center até a estação de trabalho através de uma rede PON, que vem apresentando várias vantagens, como menor ocupação de dutos; menor necessidade de refrigeração no data center; menor espaço em rack; menor consumo elétrico, pois não existem equipamentos ativos no meio do caminho; maior capacidade de transferência de dados; maior estabilidade; maior alcance, pois a atenuação em cabos de fibra óptica é muito menor que em cabos de cobre; sem contar que já estão preparados para o crescimento futuro, quando terão a necessidade de mudar somente nas pontas, onde estão os ativos de rede [9] [10].
A grande evolução das redes FTTh permitiu o surgimento das redes PON LAN, também conhecida como FTTd (Fiber To The desk). Uma OLT instalada no data center é responsável por enviar todas informações até as ONU que fornecem a conectividade através de cabos metálicos para os computadores, impressoras, câmeras de segurança, ou qualquer outro dispositivo que precise ser conectado à rede. Na rede de distribuição estão presente apenas os cabos de fibra óptica e os splitters, dispensando a necessidade de switches e energia elétrica, pois todo roteamento e encaminhamento de pacotes é feita diretamente na OLT [8].
de energia elétrica, pois elimina os switches existentes entre o data center e a estação de trabalho, além da menor necessidade de refrigeração no data center, pois a quantidade de equipamentos eletrônicos é menor; a maior distância entre a ONU e a OLT permite atender sem a necessidade de salas técnicas para regeneração do sinal; menor quantidade de dutos para passagem de cabos, pois além dos cabos ópticos serem menores e mais leves, a divisão dos cabos ópticos permite a interligação de um maior número de estações de trabalho; o CAPEX (Capital Expenditure) é consideravelmente menor, pois a quantidade de cabos óticos utilizados chega a ser um terço da quantidade de cabos metálicos gastos para atender a mesma quantidade, essa redução de cabos influencia diretamente na quantidade de dutos e no espaço em rack utilizado para acomodar os equipamentos ativos, além de não haver a necessidade de disponibilizar pontos intermediários com energia (onde eram colocados os switches), que podem inclusive necessitar de serviços obras de infraestrutura civil e elétrica; o OPEX (Operational Expenditure) também é reduzido pois todo gerenciamento é feito em apenas um equipamento, a OLT, dispensando a necessidade de toda alteração ter que ser feita em todos equipamentos, como é o caso da rede LAN tradicional [8].
V. CONCLUSÃO
Com base nas tecnologias analisadas nesse trabalho e do estudo de caso realizado em Poços de Caldas, fica claro que a melhor opção de projeto para uma rede de atendimento são as redes PON, pois no projeto realizado ocorreu um investimento de implantação de rede menor, além de ter uma capacidade de entrega de banda maior, permitindo grande flexibilidade de atendimento de novos serviços, necessidade que só vem crescendo com o cenário atual e a previsão é de um crescimento ainda maior num curto período. Cabe ressaltar que não se pode garantir esta condição em uma rede mista, visto que a capacidade de entrega é bem inferior ao das redes PON, com isso necessitaria de mais investimento em infraestrutura de rede, no caso, cabos UTP e Switches localizados nos postes, para garantir que esse crescimento seja atendido.
Considerando este problema, alguns fabricantes já estão fornecendo equipamentos e projetando redes mistas que permitem que usuários vizinhos possam ter planos de acesso a redes diferentes, o que indiretamente significa escolher o tipo de acesso à rede que terá. Ou seja, na mesma rua, pode-se ter usuários vizinhos sendo atendidos de formas diferentes, ou seja, um por rede PON e o outro por rede mista. Esta opção não foi analisada neste trabalho, pois na época do estudo de caso em Poços de Caldas esta opção ainda não existia, logo, fica aqui a proposta de um estudo específico para avaliar se realmente esta solução permitirá atender usuários de baixa renda. A proposta pode ser interessante, pois quando houver a necessidade de ampliar a banda destinada para o usuário, isto poderá ser feito de forma relativamente simples, desde que o
projeto da rede de fibras ópticas tenha sido planejado para isto.
A evolução das redes PON pode ser observada com o surgimento da rede PON LAN, ficando claro que o futuro das redes de transmissão de dados é cada vez mais diminuir a utilização de cabos metálicos e aumentar o uso de cabos ópticos, por diversos fatores, sendo os principais: a redução do consumo de energia elétrica, tornando cada vez mais sustentável a tecnologia; a menor ocupação de dutos; maior distância de atendimento e a facilidade de upgrade da rede, ficando cada vez mais preparada para o futuro.
