Redes Ópticas Passivas II: Multiplexação por Divisão no Tempo (TDM-PON)
O principal problema das redes de telecomunicações atualmente é o “gargalo” de largura de banda nas redes de acesso. Para solucionar este problema e oferecer aos usuários acesso banda larga de baixo custo foram propostas as redes ópticas passivas (Passive Optical Network – PON). As redes ópticas passivas são compostas por fibras ópticas e diversos dispositivos ópticos e sistemas, como ONUs, OLTs, filtros, divisores passivos e lasers.
Uma de suas arquiteturas proporciona o acesso múltiplo através da técnica de multiplexação por divisão no tempo e é conhecida como TDM-PON. Essas redes têm se destacado no cenário mundial como uma possível solução capaz de suprir a demanda gerada por novos serviços que requerem alta capacidade de transmissão de dados.
Esta série de tutoriais propõe uma investigação detalhada sobre as redes TDM-PON no que diz respeito à largura de banda, número de usuários, dispositivos, bem como outros detalhes para sua implementação.
Os tutoriais foram preparados a partir da Monografia “Redes Ópticas Passivas Baseadas em Multiplexação por Divisão no Tempo (TDM-PON)”, elaborada pelo autor, e apresentada como exigência parcial para obtenção do grau de Bacharel em Ciência da Computação, na área de concentração Redes Ópticas Passivas, à banca examinadora do Curso de Ciência da Computação, do Centro de Ensino Unificado de Teresina - CEUT. Foi orientador do trabalho o Professor e Mestre Guilherme Enéas Vaz Silva.
Este tutorial parte II apresenta inicialmente o software utilizado como ferramenta de avaliação da tecnologia PON para a elaboração deste trabalho, procura caracterizar um transmissor e um receptor óptico, e trata do principal elemento de uma rede PON, o splitter. A seguir apresenta os resultados numéricos das simulações de um rede TDM-PON com várias taxas de transmissões, e as conclusões obtidas.
Rafael Jales Lima Ferreira
Bacharel em Ciência da Computação pelo Centro de Ensino Unificado de Teresina - CEUT (2010/2).
Atualmente cursa o Mestrado em Telecomunicações – Redes Ópticas pela Universidade de São Paulo na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP).
Email: rafael_jales@hotmail.com
Nível: Introdutório Enfoque: Técnico
Duração: 15 minutos Publicado em: 11/07/2011
Redes Ópticas Passivas II: Introdução
Desde o surgimento da Internet, a demanda por serviços de alta velocidade vem aumentando, devido à popularidade da rede mundial. Linhas telefônicas começaram a ficar saturadas com o tráfego provocado pelo acesso discado à Internet, e o aumento do número de linhas, além de requerer grandes investimentos, não resolveria o problema (SAKURAY; SADOYAMA, 2004), (NASCIMENTO; TAVARES, 2002).
Para transmitir sinais analógicos, o modem convencional utiliza a mesma banda do sinal de voz (4 kHz). A taxa máxima para transmissão de dados pode chegar a 56 Kbit/s, isto sem considerar os atrasos provocados por ruídos e condições do fio (SAKURAY; SADOYAMA, 2004).
A tecnologia DSL (Digital Subscriber Line) surgiu da necessidade de disponibilizar altas taxas de dados sobre o fio de cobre do Sistema de Telefonia Fixa Comutada (STFC). Esta tecnologia possibilita a integração de voz, dados, imagens e vídeo (FERNANDES, 1999).
Atualmente o mercado de telecomunicações é caracterizado pela procura, cada vez mais frequente, por serviços que requerem uma alta capacidade de banda. Ou seja, os usuários passaram a exigir serviços que necessitam de uma grande capacidade de transmissão de dados. Comunicação em alta velocidade é atualmente uma necessidade real (DODD, 2000).
Podemos classificar as redes de telecomunicações de acordo com a escala, em redes geograficamente distribuídas, WANs (Wide Area Networks), redes Metropolitanas MANs (Metro Area Networks) e redes locais LAN (TANENBAUM, 2003).
Uma WAN abrange uma grande área geográfica, milhares de quilômetros englobando um país ou até um continente. As taxas de dados operadas neste tipo de rede variam de Gbit/s a Tbit/s. As MANs cobrem dezenas de quilômetros, cidades ou regiões metropolitanas, aonde suas taxas de transmissão chegam a 40 Gbit/s. Já as LANs são redes privadas contidas em um edifício ou em um campus universitário, sua distância máxima atinge apenas poucos quilômetros e, operam tradicionalmente a uma taxa de até 100 Mbit/s, em redes mais modernas ela alcança uma taxa de 10 Gbit/s (TANENBAUM, 2003).
