Redes PON II: Novas Tecnologias e Tendências
Esta série de tutoriais tem por objetivo descrever as tecnologias PON da forma mais clara possível e com o maior número de informações relevantes para uma eventual escolha.
Ao final dessa descrição deverá ser possível fazer uma análise geral de caso para sugerir qual a melhor tecnologia a ser implantada de acordo com os principais fatores estudados, como a estrutura da rede de acesso, a quantidade de usuários da localidade, os tipos de serviços a serem oferecidos.
Os tutoriais foram desenvolvidos a partir do Trabalho de Conclusão do Curso“Novas Tecnologias de Rede Óptica Passiva e Tendências”, elaborado pelos autores, e apresentado ao curso de Engenharia Elétrica com Ênfase em Telecomunicações do INATEL – Instituto Nacional de Telecomunicações. Foi orientador do trabalho o Prof. José Paulo Falsarella.
Este tutorial parte II apresenta as tecnologias desenvolvidas e em teste. Inicia apresentando as principais tecnologias da nova geração de PON (NG-PON1), faz uma comparação entre essas tecnologias e outra comparação entre todas as tecnologias apresentada até este ponto. A seguir apresenta as tecnologias em desenvolvimento (nova geração NG-PON2), através de seus principais conceitos. Ao final, apresenta as considerações finais do trabalho e uma proposta de tecnologia dentre as estudadas neste trabalho.
André Felipe Rodrigues da Silva
Engenheiro Eletricista, com ênfase em Telecomunicações, pelo Instituto Nacional de Telecomunicações, INATEL (2013).
Iniciou-se na área de eletricidade através do SENAI e vem se especializando nas áreas de automação, telecomunicações, elétrica industrial, comunicações ópticas e móveis.
Email: andref.eu@gmail.com
Engenheiro Eletricista, com ênfase em Telecomunicações, pelo Instituto Nacional de Telecomunicações, INATEL (2013).
Possui grande interesse nas áreas de Transmissão Digital, Tecnologias Móveis, Comercial-Vendas e Gerenciamento de Projetos.
Email:rshalfeld@gmail.com
Silvano Ribeiro de Oliveira
Engenheiro Eletricista, com ênfase em Telecomunicações, pelo Instituto Nacional de Telecomunicações, INATEL (2013).
Email: silvano@gee.inatel.br
Thiago de Rezende Tazaki
Engenheiro Eletricista, com ênfase em Telecomunicações, pelo Instituto Nacional de Telecomunicações, INATEL (2013).
Tem interesse nas áreas de RF, telecomunicações e comunicações ópticas. Email:thiagotzk@gmail.com
Categorias: Banda Larga, Infraestrutura para Telecomunicações
Nível: Introdutório Enfoque: Técnico
Redes PON II: Introdução
Nos últimos anos, foram feitos grandes investimentos no desenvolvimento e implantação de tecnologias PON para aumentar a capacidade de transmissão das redes de acesso.
As redes de acesso são, hoje, o maior gargalo das redes de telecomunicações. Países como o Brasil, tem boa parte desta rede composta por par metálico, o que limita em banda a conexão dos usuários, sendo eles residenciais, comerciais e empresariais.
Com a alta demanda de banda necessária para atender novos serviços como VoIP, DTVi, HDTV, 3DTV entre outros, como se pode ver na figura 1, as redes de par de cobre, capazes de atingir velocidades máximas em torno de 100Mbit/s, consideradas uma baixa taxa para as necessidades atuais, frente ao grande número de clientes e a crescente demanda do mercado.
Figura 1: Serviços existentes e as necessidades de largura de banda
Entre as tecnologias desenvolvidas para atender a demanda, podemos destacar as três mais utilizadas:Digital Subscriber Line (DSL), Hybrid Fiber-Coaxial (HFC) e Fiber-To-The-X (FTTx). Das tecnologias em implantação, destaca-se a rede de fibra óptica passiva (PON). A arquitetura FTTx é dividida em:
Fiber-To-The-Home (FTTH); Fiber-To-The-Building(FTTB); Fiber-To-The-Cabinet (FTTCab); Fiber-To-The-Curb (FTTC).
O que caracteriza uma rede de fibra óptica como sendo uma rede PON é o fato de esta utilizar apenas componentes passivos entre o Optical Line Terminal (OLT) e a Optical Network Unit (ONU). Sua estrutura básica é composta por OLT’s, ONU’s e Splitter (Divisor óptico passivo – DOP), e dependendo da rede de acesso ainda podemos ligar a fibra óptica a um par metálico ou cabo coaxial e assim entregar acesso ao usuário final.
As redes PON podem ser divididas em duas categorias, a arquitetura ponto-a-ponto e a ponto-multiponto. Na arquitetura ponto-a-ponto toda a banda é dedicada à apenas um usuário, gerando consequentemente um custo muito alto. No segundo modelo de arquitetura, ponto-multiponto, uma única fibra pode ser dividida por splitters, para até 128 usuários dependendo da tecnologia utilizada, reduzindo o custo e mantendo, nos atuais padrões, uma velocidade de conexão alta. E para construção da rede PON existem três topologias, que são escolhidas dependendo dos requisitos do projeto, são elas: anel, árvore e barramento.