No caso específico das redes locais, construir uma rede nova utilizando PON LAN é evidentemente mais vantajoso. A análise mais difícil é quando se precisa ampliar uma rede LAN tradicional, pois neste caso depende muito das características específicas da rede atual e do tamanho da ampliação que será realizada. Entretanto, é necessário avaliar com muito cuidado, pois mesmo uma ampliação pequena não deve desprezar a oportunidade de fazer um investimento maior, mas que tenha como vantagem principal melhorar o acesso de todos os usuários da rede e a facilidade das ampliações futuras.
Uma tecnologia que está surgindo, que evidencia que as redes PON estão preparadas para o futuro, é a rede 10G PON, que ainda está em fase de estudos e tem pouquíssimos equipamentos disponíveis. As redes 10G PON serão essenciais para garantir o crescimento do IPTV. Fica como sugestão de continuidade desse artigo uma pesquisa sobre as redes 10G PON [ref. bibliográfica].
REFERÊNCIAS
[1] BONILLA, Mauricio Lopez. Análise Crítica de Plataformas GPON e EPON para Aplicação em Redes Ópticas de Acesso de Alta Capacidade. Dissertação de Mestrado. Unicamp. 2008.
[2] Wikipedia ADSL (on-line). Disponível na internet. https://pt.wikipedia.org/wiki/Asymmetric_Digital_Subscriber_Line (acesso em 2016).
[3] Wikipedia ADSL 2 (on-line). Disponível na internet. https://pt.wikipedia.org/wiki/ADSL2%2B (acesso em 2016).
[4] Wikipedia VDSL (on-line). Disponível na internet. https://pt.wikipedia.org/wiki/VDSL (acesso em 2016).
[5] CIANET. Saiba mais sobre Redes Ópticas Passivas (xPON) – GEPON x GPON (on-line). Disponível na internet.
http://blog.cianet.ind.br/saiba-mais-sobre-redes-opticas-passivas-xpon-gepon-x-gpon-2/ (acesso em
2016).
[6] BARROQUEIRO, Carlos. O futuro das telecomunicações está no FTTh. (on-line) Disponível na internet.
http://www.telesintese.com.br/o-futuro-das-telecomunicacoes-esta-no-ftth/ (acesso em 2016).
[7] FITNETWORKs. Aplicações (on-line). Disponível na internet.
http://www.fitnetworks.com.br/aplicacoes/ (acesso em 2016).
[8] FURUKAWA. Guia de aplicações Laserway (on-line). Disponível na internet.
http://www.furukawa.com.br/ao/rede-furukawa/materiais-de-apoio/guia-de-aplicacao-laserway-2016-1223.html (acesso em 2016).
[9] CIANET. O que é PON LAN (rede óptica passiva)? (on-line). Disponível na internet.
http://www.cianet.com.br/o-que-e-pon-lan-rede-optica-passiva/ (acesso em 2016).
[10] CIANET. Redes PON LAN em hospitais: benefícios que podem ser obtidos com essa infraestrutura (on-line). Disponível na internet.
Eduardo Bernardes Pereira nasceu em Botelhos, MG em 15 de maio de 1980, Recebeu o título de Engenheiro Eletricista pela Faculdade de Engenharia de Guarantiguetá – UNESP em 2004, atualmente atua na área de telecomunicações no ramo de Provedor de aceso a internet desenvolvendo projetos de FTTh e rede metropolitanas.
André Luis da Rocha Abbade. Mestre em Telecomunicações pelo Inatel em 2008. Em 1990 e 2002, obteve respectivamente os títulos de Engenheiro Eletricista e Especialista em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações pelo Inatel. Em 2012 concluiu o curso de Pós-Graduação em Gestão Empresarial pela FGV. De 1990 a 1994 atuou como engenheiro nas empresas: NEC do Brasil; Siret; e Arcos. Atuou como engenheiro da Telemig/Telemar/Oi no período de 1994 a 2001, ocupando diversos cargos nas áreas de engenharia de provisionamento de redes até 1998 e de operação e manutenção de rede de acesso e de transporte até 2001. É Prof. no Inatel desde 1999, tendo ministrado as disciplinas “Técnicas de Atendimento a Terminais”, “Comunicações Ópticas”, “Empreendedorismo e Inovação”; “Engenharia Econômica” e “Matemática Financeira”. Atualmente ocupa também os cargos de: Coordenador do Curso Superior de Tecnologia em Gestão de Telecomunicações e Gerente de Educação Continuada no Inatel Competence Center. Sócio fundador da empresa V2Tech Soluções de Monitoramento e Rastreamento Veicular. Principais áreas de atuação: Comunicações Ópticas e Empreendedorismo.