Entre as MANs e as LANs estão situadas as redes de acesso, que vão estar responsáveis pela conexão da central do provedor de serviço CO (Central Office) aos assinantes residenciais ou empresas. Esse tipo de rede atinge dezena de quilômetros e suas taxas variam de centenas de Kbit/s até poucos Mbit/s. Os assinantes residenciais vão estar ligados diretamente a essas redes, eles não precisam estar necessariamente incorporados a uma rede local.
De acordo com as taxas das redes mostradas a cima, podemos observar que as redes de acesso são o maior problema de “gargalo” das redes de telecomunicações. As redes de acesso antigamente eram conhecidas como rede de última milha, mas devido a esse problema e à relevância que vem obtendo no últimos anos, elas passaram a ser chamadas de redes de primeira milha (SILVA; ROMERO, 2010).
A primeira milha conecta o serviço prestador de serviços centrais de negócios e residenciais assinantes. Também conhecido como rede de acesso de assinante ou do loop local, que é a rede infraestruturas ao nível da vizinhança (KRAMER; PESAVENTO, 2002), (SUDHIR, 2003).
A rede de acesso atual é predominantemente constituída de fios de cobre ou par trançado que foi considerado como tendo um dos mais importantes papéis no ato de prover serviços de transmissão de dados (TOLEDO, 2001).
A rede de acesso óptica apresenta uma largura de banda que chega a gigabits por segundo (Gbit/s), o que aumentará ainda mais com avanço tecnológico. Esta maior disponibilidade abre novas possibilidades de arquiteturas para prover serviços de faixa larga. Tomando a rede de acesso como parte mais importante na entrega dessa largura de banda é necessário colocar alguns equipamentos, nas imediações do cliente, para gerenciar ou controlar a quantidade de dados transmitidos sobre uma conexão de acesso (NETO, AMAZONAS, 2004). .
O aumento crescente da oferta de serviços e aplicações, principalmente aqueles envolvendo transmissão de imagem (por exemplo, videoconferência, vídeo sob demanda e jogos online), estimula e justifica a implantação de redes ópticas de acesso (MAODE; YONGQING, 2002), (PORTNOI; MORAES; GIOZZA, 2005).
Neste cenário, a utilização de fibras ópticas nas imediações do usuário já permite, a um custo competitivo, que se disponibilize a um número de clientes relativamente pequeno, uma capacidade de transmissão elevada (até 2,5 Gb/s por até algumas dezenas de quilômetros), tanto na descida quanto na subida dos dados (ITU-T G.984.1, 2003).
As redes de fibras ópticas podem ser classificadas em duas categorias de acordo com a distribuição dos cabos ópticos, a arquitetura ponto-a-ponto e a ponto-multiponto. Na arquitetura ponto-a-ponto, o número de fibras vai ser igual ao número de usuários, já na arquitetura ponto-multiponto, diversos usuários compartilham uma única fibra até um nó remoto (RN), a partir do qual cada cliente poderá dispor do seu próprio enlace óptico. O RN pode ser passivo ou ativo, dependendo se é eletricamente alimentado ou não. Se o nó remoto precisar de suprimento de energia, a arquitetura é chamada de Rede Óptica Ativa (AON). Caso contrário, a arquitetura recebe o nome de Rede Óptica Passiva (PON) (SILVA; ROMERO, 2010). Além disso, comparadas às redes de fibra óptica ativas, as redes ópticas passivas (Passive Optical Networks - PONs), apresentam facilidade de instalação e atualização, baixo custo de operação e manutenção, confiabilidade, imunidade eletromagnética e cabos mais leves e compactos (LEE; SORIN, 2006), (NOWAK; MURPHY,2005).
A maioria das redes PON instaladas no mundo têm arquitetura do tipo ponto-multiponto com um ou mais níveis de derivação de potência, via divisores ópticos passivos, para distribuição do sinal. O acesso ao meio na transmissão ascendente é feito através de multiplexação no tempo (TDMA), para evitar colisões no acoplador (ILYAS; MOUFTAH, 2003). Das duas tecnologias PON em implantação (Gigabit PON, GPON, padronizada pelo ITU G.984 (ITU-T G.984.1), e Ethernet PON, EPON, padronizada pelo EEE 802.3ah [(MAODE; YONGQING, 2002)), o GPON, oferece vantagens como taxas de tráfego ascendente e descendente mais altas, maior eficiência de banda e maior variedade de serviços (CALE; SALIHOVIC; IVEKOVIC, 2007).