As soluções ópticas são mais interessantes em relação às demais em alguns pontos como:
Entrega do triple play, que através de uma única fibra o usuário final pode ter serviços de dados, voz e vídeo, com garantia de qualidade, pois cada um dos serviços é separado por uma porta diferente no switch que fica localizado nas residências;
Altas taxas de transmissão, o que aumenta competitividade e as receitas; Maior alcance e menor complexidade dos projetos.
Estrutura dos Tutoriais
Este trabalho foi estruturado em uma série de dois tutoriais, conforme apresentado a seguir.
O tutorial parte I apresentou os principais conceitos de como é a arquitetura das redes PON, as topologias hoje usadas nas redes PON e os conceitos de FTTx. Descreveu ainda as tecnologias ATM-PON (APON) /Broadband-PON (BPON) e Gigabit-PON (GPON) que são padronizadas pelo ITU-T, Ethernet-PON (EPON) e Gigabit-EPON (G-EPON) que são padronizadas pelo IEEE, e comparou através de tabelas as suas principais funcionalidades.
Este tutorial parte II apresenta as tecnologias desenvolvidas e em teste. Inicia apresentando as principais tecnologias da nova geração de PON (NG-PON1), faz uma comparação entre essas tecnologias e outra comparação entre todas as tecnologias apresentada até este ponto. A seguir apresenta as tecnologias em desenvolvimento (nova geração NG-PON2), através de seus principais conceitos. Ao final, apresenta as considerações finais do trabalho e uma proposta de tecnologia dentre as estudadas neste trabalho.
Redes PON II: Tecnologias Desenvolvidas e em Teste
Evolução das Redes de Acesso de Fibra Óptica
A figura 2 representa a evolução das tecnologias PON ao longo dos anos, em função da velocidade de transmissão de dados oferecida pelos diferentes sistemas, em Bit/s. Como podem ser observadas na figura, as tecnologias PON (P-MP) acompanham a evolução das taxas de transmissão de internet (P-P).
Figura 2: Evolução das redes PON
Na figura 2 identificam-se as diferentes tecnologias, o seu ano de surgimento e a duração das mesmas. Verifica-se que a ADSL ainda está enraizada nas nossas redes de acesso. Surgem as tecnologias PON, primeiro a BPON, depois a EPON e a GPON. Com a necessidade de cada vez mais se disponibilizar uma maior largura de banda por utilizador, surgem as tecnologias de nova geração (NG-PON1 e 10G EPON). Estão sendo desenvolvidas normas, tecnologias, soluções e equipamentos que permitam viabilizar os requisitos formulados para NG-PON2.
NG-PON1
As arquiteturas GPON, E-PON e 10G E-PON apresentadas utilizam basicamente TDM (Time Division Multiplexing), e a WDM-PON realiza distribuição de um comprimento de onda por assinante. A abordagem da NG-PON (Next Generation PON) é utilizar uma topologia híbrida de TDM e WDM. A implantação básica pode ser vista na figura 3.
Figura 3: Topologia básica da Next Generation PON
Trata-se de uma rede em anel, interligando a Central Office (CO) e os Remote Nodes (RN). Todos os RN possuem um AWG ou um splitter para se conectar às ONU's dos clientes e fazer a distribuição da frequência de cada um. Nesse esquema existem tanto assinantes que recebem um comprimento de onda reservado para ele (círculos pontilhados), como assinantes que compartilham um mesmo comprimento de onda através de TDM (setas tracejadas). Há um importante ganho de alcance da rede que chega a 100 km. Nessa configuração a quantidade de ONU's conectadas no mesmo OLT é bem mais elevada do que nos outros modelos, já que o que o OLT pode enviar uma grande quantidade de comprimentos de onda e cada um pode ser usado por mais de uma ONU por TDM.
Esse modelo exige uso de um OLT (equipamento que fica no CO – Central Office – Escritório Central) diferente do OLT utilizado para modelos de PON que utilizam TDM, como E-PON. Desse modo os assinantes que desejem utilizar o modelo NG-PON devem fazer um upgrade também em suas ONU's. 10G-EPON
Proposto e aprovado entre 2007 e 2009 pelo IEEE, foi desenvolvido com o objetivo de ser compatível com o, já existente, padrão EPON, porém, com taxas de transmissão muito altas. De acordo com a especificação 802.3av, do IEEE, este padrão pode ser implementado de forma simétrica, com taxas de upstream edownstream de até 10Gbit/s, ou assimétrica, com taxa de upstream de 1Gpbs e 10Gbit/s para downstreamcomo mostra a figura 4, podendo atender até 128 usuários a uma distância de até 20 km. No padrão 10GE-PON existem dois grupos, simétrico e assimétrico, que estão subdivididos em três classes cada um. PR10, PR20 e PR30 são as classes do grupo simétrico enquanto PRX10, PRX20 e PRX30 são as classes do grupo assimétrico, apresentados na tabela 1.
