UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

MARCOS VINÍCIUS RODRIGUES JAPPE

TECNOLOGIA GPON APLICADA EM REDES FTTH

Ijuí 2020

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Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador(a): Prof. Dr. João Manoel Lenz Vianna da Silva

Ijui 2020

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Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.

Ijui, 27 de Novembro de 2020

Prof. Dr. João Manoel Lenz Vianna da Silva

Doutor pela Universidade Federal de Santa Maria – Orientador

Prof. Me. Eliseu Kotlinski

Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. João Manoel Lenz Vianna da Silva

Doutor pela Universidade Federal de Santa Maria

Prof. Me. Luís Fernando Sauthier

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AGRADECIMENTOS

Aos meus familiares por todo apoio durante essa caminhada; Ao meu professor Mauro pelos materiais de estudo fornecidos; Ao meu orientador professor João pela confiança em meu trabalho;

Agradeço aos meus colegas de trabalho Renan, Giovane e Vicente pelas orientações e auxilio na realização dos testes em bancada;

Agradeço a cooperativa Ceriluz por fornecer todos os equipamentos e matérias utilizados nos experimentos práticos.

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RESUMO

JAPPE, Marcos Vinícius Rodrigues. Tecnologia GPON aplicada em redes FTTH. 2020. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2020.

O uso da fibra óptica, em especial em redes FTTH, vem se mostrando ao longo dos anos ser o melhor meio físico, capaz de suprir as necessidades atuais e futuras de telecomunicações, com maior velocidade e qualidade na transmissão dos dados. As redes GPON possibilitam atender até 128 clientes com apenas uma fibra, porém é necessário um bom entendimento sobre projeto e dimensionamento da rede, para que funcione em perfeitas condições. Será abordado nesse trabalho uma análise bibliográfica e conceitos técnicos, apresentando os benefícios, modelos, transmissão de dados e pontos mais importantes a serem levados em conta na construção de uma rede de fibra óptica. Através de estudo de caso, será mostrado a diferença de um enlace obedecendo as recomendações da ITU-T e outro com alguns fatores que passam despercebidos na montagem de uma rede óptica, e que podem prejudicar o funcionamento do sistema.

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ABSTRACT

JAPPE, Marcos Vinícius Rodrigues. Tecnologia GPON aplicada em redes FTTH. 2020. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2020.

The use of optical fiber, especially FTTH networks, has proven to be the best physical medium over the years, being capable of meeting the current and future telecommunications requirements, with greater speed and quality in data transmission. GPON networks make it possible to serve up to 128 customers with just one fiber, but a good understanding of network design and sizing is necessary in order to work in perfect condition. In this work, a bibliographic review and technical concepts are presented, giving the benefits, models, data transmission methods, and the most important issues to be taken into account in the construction of a fiber optic network. Through a case study, the difference a link obeying the recommendations of ITU-T and another that does not is shown, considering factors that go unnoticed in the assembly of an optical network but that can impair the system's operation.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Camada Camadas do modelo OSI. ... 18

Figura 2 - Espectro de radiação eletromagnética. ... 19

Figura 3 - Representação do ângulo crítico e reflexão interna total em uma interface vidro-ar, onde n1 é o índice de refração do vidro. ... 21