É importante notar que esta conexão de primeira milha não se limita à conexão de um usuário final com um provedor de acesso à internet. Ela também considera a conexão de um usuário ou assinante de qualquer serviço de redes de comutação de pacotes, como uma rede metropolitana, em um campo de universidade ou empresa corporativa. Nestas redes geralmente há um backbone de banda larga, com as conexões para os usuários finais bem mais lentas (PORTNOI; MORAES; GIOZZA, 2005).
Essas tecnologias são as mais utilizadas atualmente mas as fibras ópticas surgem, então, como uma boa alternativa para atender o aumento de demanda das redes de acesso (ILYAS; MOUFTAH, 2003). Dentre as configurações presentes no cenário mundial atual, a rede óptica passiva (PON - Passive Optical Network) baseada em multiplexação por divisão no tempo (TDM-PON - Time Division Multiplexing) tem recebido grande destaque.
A maior parte da infraestrutura de redes de acesso utiliza tecnologia baseada em fio, empregando pares trançados e cabos coaxiais. Na próxima seção iremos abordar algumas das principais tecnologias para redes de acesso.
Tutoriais
O tutorial parte I apresentou inicialmente um breve descrição dos tipos de redes de acesso, fossem eles baseados em cabos de cobre ou fibra óptica. Em seguida apresentou uma descrição das redes ópticas passivas (as redes PON), e finalizou apresentando a tecnologia de multiplexação por divisão no tempo, conhecida pela sigla TDM-PON.
Este tutorial parte II apresenta inicialmente o software utilizado como ferramenta de avaliação da tecnologia PON para a elaboração deste trabalho, procura caracterizar um transmissor e um receptor óptico, e trata do principal elemento de uma rede PON, o splitter. A seguir apresenta os resultados numéricos das simulações de um rede TDM-PON com várias taxas de transmissões, e as conclusões obtidas.
Redes Ópticas Passivas II: O Software Optisystem
O programa OptiSystem foi a ferramenta computacional utilizada nesse estudo, onde ele nos permite que sejam realizadas simulações de sistemas de telecomunicações e de outras aplicações. Para isto, dispõe de várias bibliotecas com diversos componentes utilizados nos sistemas reais, permitindo aos usuários planejar, testar e simular enlaces ópticos na camada de transmissão de redes ópticas modernas (OPTIWAVE, 2010).
O OptiSystem é um inovador pacote de comunicação óptica de simulação do sistema para o projeto, testes e otimização de praticamente qualquer tipo de link óptico na camada física de um amplo espectro de redes ópticas.
A interface gráfica do usuário controla o layout dos componentes ópticos, modelos de componentes gráficos e apresentação. O software possui uma extensa biblioteca de componentes ativos e passivos, criados assim para atender às necessidades de engenheiros de telecomunicações, integradores de sistemas, estudantes e uma ampla variedade de outros usuários (OPTIWAVE, 2010).
O Software Optisystem
O software comercial OptiSystem da empresa canadense Optiwave Corp que se localiza em Ottawa, Canadá, possui mais de 1000 cientistas espalhados pelo mundo trabalho nos softwares da empresa, possui muitos clientes tais como, Sony, Intel, SDSU, Fujitsu, Alcatel entre outros. A figura 1 apresenta várias telas do software OptiSystem.
O software OptiSystem possui uma extensa biblioteca, com mais de 400 dispositivos passivos e ativos, no domínio elétrico e óptico, além de ferramentas de visualização gráfica que permitem analisar o desempenho do sistema, como: analisadores de espectro, osciloscópios, medidores de potência, analisadores de BER e diagrama de olho
Figura 1: Interfaces gráficas do Optisystem Este software tem como benefícios:
Permitir a simulação de protótipos de baixo custo; Permitir uma visão global do desempenho do sistema;
Acesso direto a extensivas configurações de dados que caracterizam o sistema;
Realizar a varredura de parâmetros visando analisar o efeito de especificações de dispositivos sobre o desempenho do sistema.