CARACTERÍSTICAS PRX10 PR10 PRX20 PR20 PRX30 PR30 Comprimento de ondaupstream nominal da transmissão 1310nm 1270nm 1310nm 1270nm 1310nm 1270nm Comprimento de ondadownstream nominal da transmissão 1577nm 1590nm Downstream 10Gbit/s
Upstream no modelo simétrico 10Gbit/s Upstream no modelo assimétrico 1Gbit/s
Tabela 1: Classes de 10GE-PON
As diferenças entre as classes “10”, “20” e “30” são seus respectivos orçamentos de potência, baixo, médio e alto.·.
Figura 4: Exemplo de rede utilizando os padrões 10GE-PON e GE-PON
Para implantação do padrão 10GE-PON juntamente com o EPON, alguma alterações foram necessárias. Para se utilizar as ONU´s existentes, é preciso que no modo downstream seja utilizado um comprimento de onda superior ao EPON. Para distancias longas, utiliza-se um comprimento de onda de 1577nm enquanto para distâncias curtas utiliza-se 1590nm, ambos com taxa de 10Gbit/s e máxima atenuação no enlace óptico na ordem de 29dB.
No upstream a compatibilidade é garantida no domínio do tempo ao invés de ser feita no domínio da frequência, portanto, as ONU’s transmitem alternadamente e o OLT é responsável por receber o sinal e encaminhá-lo ao destino correto. O comprimento de onda utilizado para o upstream é o mesmo do EPON,
1310nm, com taxas de 1Gbit/s, no modelo assimétrico e 10Gbit/s no modelo simétrico, com máxima atenuação no enlace óptico de 29dB.
XG-PON1
A XG-PON1, também conhecida como 10GPON, é uma tecnologia de NG-PON1 desenvolvida pelo ITU-T e definida pela norma G.987, esta tecnologia tem a característica de compatibilidade com as versões anteriores permitindo que os clientes de G-PON migrem para XG-PON, desta maneira também protegendo os investimentos feitos pelas operadoras.
O maior requisito para NG-PON é promover uma maior largura de banda agregada do que o Gigabit-PON, permitindo uma maior vazão do tráfego pelo uso de misturador ao invés de codificação de linha, menores cabeçalhos na camada física e maior eficiência na camada MAC, principalmente por causa da demanda de mercado e da indústria. Como é baseada na tecnologia GPON já desenvolvida e implementada acaba também por facilitar a sua implantação, evitando custos elevados e com a pretensão de se reutilizar estruturas e dispositivos.
De acordo com a norma foram reservadas as bandas entre 1575 nm e 1580 nm para downstream e de 1260 nm até 1280 nm para upstream para uma adequada banda de guarda, prevenindo interferência entre sinais de comprimentos de onda próximos, conforme a figura 5. A XG-PON1 consiste na tecnologia cuja taxa é assimétrica, com 10 Gbit/s de downstream e 2,5 Gbit/s de upstream. O canal upstream tem por base a norma ITU-T G.984 (Gigabit PON), herdando dessa maneira parte da implantação feita na GPON. A figura 5 mostra a alocação dos comprimentos de onda.
Figura 5: Alocação dos comprimentos de onda para G-PON e XG-PON
Com o canal de downstream sendo de apenas 5 nm de largura, para que se opere normalmente em uma banda tão estreita são utilizados lasers com fontes resfriadas para que se possam estabilizar os comprimentos de onda, estas fontes acabam também por gerar um alto custo. Por outro lado, no canal de upstream com 20 nm de largura, lasers menos sofisticados podem ser utilizados, barateando o preço das ONU’s. Como muitas operadoras fizeram implantações com outras tecnologias com a divisão de até 1:64, para XG-PON um requisito mínimo será de 1:64 para cumprir a coexistência com outras redes PON, além de suportar um alcance de pelo menos 20km. Os mecanismos de transmissão são baseados na multiplexagem no tempo TDM no sentido dedownstream e mecanismos de múltiplo acesso (TDMA) no sentido de upstream, independentemente da tecnologia.
XG-PON2
A tecnologia XG-PON2 consiste no incremento da velocidade de transmissão no canal de upstream, de 2,5 Gbit/s para 10 Gbit/s, possuindo assim velocidade de transmissão simétrica nas direções
de upstream edownstream. Inicialmente é prevista a possibilidade de migração a partir da GPON para XG-PON1 e futuramente para XG-PON2 com pequenos ajustes feitos nas camadas de convergência, possivelmente permitindo a compatibilidade entre estas tecnologias.
A tabela 2 apresenta uma comparação entre as tecnologias 10G-EPON e XG-PON1/XG-PON2, essas as tecnologias de nova geração NG-PON1.