Figura 4 - Estrutura de uma fibra convencional de sílica. ... 22

Figura 5 - Comparação entre fibra monomodo e multimodo. ... 23

Figura 6 - Atenuação x comprimento de onda em fibra ópticas. ... 25

Figura 7 - Conexão ponto-multiponto e ponto a ponto. ... 27

Figura 8 - Tecnologia PON, gerenciamento Downstream e Upstream. ... 28

Figura 9 - Configuração de referência para GPON. ... 29

Figura 10 - Cabo de fibra óptica (AS120-12F)... 33

Figura 11 - Drop Fast Compacto ... 34

Figura 12 - Estrutura de um splitter. ... 34

Figura 13 - Polimento PC e APC. ... 36

Figura 14 - Reflexão em conectores PC e APC. ... 37

Figura 15 - Perda por inserção em núcleos desalinhados. ... 37

Figura 16 - Fusão através de arco elétrico. ... 38

Figura 17 - Topologia anel... 39

Figura 18 - Topologia estrela. ... 39

Figura 19 - Topologia barramento. ... 40

Figura 20 - Modelo de ONU. ... 42

Figura 21 - Modelo de OLT Fiberlink 30028 ... 43

Figura 22 - Roteador CCR1072. ... 43

Figura 23 - Modelo de SFP classe C+. ... 44

Figura 24 - SmartOTDR ... 45

Figura 25 - Bobina de cabo 12 fibras. ... 45

Figura 26 - Distribuidor interno òptico. ... 46

Figura 27 - Estrutura da rede aplicada. ... 46

Figura 28 - Teste de velocidade e ping. ... 52

Figura 29 - Teste ping, nenhum pacote perdido. ... 53

Figura 30 - Estatísticas interface GPON. ... 53

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Eventos na rede óptica vistos pela ONU-1. ... 47

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LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Potência média máxima e mínima dos transmissores da OLT GPON .... 31 Quadro 2 - Potência média máxima e mínima dos transmissores da ONT/ONU GPON ... 31 Quadro 3 - Potência de saturação e sensibilidade dos receptores para OLT GPON 32 Quadro 4 - Potência de saturação e sensibilidade dos receptores para ONT/ONU GPON ... 32 Quadro 5 - Especificações técnicas de splitters balanceados. ... 35 Quadro 6 - Especificações técnicas de splitters desbalanceados. ... 35

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LISTA DE SIGLAS

APC Angled Physical Contact (Contato físico angular) BER Taxa de erro por bit (Bit Error Rate)

FTTH Fibra para a casa (Fiber-To-The-Home)

GPON Rede Ótica Passiva com taxa de transmissão em Gigabit (Gigabit-capable Passive Optical Networks)

OLT Terminação de Linha Ótica (Optical Line Termination) ONU Unidade de Rede Ótica (Optical Network Unit)

ONT Terminal de Rede Ótica (Optical Network Unit) PON Rede Ótica Passiva (Passive Optical Network) IP Internet Protocol

ITU-T ITU Telecommunication Standardization (Seção normativa da ITU)

OTDR Optical Time Domain Reflectometer (Reflectômetro óptico no domínio do tempo)

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 13

1.1 ACONTECIMENTOS HISTÓRICOS E JUSTIFICATIVA 13

1.2 OBJETIVOS 15

1.2.1 OBJETIVO GERAL ... 15 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15 1.2.3 METODOLOGIA ... 15

1.3 CONTRIBUIÇÃO DO TRABALHO 16

1.4 ORGANIZAÇÃO DOS CAPÍTULOS 16

2 COMUNICAÇÃO ATRAVÉS DA FIBRA ÓPTICA ... 18

2.1 PROPAGAÇÃODALUZ 19

2.1.1 ÍNDICE DEGRAU ... 20 2.1.2 ÍNDICE GRADUAL ... 21

2.2 FIBRAMONOMODOEMULTIMODO 21

2.3 TRANSMISSÃO 23

2.3.1 ATENUAÇÃO ... 24 2.3.2 PERDA POR REFLEXÃO (ORL) ... 25 2.3.3 PERDA POR DISPERSÃO ... 26

2.4 ESTRUTURADEREDESÓPTICAS 26

2.4.1 CONEXÕES PONTO A PONTO E PONTO-MULTIPONTO ... 26

2.5 ESTRUTURAGPON 28

2.5.1 TAXA DE TRANSMISSÃO E ALCANCE DO GPON ... 30 2.5.2 TRANSMISSORES ... 30 2.5.3 RECEPTORES ... 31

2.6 INFRA-ESTRUTURADEREDESPOM 32

2.6.1 CABOS ÓPTICOS ... 32 2.6.2 SPLITTERS ... 34 2.6.3 CONECTORES E EMENDAS ... 35

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3 ESTUDO DE CASO ... 41 3.1 EQUIPAMENTOSATIVOS 42 3.1.1 ONU ... 42 3.1.2 OLT ... 43 3.1.3 ROTEADOR ... 43 3.1.4 MÓDULO SFP ... 44 3.1.5 OTDR ... 44 3.2 ABORDAGEMPRÁTICA 45 3.2.1 TOPOLOGIAEMPREGADA ... 46 4 RESULTADOS ... 47