O software OptiSystem possibilita o projeto de diferentes tipos de enlace óptico na camada física, e análise de diversos tipos de redes ópticas, de sistemas de longa distância a redes de área metropolitana (Metropolitan Area Network - MAN) e redes locais (Local Area Networks - LAN).
Na figura 2 é apresentada a tela do OptiSystem, onde pode-se observar a janela layout onde é montado o projeto a ser simulado. Na janela componente library, no canto superior a esquerda, seleciona-se os componentes para a montagem do projeto, e na janela project browser, que se encontra abaixo da janela componente library, pode-se observar os dispositivos usados no projeto.
Figura 2: Ambiente de Simulação do OptiSystem Caracterização de Transmissores e Receptores
Para a construção do transmissor óptico foi usada à configuração da figura 4, onde um laser de onda contínua (CW – Continuous Wave) irá gerar um sinal óptico que será modulado externamente por um modulador Mach-Zehnder. Na figura 3 podemos observar alguns parâmetros do CW laser, com isso podemos observar a facilidade para configurar os parâmetros dos dispositivos.
Figura 3: CW Laser
O gerador de sequencia pseudo-aleatória de bits (Pseudo Random Sequence-PRS) irá gerar bits de acordo a aproximar as características dos dados e depois enviará para técnica de codificação não retorne ao zero (NRZ-non-return-to-zero), possui 2 níveis de tensão representando 0 e 1, onde o bit um é representado por uma tensão positiva e o bit 0 é representado por uma tensão negativa).
Na saída do modulador Mach-Zehnder foram conectados um analisador de espectro óptico e um visualizador óptico no domínio do tempo, para observar o sinal de saída do transmissor no domínio da frequência e do tempo, respectivamente. Vale mencionar que apesar de não existir comercialmente um visualizador óptico no domínio do tempo, esta ferramenta de simulação é bastante útil para a caracterização de dispositivos ópticos.
Figura 4: Transmissor óptico
As saídas dos visualizadores estão mostradas na figura 5 para uma taxa de bit de 2,5 Gbit/s, com uma potência óptica de -10 dBm.
Figura 5: Analisador de espectro e visualizador óptico
Para caracterizar-se o receptor óptico, foi usada a configuração da figura 6. O sinal do transmissor com potência óptica de -21 dBm é detectado por um receptor PIN, e o sinal detectado é introduzido em um regenerador 3R, onde este componente do software que recupera as informações do sinal elétrico.
O regenerador 3R gera o bit original sequência, e um sinal modulado elétrico a ser utilizado para análise RIC, onde o RIC é uma indicação de quantas vezes um pacote de outra unidade de dados tem que ser retransmitidos por causa de um erro (searchcio-idmarket.techtarget.com, 2010).
Esta primeira porta do regenerador 3R de saída é a sequência de bits, o segundo é um sinal NRZ modulada e a última saída é uma cópia do sinal de entrada. Estes três sinais podem ser conectados diretamente para o Analisador de BER, evitando ligações adicionais entre o transmissor e o estágio receptor. Ao utilizar o 3R Regenerator, não há necessidade de conexões entre os transmissores e o Analisador de RIC. Para obter mais informações, consulte(JUNGO; ERNI; BACHTOLD, 2003), (SIALM; LENZ; ERNI; BONA; KROMER; JUNGO; ELLINGER; JÄCKEL, 2005), (JUNGO, 2003).
Esses três sinais são introduzidos em um analisador de BER, obtendo-se assim a taxa de erro de bit (bit error rate – BER do sinal. Na transmissão de telecomunicações, a BER é o percentual de bits com erros em relação ao número total de bits recebidos em uma transmissão, geralmente expressa como dez elevado a uma potência negativa.
Figura 6: Receptor óptico
O analisador BER permite que o usuário calcule e visualize a BER de um sinal elétrico automaticamente. Apesar de a BER ser o principal parâmetro para a análise da qualidade de um canal digital, esta pode ser complementada no diagnóstico de problemas por outros parâmetros, tais como, fator Q, razão de extinção do sinal, potência óptica dos canais, entre outros. O Eye Diagram Analyser gera diagramas de olho e análise RIC, assim como podemos observar na figura 7. Para mais informações sobre o diagrama de olho consulte (AGRAWAL, 1997), (DERICKSON, 1998).
Figura 7: Diagrama de Olho Splitter ou Divisores de Potência
Como já observamos o splitter é o principal componente de uma rede óptica passiva baseada em multiplexação por divisão no tempo, e possui um papel fundamental nesta rede. Para entender melhor como ele funciona falaremos um pouco sobre acopladores e, em seguida, vamos observar seu funcionamento no software.