CARACTERÍSTICAS 10G-EPON XG-PON1/XG-PON2
Padrões IEEE 802.3av ITU-T G.987
Capacidade de transmissão 10Gbit/s 2,5Gbit/s upstream e 10Gbit/s downstream
Protocolo Ethernet ATM/Ethernet
Comprimento de onda downstream 1577 a 1590 nm 1575 a 1580 nm Comprimento de onda upstream 1310 nm 1260 a 1280 nm
Alcance 20 km No mínimo 20 km
Taxa de fracionamento 1:128 No mínimo 1:64 Custos estimados Médio/Alto Alto
QoS Sim Sim
OAM Sim Sim
Voz Sim Sim
Segurança Sim Sim
Tabela 2: Comparação 10G-EPON, XG-PON1 e XG-PON2
Para completar os estudos sobre as tecnologias atuais e tecnologias de nova geração NG-PON1, a tabela 3 apresenta um comparativo entre todas as tecnologias estudadas até aqui, assim podendo analisar os pontos fortes e fracos de cada tecnologia PON, é possível perceber que as tecnologias que oferecem maior largura de banda por usuário são as tecnologias de nova geração NG-PON1, porém o custo é muito alto, o que inviabiliza a sua implantação como solução para o usuário. Hoje no Brasil as tecnologias mais utilizadas para redes FTTx são as tecnologias EPON e GPON, que possuem baixo custo de implantação, porém oferece largura de banda por usuário menor do que as tecnologias de NG-PON1.
CARACTERÍSTICAS APON/BPON GPON EPON G-EPON 10G-EPON XG-PON Padrões ITU-T G.983 ITU-T G.984 IEEE
802.3ah IEEE 802.3ah IEEE 802.3av ITU-T G.987 Capacidade de transmissão 155/622 Mbit/s
2,5 Gbit/s 1 Gbit/s 1 Gbit/s 10Gbit/s 10Gbit/s Tamanho dos pacotes de
dados Fixo de 53 bytes Variável de 53 bytes a 1518 bytes Variável de 64 bytes a 1518 bytes Variável de 64 bytes a 1518 bytes Variável de 64 bytes a 1518 bytes Variável de 53 bytes a 1518 bytes
Protocolo ATM ATM/Ethernet Ethernet Ethernet Ethernet ATM/Ethernet Comprimento de onda downstream 1480 a 1500 nm 1480 ou 1500 nm 1490 a 1510 nm 1490 nm 1577 a 1590 nm 1575 a 1580 nm Comprimento de onda upstream 1260 a 1360 nm 1260 a 1360 nm 1310 nm 1310 nm 1310 nm 1260 a 1280 nm Alcance 20 km 20 km 20 km 20 km 20 km 20 km Taxa de fracionamento 1:32 1:128 1:32 e 1:16 1:16 128 1:64 Largura de banda média
por usuário
20Mbit/s 20Mbit/s 30 e 60 Mbit/s
80Mbit/s 80Mbit/s 160Mbit/s Custos estimados Baixo Médio Mais baixo Médio Alto Alto
QoS Sim Sim Sim Sim Sim Sim
OAM Sim Sim Sim Sim Sim Sim
Voz Sim Sim Sim Sim Sim Sim
Segurança Sim Sim Sim Sim Sim Sim
Tabela 3: Comparação APON/BPON, GPON, EPON, G-EPON, 10G-EPON, XG-PON
Redes PON II: Tecnologias em Desenvolvimento
NG-PON2
Para as futuras redes de acesso ter arquiteturas economicamente viáveis que permitam uma redução dos custos de implantação e dos custos operacionais é de extrema importância. Para que esta redução seja possível, uma das soluções passa por reduzir o número de equipamentos eletrônicos por unidade de largura de faixa do cliente. Outro dos requisitos a cumprir, é que as infraestruturas de acesso sejam reutilizadas para evoluções ou para implantar maiores funcionalidades, como por exemplo, aumento de velocidade. Esta reutilização das infraestruturas permite um corte significativo das despesas por parte dos operadores de rede. Do ponto de vista da banda utilizada, esta deve ser escalada até aos limites da fibra e o custo envolvido por unidade de largura de faixa deve crescer com o crescimento da largura de faixa. Uma das soluções possíveis para uma futura rede de acesso óptica é NG-PON2 que é uma solução proposta após NG-PON1 e apresenta-se como solução de longo prazo. Esta tecnologia não é restringida por requisitos de coexistência, embora essa hipótese não esteja completamente excluída. O grupo ITU-T definiu recursos para estender o alcance do enlace óptico nas redes GPON para o máximo estabelecido no seu protocolo, 60 km. Esta solução não é particularmente apreciada pelos operadores de rede, pois para permitir que os clientes tenham maior largura de banda disponível bem como uma maior possibilidade de divisão da banda de maneira a abranger mais clientes, novas arquiteturas na rede de acesso serão necessárias.