4.1 TESTESNOSEQUIPAMENTOSATIVOS 50 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 55

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1 INTRODUÇÃO

1.1 Acontecimentos históricos e justificativa

De acordo com Keiser (2014) até a década de 1980, o ramo das telecomunicações, em sua na maior parte, era baseado na modulação de sinais elétricos. O telégrafo foi um marco no ano de 1837, criado por Samuel Morse, onde a comunicação era baseada no envio de pulsos elétricos longos e curtos que significavam letras e números. Este modelo ficou conhecido como código Morse. Desde então o telégrafo foi aperfeiçoado, tornou-se capaz de transmitir maior quantidade de informações e o seu auge foi em 1874, onde sua capacidade de transmissão chegou a 120 bits por segundo (b/s). Posteriormente, em 1876, Alexander Graham Bell criou o primeiro modelo de telefone fixo, onde o mesmo era capaz de transmitir voz de uma forma analógica através de pares de fio de cobre, este feito gerou grande evolução no ramo, por ser eficiente e de fácil utilização.

Conforme Carvalho (2015), independente do sistema de aplicação, a taxa de transmissão máxima era 100 Megabit por segundo (Mb/s), sendo ela limitada pela distância entre repetidores na utilização de fios de cobre, e pela portadora, na utilização de rádio frequência (RF). Os meios de transmissão de dados sofreram aprimoramentos constantes, ajustes na frequência de propagação de pulsos elétricos em pares de cobre, utilização de RF, entre outros. Tais mudanças buscavam maior largura de banda e qualidade nas comunicações. O surgimento do laser em 1960 deu início a uma nova era nas telecomunicações, com a modulação de ondas ópticas (Kaiser, 2014), com frequências na ordem de 5x1014_{Hz. Na busca} por meios de propagação da luz, Kao e Hockman em 1966 desenvolveu estudos sobre a fibra óptica e sua composição, com o princípio de diminuir as impurezas do material e, consequentemente, sua atenuação, resultando na primeira fibra óptica com baixas perdas, desenvolvida em 1970.

Os avanços em tecnologias de comunicação sempre tiveram o objetivo de facilitar a vida das pessoas, propondo uma forma cada vez mais eficiente, associando velocidade com grande capacidade de envio de dados, e maior fidelidade na entrega destas informações ao receptor.

Segundo Algarra (2014), as redes de pares de cobre permitem entregar uma largura de banda de até 50 Mbit/s, seguindo padrões ADSL2+ (Assymmetric Digital

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Subscriber Line) e VDSL (Very-High-Bit-Rate Digital Subscriber Line) estabelecidos pela Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL), essas tecnologias supriram a demanda do usuário por um longo período. Atualmente, os usuários necessitam de larguras de banda cada vez maiores, o uso em grande escala de computadores, televisores, celulares e outros equipamentos eletrônicos forçou o homem a tomar providências para suportar esta demanda. As redes ópticas passivas (PON), tornaram-se uma alternativa viável para atender tais exigências. Através da modulação da luz em uma fibra óptica, é possível fornecer ao usuário uma ótima experiência em relação ao acesso à internet, com qualidade e velocidade, independente da distância em que o mesmo se encontra em relação ao provedor responsável por fornecer a conexão com a internet.

Estudos indicam que redes Fiber To The Home (FTTH) são uma das melhores soluções para estabelecer a conexão e fornecer maior largura de banda ao cliente. Isso ocorre, pois, sua estrutura é composta de equipamento óptico que permite o transporte de grande quantidade de informação através de pulsos de luz em distâncias extremamente longas e sem risco de perda de dados ou queda de sistemas (CASTILLO, 2013). O estudo de Saltos (2011) expressa que as redes FTTH têm inumeras vantagens com a tecnologia atual e futura, pois possuem alta capacidade de transmissão de dados e imunidade à interferências eletromagnéticas, com baixa atenuação por longas distâncias. Além disso, Calle. et al, (2015) mostra que a fibra óptica é um dos condutores de informações mais importante, eficiente e seguro nos dias de hoje. Outra vantagem é em relação ao peso e tamanho de sua estrutura, facilitando a manipulação e instalação.