Para podermos compreender como funciona o splitter no software, colocamos um CW Laser ligado a um splitter 4 portas, e colocamos um optical power metter em cada saída do splitter para analisar qual potência que irá sair em cada porta assim como podemos observar na figura 8 a potência que sai do laser e entra no splitter é de 0 dBm. Conforme essa potência entra no splitter de 4 portas ele irá atuar como um divisor de potência, ou seja, ele irá dividir a potência, enviando assim -6dBm , como mostra a figura 9 para cada porta do splitter, A divisão do sinal em quatro portas de saída resulta em perdas por divisão de potência, assim como será visto mais adiante.
Figura 8: Splitter 1x4
Figura 9: Optical power meter
Os acopladores ópticos podem ser considerados como dispositivos multiportas que permitem combinar ou dividir sinais ópticos. São dispositivos puramente ópticos operando como guias de onda óptica e elementos de transmissão, reflexão e refração da luz (VILLALBA, ROCHA, 2009).
Em diversas situações, em um sistema de comunicação, faz-se necessária a conexão de muitos dispositivos, função essa exercida pelos acopladores.
Os acopladores irão atuar como combinadores ou divisores de potência em um sistema que utilize multiplexação por divisão no Tempo. Pode-se, através de um acoplador, combinar sinais gerados e transmiti-los em um mesmo canal (fibra) assim com podemos ver na figura 10a (SOARES, 2005).
Figura 10: Acopladores
A divisão do sinal em duas portas de saída resulta em perdas por divisão de potência, que são definidas
como a razão entre potência presente em uma determinada porta de saída e a potência de entrada, assim como mostra a figura 10b (SOARES, 2005), (BARROS; ROSSI; REGGIANI; AGUIAR; DINI, 2007). Ao realizar a divisão de potência o acoplador divide o sinal em 2 partes resultando uma perda de 50% em cada uma das portas. Conforme pode ser observado na tabela 1 (FEUP), essa perda de 50% equivale a 3dB.
Tabela 1: Decibel vs Percentagem (FEUP)
DB % DB % 0 100 -6 25.1 -1 79.4 -7 20.0 -2 63.1 -8 15.8 -3 50.0 -9 12.6 -4 39.8 -10 10.0 -5 31.6 -20 1.000
Os splitters são formados por acopladores, os quais proporcionam a divisão da potência em partes iguais para ser enviada para cada ONU (SILVA;ROMERO, 2010).
No splitter de 1x4 que é formado por três acopladores, como mostrado na figura 11, onde em cada acoplador vai existir uma perda característica na divisão do sinal, ou seja, quando o sinal passar pelo primeiro acoplador ele terá uma perda de 3 dB, onde o sinal será dividido novamente em mais dois acopladores e terá mais uma perda de 3dB, onde a perda total de um acoplador será de 6 dB.
Figura 11: Splitter 1x4 formado por 3 acopladores
Agora vamos analisar um splitter de 1x32, (número típico de ONUs em um sistema PON). A figura 12 mostra a quantidade de acopladores utilizados por esse divisor óptico, aonde o sinal que vem de um determinada porta de entrada vai ter que passar por cinco acopladores para alcançar a porta de saída, isto é, a perda devida aos acopladores é de 15 dB.
De acordo com a figura 13 temos um exemplo de um splitter 1x8, 1x16, 1x32 da Furukawa (FURUKAWA, 2010). Como podemos observar na tabela 2, que contém a especificação do dispositivo segundo seu fabricante, existe uma perda intrínseca nos splitters. No caso do splitter 1x32, por exemplo, a perda de inserção é de 17,8dB, ou seja, 15dB devido aos acopladores e mais 2,8dB de perda intrínseca devido principalmente a conectores.