Outro fator a se levar em conta, é a procura crescente do tamanho da banda que é necessária disponibilizar ao usuário final. A instalação da fibra é o maior investimento isolado numa nova rede de acesso de fibra óptica, sendo que também é um processo que demora muito tempo. Todos estes fatores têm que ser cuidadosamente considerados, principalmente quando estes envolvem clientes residenciais e empresariais. Um dos objetivos principais para NG-PON2 é oferecer um significativo aumento da largura de banda por utilizador, quando comparado com as atuais GPON e as futuras NG-PON1.
Os requisitos para as redes de próxima geração, não incluindo as redes XGPON 10G-EPON são 100 km de alcance, 1000 utilizadores por divisão (split) e uma velocidade de pelo menos 1 Gbit/s.
Desta forma podemos definir os seguintes requisitos para NG-PON2, que se espera que sejam cumpridos até 2015:
40 Gbit/s de capacidade agregada; 1:64 Divisor passivo;
20 km básicos de alcance; 60 km de alcance de extensão; Maior segurança;
Design custo-eficiência para downstream e upstream; Redução dos custos energéticos.
Serviços futuros:
Vídeo: 3D + HD+ Ultra HD+ free vision; Ambientes on-line virtuais;
Rede de computadores virtuais; Jogos.
WDM-PON
O WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network) é uma tecnologia de nova geração NG-PON2 e é padronizado pelas normas G.694.1 (DWDM) e G.694.2 (CWDM) do ITU-T. Diferentemente da E-PON e da G-PON que fazem a divisão por assinante no domínio do tempo, já o WDM-PON faz a divisão por assinante no domínio da frequência.
As redes WDM-PON a princípio utilizavam transmissões de 1500 e 1310 nm para downstream eupstream, respectivamente. A multiplexação por divisão do comprimento de onda é uma tecnologia onde vários sinais ópticos são multiplexados em uma única fibra. Para isso são utilizados vários comprimentos de ondas diferentes através de lasers (cores de luz) para transportar sinais diferentes. Os sistemas WDM permitem que muitos canais de alta velocidade TDM (multiplexação na divisão do tempo, time division multiplexing) sejam multiplexados em uma única fibra, aumentando a capacidade de transmissão do sistema.
Contudo, na WDM-PON cada cliente tem um comprimento de onda (cores de luz) reservado para se comunicar com o OLT. Um dos métodos de divisão dos canais para os usuários é a utilização do AWG(Array Waveguide Grating), ele funciona como um roteador passivo de comprimentos de onda, determinando que o sinal óptico de entrada seja encaminhado para uma determinada porta de saída dependendo do comprimento de onda, funcionando da seguinte forma, o OLT envia todos os comprimentos de onda com as informações desejadas em uma única fibra e o AWG, uma vez definido seu roteamento, se responsabiliza por enviar cada comprimento de onda para a ONU que deverá receber a informação.
A figura 6 ilustra como é uma estrutura WDM, e como é feita a divisão dos canais pelo AWG para os usuários.
Figura 6: Rede de acesso por WDM-PON
É importante saber que uma rede WDM possui seis tipos de componentes necessários para a sua implantação e funcionamento. Que são:
Equipamento Terminal
Amplificador de Linha (ILA - In Line Amplifier);
Multiplexador Óptico (OADM - Optical Add-Drop Multiplex) Equipamento Óptico de Conexão Cruzada;
Unidade Transponder;
Unidade Compensadora de Dispersão (DCU - Dispersion Compensation Unit)
O WDM-PON é dividido em dois tipos mais comuns: CWDM (Coarse Wave Division Multiplex) e DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).
A tecnologia CWDM é de baixo custo e fácil fabricação, e tem maior utilização em redes metropolitanas. A distância entre canais utilizado neste sistema é de 20 nm, utilizando uma janela de espaçamento entre 1271 e 1611 nm, e suportam até 18 canais por fibra (o número de canais depende do tipo de fibra utilizada), cada canal pode atingir até 2,5 Gbit/s. Esta tecnologia pode alcançar taxas de 20 a 45 Gbit/s dependendo do número de cores de luz (canais), com alcance de até 80 km. Sua principal desvantagem em relação ao DWDM é o número de canais limitados.
A tecnologia DWDM é de alto custo e difícil fabricação, e tem sua maior utilização em locais com necessidade de maior infraestrutura de rede, uma vez que possuem capacidade de transmissão superior ao sistema CWDM. A distância entre canais neste sistema podem variar de 0,8 nm (100GHZ), 0,4nm (50 GHz) e 0,2 nm (25GHz), suportando até 320 canais por fibra com comprimento de onda de o, 0 nm, cada canal pode atingir até 10 Gbit/s, o DWDM utiliza uma janela de espaçamento de 1525 nm a 1620 nm. Para atingir este número de canais por fibra, o laser utilizado tem que ser mais estável e também devem ter um controle de temperatura preciso para evitar dispersão do comprimento de onda. Esta tecnologia poderá trabalhar com taxas de transmissão de 400 Gbit/s a 3,2 Tbit/s (variando de acordo com o número de canais da fibra), com alcance de até 1500 km, com uso de amplificadores.