As redes ópticas passivas (PON), são altamente eficazes quando se trata de comunicação entre pontos distantes, conforme normatização ITU-T G.984.6 da União Internacional de Telecomunicação (ITU), é possível estender redes até 60km de distância com a tecnologia GPON (Gigabit Passive Optical Network), sem precisar de equipamentos para amplificar o sinal no percurso. Chacón. et al, (2014) apresentam as estruturas GPON, sendo uma das mais novas tecnologias atraentes no ramo das telecomunicações, com equipamentos ópticos em sua infraestrutura que suportam tráfegos superiores a 1 Gbit/s, permitindo também o compartilhamento de apenas uma única fibra, para aplicação de serviços triple play (Ethernet, Voip e Internet Protocol Television - IPTV).

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Para a instalação de uma rede óptica é necessário tomar alguns cuidados, entre eles estão: a certificação do enlace que torna-se indispenssável para se ter controle da estrutura como um todo e os índices de atenuação, reflexão e outros, pois podem afetar o desempenho da rede caso não estejam de acordo com as recomendações da ITU-T série G.984.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo Geral

O presente trabalho tem como objetivo geral, apresentar o conjunto de elementos que compõe uma rede de fibra óptica FTTH, com ênfase na aplicação da tecnologia GPON. Mostrar os principais fatores físicos que influenciam no funcionamento do sistema e o quanto é confiável essa tecnologia.

1.2.2 Objetivos Específicos

• Mostrar os modelos de fibra óptica;

• Apresentar as vantagens da aplicação de redes de fibra óptica; • Apontar as principais características de redes PON;

• Definir os pontos principais necessários para transmissão de dados; • Esclarecer como é a estrutura GPON;

• Apresentar modelos de topologias de rede óptica;

• Montar uma estrutura de rede similar com a aplicação de provedores no dia-a-dia;

• Verificar o quanto é confiável a tecnologia GPON através de aplicação pratica de uma rede óptica FTTH.

1.2.3 Metodologia

O presente trabalho apresenta um estudo bibliográfico sobre comunicações através da fibra óptica e aplicação prática de um sistema FTTH montado em

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bancada. Tendo como referencial teórico, livros, artigos e catálogos de fabricantes, os quais abordam fundamentos para aplicação de redes ópticas.

O trabalho aborda ensaios práticos com rede óptica FTTH, onde estes, contemplam eventos com altas perdas, dadas por atenuação e reflexão na rede óptica. A partir de tais eventos, busca-se compreender qual é o nível de confiabilidade do sistema GPON. Para obter os parâmetros da rede óptica passiva, utiliza-se o equipamento smartOTDR, e para a aquisição das informações de transferência de dados é utilizado os próprios equipamentos ativos da rede, os quais serão descritos no desenvolvimento do trabalho.

1.3 Contribuição do trabalho

Este trabalho contempla uma análise bibliográfica de conceitos técnicos relacionados à redes de fibra óptica, onde as principais contribuições são:

• Estudo da bibliografia de comunicações através da fibra óptica; • Apresentar arquiteturas de redes FTTH e seus benefícios;

• Analise da tecnologia GPON, apresentando suas vantagens e limitações em sua aplicação.

1.4 Organização dos capítulos

O segundo capítulo apresenta toda a revisão bibliográfica sobre fibras ópticas, quais os modelos, suas características e aplicação. É abordado os fundamentos da transmissão de dados sobre a fibra óptica, mostrando os tipos de conexões, modelos de divisores ópticos, transmissores e receptores, além de apresentar a arquitetura de uma rede GPON e as topologias de redes que podem ser usadas.

No capitulo três é apresentado um exemplo prático de uma rede GPON montada em bancada, com estrutura FTTH, levando em consideração distâncias, níveis de atenuação e reflexão que obedecem às recomendações da ITU-T, e outro caso, onde estes fatores não respeitam as recomendações.

No capitulo quatro é apresentado os resultados obtidos nos experimentos realizados em bancada. Destaca-se a confiabilidade na tecnologia GPON.

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Finalmente, no capitulo cinco são apresentadas as conclusões gerais do trabalho e sugestões para trabalhos futuros.