Figura 13: Splitter 1x8, 1x16, 1x32 (www.furukawa.com)
Tabela 2: Especificações (www.furukawa.com)
PARÂMETROS 1X8 1X16 1X32
Comprimento de onda de operação 1260 ~ 1360 / 1480 ~ 1580 nm
Perda de inserção (dB) 11,0 14,5 17,8
Uniformidade (dB) 1,0 1,5 2,0
Perda de retorno (dB) 50
Tipo de fibra 0,25 nm fibra monomodo
Temperatura de funcionamento (°C) -40 ~ + 75
Redes Ópticas Passivas II: Resultados
Como descrito na seção Conceitos do tutorial parte I, as redes ópticas passivas são compostas por fibras ópticas e diversos dispositivos ópticas e sistemas, como ONUs, OLTs, filtros, divisores passivos e lasers. A ferramenta computacional utilizada nas simulações foi o software Optisystem, que foi descrito na seção anterior, onde o programa tem como propósito permitir que sejam realizadas simulações de sistemas de Telecomunicações, dentre outras aplicações.
A representação esquemática da rede a ser investigada nesta seção está ilustrada na figura 14. Nela podemos observar que a OLT está localizada a 20 km do splitter de 8 portas e cada ONU está conectada a uma porta do divisor óptico passivo que está conectado a fibra que irá levar sinal até OLT. As taxas de transmissão para análise do tráfego downstream foram 1,25 Gbit/s e 2,5 Gbit/s.
Figura 14: Esquema GPON 8 ONUs
Agora veremos alguns parâmetros utilizados nas simulações da rede TDM-PON, de acordo com o padrão SMF, o transmissor do OLT utiliza a codificação de linha NRZ, operando a um comprimento de onda de 1490nm. A distância entre o OLT e as ONUs é de 20km, já na ONU é utilizado um laser semelhante operando em 1310nm. Os valores para dispersão e atenuação na fibra bidirecional são:
Para 1490nm são 0,2 dB/km e 16,75 ps/(nm.km). Para 1310nm são 0,5dB/km e 0 ps/(nm.km)
Como podemos observar na figura 15, nos mostra os parâmetros globais da simulação, cujo tamanho da sequência foi de 512 bits, e a quantidade de amostras por bit foram 64 e o número de amostras foi 32768. Podemos também especificar uma precisão para o software para que com isso possamos obter resultados bem aproximados, não precisando assim realizar várias simulações no mesmo ponto. Com isso podemos observar o parâmetro principal nesse quesito, a janela temporal com exemplo 2,048-7.
Figura 15: Parâmetros globais do Optisystem
As curvas da figura 16 mostram as taxas de erro para as potências enviadas pelo OLT com diferentes taxas de transmissão. Em 1,25 Gbit/s, por exemplo, a taxa de erro 3,67x 10-12 (cujo logaritmo é -11,43) é obtida com uma potência em torno de – 4,5 dBm. Como esperado, taxas de transmissão maiores requerem potências maiores.
Figura 16: Varreduras de Potência para 1,25Gbit/s e 2,5 Gbit/s
O esquema simulado anteriormente baseava-se, em um splitter de 8 portas, para completar as simulações foram feitas simulações com splitters 16 e 32 portas. Mas antes de mostrar os resultados, falaremos um pouco sobre orçamento de potência.
Considere o esquema mostrado na figura 14, onde um divisor de 8 portas foi utilizado. O orçamento de potência será mostrado na tabela 3. Considerando uma potência transmitida de -7,59 dBm pelo OLT, a potência que entra no splitter, no sentido downstream é de -11,5 dBm, sendo a perda resultante da
atenuação sofrida em 20 km de fibra, onde a atenuação é 0,2 dB/Km.
Tabela 3: Orçamento de Potência para splitter de 8 portas POTÊNCIA TRANSMITIDA PELA OLT POTÊNCIA NA SAÍDA DA FIBRA POTÊNCIA NA SAÍDA DO SPLITTER BER NA ONU -7,59 dBm -11,59 dBm -22,12 dBm 1,03x105
A perda no splitter, como já mencionado, deve-se a perda por divisão de potência nos acopladores somada a perda intrínseca do dispositivo (perda gerada pelos conectores, por exemplo). Tendo isso em vista agora iremos analisar um cenário com um splitter de 1x16. A figura 17 nos mostra as curvas das taxas de erro para as potências enviadas pela OLT com diferentes taxas de transmissão. Em 1,25 Gbit/s, por exemplo, a taxa de erro 10-12 é obtida com uma potência em torno de 0,5 dBm.
Figura 17: Varreduras de Potência para splitter 1x16
Como já mencionamos o número convencional de ONUs por OLT é 32. Sendo assim podemos observar na figura 18 os resultados das variações de potência para as seguintes taxas de transmissão 1,25Gbit/s e 2,5 Gbit/s. Como exemplo, para um potência de 1,5 dBm teríamos uma taxa de erro de 10-12, considerando a taxas de dados de 1,25 Gbit/s.