A tabela 4 apresenta uma comparação entre as tecnologias CWDM e DWDM.
CARACTERÍSTICAS CWDM DWDM
Canais Até 18 por fibra Até 320 por fibra Janela de espaçamento 1271 a 1611 nm 1525 a 1625 nm Distância entre canais 20 nm 0,8 e 0,4 e 0,2 nm Laser Modulado diretamente Estável
Controle de temperatura Capacidade do canal 2,5 Gbit/s 10 Gbit/s
Capacidade da fibra 45 Gbit/s 3,2 Tbit/s Alcance com amplificação 80 km até 1500 km
Custo Baixo Alto
OCDMA-PON
Destinado para a próxima geração de redes ópticas de acesso, OCDMA-PON que como o WDM-PON, também oferece taxas de gigabits em ambos os sentidos, é de grande interesse para atender a demanda de aumentar o número de usuários por fibra, especialmente porque a codificação de fase espectral aumenta o desempenho no domínio óptico.
Em contraste com WDM-PON, a tecnologia OCDMA-PON tem uma excelente segurança de rede, segurança da informação, pois a codificação é feita no próprio domínio óptico e capacidade flexível sobre demanda, uma maior eficiência espectral e uma redução significativa do custo de equipamento. A técnica OCDMA Optical Code Division Multiple Access – (Acesso Múltiplo por Divisão de Código Óptico) identifica todos os ONU’s por meio de uma palavra de código, a qual está representada no domínio óptico por uma determinada sequência de pulsos, onde todos os usuários podem transmitir ao mesmo tempo, utilizando toda faixa de frequência disponível. Este esquema não apresenta um limite fixo do número de usuários que podem ser suportados como os esquemas anteriores.
A limitação acontece devido ao aumento do número de usuários no sistema, resultando no aumento na interferência entre os canais o que faz com que os componentes físicos precisem operar a taxas maiores que a taxa de dados dos usuários de modo a evitar a interferência. O OCDMA-PON apresenta a mesma topologia virtual presente no WDM-PON. Um dos principais fatores limitantes de desempenho deste tipo de sistema é a interferência de acesso múltiplo (MAI). O MAI ocorre quando usuários coexistem no canal, de modo que sinais codificados de usuários não desejados geram ruídos, ou seja, causam interferência no código do usuário de interesse. Com o acréscimo no número de usuários simultâneos no canal, a interferência dos canais desejados aumenta proporcionalmente, degradando o sinal desejado. Para minimizar os efeitos da MAI é importante a escolha de códigos com boa ortogonalidade, ou seja, como maior grau de diferenciação entre os códigos.
As vantagens do sistema OCDMA apresentadas anteriormente o tornam atrativo não só isoladamente, há propostas que o utilizam em conjunto com outras técnicas de acesso múltiplo como TDMA e WDMA, formando as Redes Ópticas Passivas Híbridas (HPON). A figura 7 exemplifica a arquitetura do sistema OCDMA.
Um sistema OCDMA, deste tipo, proporciona segurança de informação o que fará com que o controle da qualidade de serviço e a eficiência espectral melhorem consideravelmente em comparação com sistemas que usem WDM. A codificação e decodificação óptica são realizadas no domínio óptico. Assim sendo, o OCDMA pode suportar um modo de transmissão assíncrono completo com baixa latência e sem utilização de equipamentos elétricos muito complexos. Tais características introduzem os sistemas OCDMA com a seguinte vantagem, permitir que os utilizadores partilhem a mesma largura de banda assíncrona, sem limites de taxas de bits devido ao fato de o processamento ser efetuado em domínio óptico e também por a codificação proporcionar segurança.
Coherent-PON
Com a utilização da detecção coerente na fibra óptica é necessário que se transfira as informações moduladas em amplitude, fase ou frequência para o domínio elétrico. Os sistemas coerentes vão permitir a transmissão de FDM (frequency division multiplexing), o que fará com que se tenha uma melhora na capacidade de transmissão de cada canal em vista da melhor utilização da largura de banda disponível. Dentre as vantagens desta tecnologia, destaca-se:
Melhor sensibilidade do sinal nas ONU’s; Maior alcance;
Maior número de usuários por PON.
Nesta tecnologia PON o sinal de entrada é gerado pelo laser e por um LO (oscilador local), mixando os dois sinais. O Coherent-PON pode se diferenciar em dois princípios, detecção homódina e heteródina. Na detecção homódina o sinal óptico é convertido diretamente para sinal elétrico, visto que as frequências das portadoras do laser e do LO são iguais. A detecção heteródina tem as frequências do laser e do LO diferentes, o que torna necessário uma portadora elétrica com uma frequência intermediária, sendo ela a diferença entre as portadoras do laser e do LO. A desvantagem da detecção homódina é a complexidade, pois o LO tem de estar amarrado em frequência com o laser do sinal óptico.