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2 COMUNICAÇÃO ATRAVÉS DA FIBRA ÓPTICA

O presente trabalho aborda a fibra óptica como sendo o meio de transporte de dados. Dentro do ramo das telecomunicações existem inúmeros modelos de comunicação, diferentes materiais e equipamentos destinados para estes fins. Para que o sistema como um todo funcione de maneira similar, foram criados protocolos. O modelo OSI divide o processo de comunicações em sete camadas, as quais, os protocolos são baseados. A criação deste modelo teve como objetivo, padronizar componentes de rede, possibilitar a comunicação de diferentes tipos de hardwares e softwares, e também evitar que modificações feitas em uma camada afetem outra. A Figura 1 mostra a estrutura do modelo OSI.

Figura 1 - Camada Camadas do modelo OSI.

Fonte: (tecnodicasdeti.com.br. Acesso em: 20 abr. 2020)

A fibra óptica pertence a camada física do modelo OSI, responsável pelo transporte de bits, através de sinais de luz.

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2.1 PROPAGAÇÃO DA LUZ

Para dar início ao estudo de fibras ópticas, é preciso entender os princípios físicos do material. Conforme Keiser (2014), pode-se afirmar que qualquer meio de telecomunicação faz uso de energia pertencente ao espectro eletromagnético para transmitir sinais. Vale lembrar que a combinação dos campos elétricos e magnéticos, formam a energia eletromagnética, que inclui ondas de rádio, micro-ondas, luz infravermelha, luz visível, luz ultravioleta, raios X e também raios gama. A região do espectro eletromagnético ocupado para comunicação por fibras ópticas, é a região da luz infravermelha, como pode ser visto na Figura 2.

Figura 2 - Espectro de radiação eletromagnética.

Fonte: Keiser (2014)

A utilização de fibras ópticas envolve emissão, transmissão e a detecção de luz, pelo meio físico, cuja composição é de sílica, tratando-se de fibras ópticas convencionais. A propagação de um feixe de luz é dada através de um meio dielétrico, pelo princípio da reflexão e refração. A velocidade da luz no vácuo é aproximadamente 3x108 _{m/s, porém todo material condutor de luz possui um índice} de refração, onde o mesmo implica na diminuição da velocidade de propagação, conforme mostrado na Equação (01):

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n = c/s

(01). Onde:

n – índice de reflexão;

c – velocidade da luz no vácuo ( 3 x 108_m/s); s – velocidade da luz no material dielétrico.

2.1.1 Índice Degrau

Conforme a lei de Snell, para que o material dielétrico guie o feixe de luz, este deve ter menor índice de refração se comparado com o meio externo. No caso da fibra óptica, o índice degrau é a casca. O fenômeno físico que explica a propagação da luz na fibra óptica é contemplado na lei de Snell, conforme Equação (02) abaixo:

n1.sen(

ø

1)

=

n2.sen(

ø

2) (02). Onde:

n1 – Índice de refração do meio condutor; n2 - Índice de refração do meio externo;

ø

1 – Ângulo do feixe incidente;

ø

2 – Ângulo do feixe refratado.

Na Figura 3 é ilustrado o fenômeno de reflexão e refração da luz em um determinado material. Se o feixe de luz tiver ângulo de incidência menor ou igual ao ângulo crítico que é dado em relação ao eixo y, parte dessa potência luminosa é dispersa no exterior do material, através do fenômeno de refração. Uma vez que, o ângulo de incidência do feixe de luz é maior do que o ângulo crítico, teremos o fenômeno de reflexão total. Pode-se dizer que assim não existe dispersão da luz, tendo melhor aproveitamento do potencial luminoso.

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Figura 3 - Representação do ângulo crítico e reflexão interna total em uma interface vidro-ar, onde n1 é o índice de refração do vidro.

2.1.2 Índice Gradual

Nas fibras com índice gradual, o núcleo não é homogêneo, dessa forma o índice de refração varia. Os modelos de fibra óptica com essa característica proporcionam maiores larguras de banda, porém sua produção é mais difícil já que seu núcleo possui dimensões menores e menos impurezas se comparado aos demais (KEISER, 2014).