Figura 18: Varreduras de Potência para Potência de 1,25Gbit/s e 2,5Gbit/s
Considere o esquema mostrado na figura 14, onde um divisor de 32 portas foi utilizado. O orçamento de potência será mostrado na tabela 4. Considerando uma potência transmitida pela OLT é de -1,59 dBm, a potência que entra no splitter, no sentido downstream é de -5,59 dBm, sendo a perda resultante da atenuação sofrida em 20 km de fibra, onde a atenuação é 0,2 dB/Km. Onde a potência de saída no splitter será de -22,14, a perda de inserção do dispositivo é de 16,5, ou seja, 15 dB devido aos acopladores e mais 1.5 devido à perda intrínseca do dispositivo.
Tabela 4 Orçamento de Potência para splitter de 32 portas POTÊNCIA TRANSMITIDA PELA OLT POTÊNCIA NA SAÍDA DA FIBRA POTÊNCIA NA SAÍDA DO SPLITTER BER NA ONU -1,59 dBm -5,59 dBm -22,14 dBm 9,00x10-6
Como já discutimos anteriormente redes TDM-PON compartilham a largura de banda no tempo, de modo que, enviando-se 1,25 Gbit/s para 32 ONUs tem-se como taxa individual 40 Mbit/s.
A estrutura da rede no sentido upstream é a mesma do sentido downstream descrito anteriormente, no qual cada ONU vai estar conectado a uma porta do splitter, que irá enviar as informações para a OLT.
Cada ONU vai possuir um laser semelhante ao da OLT, operando em um mesmo comprimento de onda de 1310nm, cada laser irá transmitir em um slot de tempo diferente assim como observamos na figura 19, onde a ONU1 envia em um intervalo de tempo x, enquanto a ONU10 envia em outro intervalo de tempo y.
Figura 19: Visualizador óptico no domínio do tempo na saída da ONU1 e ONU10
A figura 20 ilustra como é tratada a questão do compartilhamento de tempo no sentido upstream, onde cada um dos 32 canais recebe uma janela temporal, como mostrado no Visualizador Óptico no Domínio do Tempo, e o splitter, atuando como um combinador de potência é o responsável por juntar toda a informação e enviá-la ao OLT, já na figura 20 ilustramos a saída de um visualizador óptico no domínio do tempo após o splitter ter juntado toda informação. A fibra é a mesma da simulação anterior, e foram utilizadas as seguintes taxas de transmissão: 155 Mbit/s e 622 Mbit/s.
Figura 20: Visualizador óptico no domínio do tempo na saída do Splitter
Como podemos na figura 21 as curvas mostram as taxas de erro para as potências enviadas pelas ONUs com diferentes taxas de transmissão. Em 622 Mbit/s, por exemplo, a taxa de erro 8,07x 10-12 é obtida com uma potência em torno de 5.5 dBm. Já a uma taxa de 155 Mbit/s para obter uma taxa de erro de 1,95x10-12 é necessário um potência de 2,5 dBm.
Figura 21: Taxas de erro no sentido upstream
Como já foi discutido na seção Conceitos do tutorial parte I, o padrão G.984 define algumas classes de redes PON. Com isso realizamos simulações nessas classes de acordo com a potência transmitida, sensibilidade do receptor, perda na fibra. Para a Classe A, por exemplo, a perda total na rede de distribuição irá variar na faixa de 5,0 a 20,0 de acordo com a tabela 2, da seção Conceitos do tutorial parte I. A potência máxima de um transmissor no OLT a uma taxa de 1,25 Gbit/s definida para classe A é de 1 dBm. Para avaliar o alcance da rede TDM-PON, fez-se uma varredura de distâncias com os lasers do OLT operando a 1 dBm. Já a uma taxa de 2,5Gbit/s a potência máxima é de 4 dBm. Os resultados estão mostrados na figura 22.
Figura 22: Varreduras de distâncias para potência de 1 dBm e 4 dBm
Podemos observar na figura 22, considerando o valor da BER a 10-12 e a uma taxa de 2,5 Gbit/s, por exemplo, pode-se alcançar uma distância de aproximadamente 25 Km. As simulações para a construção dos gráficos no sentido downstream.