A figura 8 ilustra como funciona o sistema WDM-PON com detecção coerente heteródina.
Neste sistema é necessária a utilização de um díodo laser oscilador local (LO-LD), dispositivos eletrônicos de alta frequência, um amplificador de baixo ruído (LNA), um filtro passa-banda (BPF) e um misturador de micro-ondas para demodular o sinal IF. Assim, como se pode observar, consegue-se uma ONU com uma boa diminuição de componentes eléctricos.
Hoje em dia Coherent-PON é mais utilizada em backbones que tem a necessidade de altas capacidades de transmissão, a uma longa distância. Em um futuro próximo esta tecnologia será uma solução para entregar ao usuário final, altas taxas de transmissão.
OFDM-PON
O desenvolvimento de diversas ferramentas de entretenimento e serviços conectadas a nuvem, são o motivo principal do desenvolvimento de novas tecnologias de arquitetura de rede.
Este tecnóloga já é utilizada em sistemas Wireless LAN, DVB, DAB e outros. O OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing, que significa Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais, é aplicado em sistemas de radiofrequência, e agora, é uma possibilidade real para a utilização em sistemas PON.
Seu conceito é muito simples, mas sua aplicação traz muitas complexidades. O OFDM é uma técnica onde múltiplas portadoras de baixa taxa são combinadas para a transmissão numa forma paralela ou compósita. Basicamente, ele subdivide uma única transmissão em múltiplos sinais com menor ocupação espectral. Esses sinais são espaçados de forma que cada portadora coincida com os nulos dos outros sinais, evitando assim, a interferência inter-simbólica, como pode ser observado na figura 9 Seu resultado é uma mistura de alta taxa de transmissão com baixa interferência inter-símbolo, pois permitem à alocação dinâmica de largura de banda, dessa forma, seus canais podem atingir um bom desempenho com alta eficiência de largura de banda.
Figura 9: Sinal OFDM
Para realizar a divisão dos dados provenientes de uma transmissão, é utilizada a transformada deFourier. Dessa forma, vários blocos de dados surgem para serem codificados nas diversas sub-portadoras que compõem o sinal OFDM.
O OFDM é uma tecnologia que pode compensar frequências dependentes da amplitude e fase de um canal de comunicação, por isso oferece um sólido método adaptativo de aumentar o desempenho do sistema [Sadok, D.; 2006].
Com taxas de upstream e downstream acima de 40 Gbit/s o OFMD tornou-se um candidato atraente para ser utilizado em redes NG2-PON. Ele é economicamente rentável, requisito essencial para que uma nova tecnologia faça sucesso. Outras tecnologias atualmente em uso, como GPON e GEPON, utilizam componentes em suas redes muito caros e sensíveis a latência de pacotes. Outra opção, o WDM, apresenta uma barreira de custo muito grande, por necessitar de alterações fundamentais a família de redes de distribuição PON e adoptar qualquer comprimento de onda, além de ser incapaz de alocar dinamicamente a largura de banda de cada sub-portadora, reduzindo sua flexibilidade.
Para o futuro, o OFDM apresenta outras perspectivas que favorecem sua utilização, a possibilidade de utilizar DOP para até 256 usuários com uma capacidade de transmissão que pode chegar a até 108 Gbit/s.
Redes PON II: Considerações Finais
Este trabalho teve como objetivo fazer um estudo analítico a respeito das novas tecnologias de rede óptica passiva e tendências, tecnologias essas que vêm aumentando a largura de banda constantemente, além de um breve estudo sobre FTTx e um estudo comparativo final entre as tecnologias atuais e as tecnologias de nova geração NG-PON1, APON/BPON E GPON; EPON E G-EPON; 10G-EPON E X-GPON1/X-GPON2. Com a demanda de evolução crescente, abordaram-se as tecnologias de nova geração NG-PON2, WDM-PON, OCDMA-PON, Coherent-PONe OFDM-PON.
O Brasil está atrasado uma geração em relação a países europeus, Korea, EUA e Japão. Por este motivo a rede GPON vem sendo muito utilizada no Brasil, superando o EPON, por possuir maior capacidade de transmissão, maior número de usuários por porta GPON, maior eficiência, como exemplo, hoje a empresa brasileira Padtec, oferece a plataforma Flexpad GPON, oferecendo 64 portas em uma única ONT, com taxa de downstream de 2,5Gbit/s e upstream 1,2Gbit/s, alcançando até 128 usuários por porta GPON, o que torna muito atrativa a implantação desta rede.
A fim de acompanhar o crescimento tecnológico, novas tecnologias estão surgindo, como o WDM-PON que hoje já é bastante utilizada, mais precisamente no Brasil esta tecnologia é utilizada parabackbones entre capitais, que necessitam de um sistema com grande alcance e capacidades de transmissão maiores, no entanto solução para redes MAN (Metropolitan Area Networks) não se torna uma solução viável, pelos altos custos envolvidos na implantação. Em países como Korea e Japão, o WDM-PON já é uma tecnologia utilizada para FTTH, entregando ao usuário final um sistema capaz de operar com downstream de 2Gbit/s.
Futuramente as tecnologias mais prováveis de serem adotadas serão o OFDM-PON e Coherent-PON, pois ambas garantem grande alcance, até 1024 usuários por PON e capacidade de transmissão podendo chegar à casa de Tbit/s, já a tecnologia OCDMA-PON até hoje não obteve resultados satisfatórios.
Referências
Arbieto, C. O. (2007). Dissertação de Mestrado. Alocação dinâmica de largura de banda em redes PON, p. 132.
Carvalho, T. J. (2009). Dissertação de Mestrado. Uso das camadas físicas e de acesso para mapeamento de redes PON, p. 73.
Choudhary, M., & Kumar, B. (s.d.). Analysis of Next Generation PON Architecture for Optical Broadband Access Networks. Artigo, p. 8.
Fernandes, A. S. (Dezembro de 2004). Comunicações Ópticas. Apostila acadêmica, p. 73.
Giorgini, D. L. (2010). Trabalho de Conclusão de Curso. Análise da opticalização da rede de acesso para aumentar os serviços de banda larga utilizando a tecnologia Gpon, p. 51.
Intenational Telecommunication Union. (2006-2010). Examination of access technologies for broadband telecommunications. ITU-D Study Group 2, p. 150.
Mendonça, C. S. (2010). Requisitos para Redes NG-PON2. Dissertação de Mestrado, p. 132. PADTEC. (s.d.). Plataforma FlexPad. Catálogo de Produto, p. 7.
Policarpo, D., Bolandim, F., Rebouças , U., Adriano, R., & Izidro, R. (Maio de 2010). Tecnologias de multiplexações ópticas-WDM. Artigo, p. 12.
Sadok, D. (2006). Acesso em 11 de Junho de 2013, disponível em Centro de informática UFPE: http://www.cin.ufpe.br/~jk/ofdm
Silva, G. E. (s.d.). Problemas de segurança em Redes TDM-PON. Acesso em 10 de Junho de 2013, disponível em GGnet Telecomunicações:
http://www.gegnet.com.br/ftp/downloads/GEPON/seguranca.pdf
Takeuti, P. (2005). Projeto e dimensionamento de redes ópticas passivas (PON’s). Dissertação de Mestrado, p. 85.
Teleco. (28 de Junho de 2004). Tutoriais de rede ópticas. Acesso em 28 de Março de 2013, disponível em:
http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialpon/default.asp
Teleco. (22 de Novembro de 2010). Redes Ópticas. Acesso em 25 de Março de 2013, disponível em: http://www.teleco.com.br/pdfs/tutorialsolfo1.pdf
Teleco. (04 de Julho de 2011). Banda Larga. Acesso em 28 de Março de 2013, disponível em: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialropassiva1/default.asp
Teleco. (05 de Abril de 2012). FTTX. Acesso em 28 de Março de 2013, disponível em: http://www.teleco.com.br/ftth.asp
Teleco. (s.d.). WDM: Considerações finais. Acesso em 10 de Junho de 2013, disponível em Tutoriais de redes ópticas:
http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwdm/pagina_6.asp
Ware, C., Cordette, S., Lepers, C., Fsaifes, I., Tonello, A., Couderc, V., et al. (19 de Agosto de 2010). Optical CDMA enhanced by nonlinear optics. Artigo, p. 4.
Lam, Cedric F. (2007). Passive Optical Networks: principles and practice / Cedric F. Lam. P. em.
Prat, Josep. Springer; 1 edition (July 8, 2008). Next-Generation FTTH Passive Optical Networks: Research towards unlimited bandwidth access.
Redes PON II: Teste seu entendimento
1. Qual é o tipo de multiplexação utilizada pelas tecnologias GPON, E-PON e 10G E-PON?
TDM (Time Division Multiplexing). FDM (Frequency Division Multiplexing). WDM (Wave Division Multiplexing). Nenhuma das alternativas anteriores.
2. Qual das alternativas abaixo representa um dos serviços futuros da tecnologia NG-PON2?
Vídeo: 3D + HD+ Ultra HD+ free vision. Ambientes on-line virtuais.
Rede de computadores virtuais. Jogos.
Todas as anteriores.
3. Quais são as tecnologias futuras com maior probabilidade de adoção, por garantirem longo alcance, até 1024 usuários por PON e capacidade de transmissão que pode chegar à cada de Tbit/s?
OCDMA-PON e Coherent-PON. OFDM-PON e Coherent-PON. OFDM-PON e OCDMA-PON. WDM-PON e OCDMA-PON.