Já vimos que as classes possuem potências máximas permitidas, então realizamos uma simulação na rede classe B, utilizando assim as potências permitidas de acordo com a tabela 2, da seção Conceitos do tutorial parte I. Agora analisaremos o gráfico de uma rede classe B, cujo cenário é o mesmo, onde irá variar apenas as potências transmitidas pelos transmissores, onde a potência máxima para uma rede de classe B utilizada é de 9 dBm para uma taxa de dados de 2,5 Gbit/s, Como podemos ver na figura 23 para uma taxa de erro de
10-12 e uma potência de 4 dBm conseguimos obter uma distancia de 50 Km, que por sinal é maior do que a distância obtida na rede de classe A. Já a um taxa de dados de 1,25 Gbit/s a potência máxima de um rede classe B é de 6 dBm.
Figura 23: Varreduras de distâncias para potência de 6 dBm e 9dBm Já em uma rede de classe C as potências utilizadas foram:
9 dBm a uma taxa de dados de 1,25 Gbit/s, no sentido downstream. 7 dBm a uma taxa de dados de 2,5 Gbit/s, no sentido downstream.
Cm isso podemos observar na figura 24 que a uma taxa de 1,25 Gbit/s e operando a uma potência de 9 dBm, a uma taxa de erro de 10-12, em um rede de classe C, conseguimos alcançar uma distância de 55 Km.
Redes Ópticas Passivas II: Considerações finais
Neste trabalho foi abordada a tecnologia de rede de acesso GPON, que oferece vantagens como taxas de tráfego ascendente e descendente mais altas, maior eficiência de banda e maior variedade de serviços que pode melhorar a infraestrutura da primeira milha, oferecendo serviços de banda larga. Neste sentido, foram estudados e simulados várias taxas de dados em vários ambientes dessas redes.
A fibra óptica certamente será a solução para as redes de acesso e este trabalho fornece subsídios para evidenciar isso. Dentre as possibilidades com fibra, as redes ópticas passivas reúnem vantagens que as tornam mais viáveis do que as redes ópticas ativas. Como mencionado, sistemas PON utilizando multiplexação por divisão no tempo já estão em uso no mercado de telecomunicações.
A TDM-PON possui largura de banda suficiente para atender a demanda futura das redes de acesso. Dessa forma, podemos observar que a TDM-PON apresenta aspectos vantajosos em relação às tecnologias utilizadas atualmente em termos de largura de banda, segurança, dentre outros.
Simulações relativas às redes TDM-PONs foram feitas com intuito de comparar as taxas de dados utilizadas atualmente com as taxas que podemos utilizar em uma rede óptica passiva.
Vimos que uma rede óptica passiva possui vantagens, principalmente no que diz respeito à largura de banda, mas também possui vantagens no preço de instalação que é um fator importante para sua implantação. Dessa forma, este trabalho buscou mostrar a arquitetura TDM-PON presente na literatura e nos mostrou que são mais viáveis financeiramente. As pesquisas nessa área estão em plena ascensão, como pode ser percebido pelas referências mencionadas.
Alguns tópicos que podem dar continuidade a este trabalho são: estudo das redes WDM-PON, estudo da vertente WDM-PON voltada para migração TDM-PON para WDM-PON denominada SUC-CESS (Stanford University Access), investigação das redes SuperPONs como alternativa de integração das redes de acesso à rede backbone.
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Redes Ópticas Passivas II: Teste seu entendimento
1. Quais são os benefícios do uso do software Optisystem? Permitir a simulação de protótipos de baixo custo. Permitir uma visão global do desempenho do sistema.
Acesso direto a extensivas configurações de dados que caracterizam o sistema.
Realizar a varredura de parâmetros visando analisar o efeito de especificações de dispositivos sobre o desempenho do sistema.
Todas as alternativas anteriores.
2. Apesar de a BER ser o principal parâmetro para a análise da qualidade de um canal digital, quais são alguns do parâmetro que podem complementar essa análise?
Fator Q, razão de amplificação do sinal e potência óptica dos canais. Fator Q, razão de extinção do sinal e potência elétrica dos canais. Fator Q, razão de extinção do sinal e potência óptica dos canais. Não é possível usar outros parâmetros.
3. O que são os acopladores ópticos?
São dispositivos multiportas que permitem combinar ou dividir sinais ópticos. São dispositivos multiportas que permitem combinar ou dividir sinais elétricos. São dispositivos que permitem combinar ou dividir sinais ópticos e elétricos. São dispositivos multiportas que permitem apenas dividir sinais ópticos.