2.2 FIBRA MONOMODO E MULTIMODO

A fibra óptica de modo geral é um material dielétrico, onde nos modelos mais comuns seu núcleo é de vidro composto por sílica com alta pureza. Por mais que existam diversos tipos de fibra óptica, a sua estrutura geral é formada por um núcleo rodeado por uma casca cuja finalidade é justamente minimizar os efeitos de dispersão da luz e também aumentar a resistência mecânica (KEISER, 2014). Na parte externa existe também uma capa de proteção e sustentação, conforme Figura 4.

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Figura 4 - Estrutura de uma fibra convencional de sílica.

Existem dois tipos de núcleo de fibra, um deles é encontrado na fibra monomodo, que propaga o feixe de luz em apenas um modo, e é utilizado para comunicação entre longas distâncias e alto tráfego de dados. A fonte de luz utilizada para esse modelo de fibra é o diodo laser, que tem como característica uma maior potência luminosa, porém sua vida útil é menor se comparada com diodos emissores de luz (LEDs), (KEISER,2020). Suas dimensões conforme padrão G.984.1, são 125 μm na casca e 8-12 μm no núcleo. Devido ao seu núcleo pequeno, requer técnicas mais complexas para realizar conexões e uso de equipamentos mais caros, agregando aumento de custo em sua implementação.

Outro tipo de núcleo é encontrado nas fibras multimodo. Esse modelo é usado para transportar baixo trafego de dados, já que permite comunicação por apenas algumas centenas de metros. Além de sofrer dispersão intermodal, dada pela consequência da diferença de velocidade entre os vários modos de incidência dos raios luminosos na fibra. As vantagens em seu uso, são dadas pela facilidade de conexões e o emprego de LEDs como fonte de luz, influenciando em baixo custo de implementação.

O modo de propagação da luz em cada modelo de fibra óptica e tamanho físico é visto na Figura 5. Nota-se que as diferença entre as fibras monomodo e multimodo são dadas pela espessura do núcleo e do índice de refração (KEISER, 2020).

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Figura 5 - Comparação entre fibra monomodo e multimodo.

2.3 TRANSMISSÃO

Conforme Keiser (2014), em sistemas de telecomunicações é fundamental sabermos a potência do sinal de saída da fonte de luz, e também a potência do sinal na chegada ao destino desejado. Dessa maneira é possível contabilizar as perdas no caminho. Em circuitos elétricos as perdas de modo geral são dadas pelo aquecimento do condutor na passagem de corrente elétrica. No entanto em sistemas de comunicação por fibras ópticas as perdas de potência são dadas devido a atenuação no meio, sendo ela por impurezas em seu núcleo, e também absorção ou espalhamento da luz no material de composição da fibra.

A maneira como é medido o sinal luminoso em fibras ópticas é dada pela razão entre potência de saída e potência de entrada. Como as perdas em um sistema de fibra óptica são de forma exponencial, o método mais conveniente adotado para medir essa grandeza é dado pelo logaritmo das potências medidas em decibéis (dB). A unidade dB é definida pela Equação (03) abaixo:

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dB = log 10 * (P2/P1) (03).

Onde P1 e P2 são as potências de saída da fonte luminosa e a potência lida pelo receptor, consecutivamente. É utilizada a unidade dB para tornar mais simples a leitura das grandezas de potência, sendo possível comparar números grandes mais facilmente.

Tratando-se de transmissão de dados através da fibra óptica, os principais fatores a serem levados em conta no enlace óptico são: atenuação do material, perda por reflexão (ORL) e dispersão.

2.3.1 Atenuação

Atenuação em um enlace óptico, expressa em dB/Km, varia dependendo da distância percorrida pelo feixe de luz na fibra óptica, diminuindo a potência do sinal de luz. Essa perda é causada pelas impurezas existentes no material condutor.

De acordo Keiser (2014), em 1980 a produção da fibra óptica teve melhorias, passou a ter menos impurezas em seu núcleo, permitindo o uso de comprimentos de onda longos, na faixa entre 1.260-1.675nm, com baixas perdas. Porém, algumas impurezas ainda existiam no vidro, proporcionando outro grau de absorção na faixa de 1400nm. Com base nos índices de absorção do material condutor de luz, foram criadas faixas de comprimento de onda, chamadas janelas de baixa atenuação, tendo como referência em 850nm a primeira janela, 1310nm e 1550nm fazendo parte da segunda e terceira janela consecutivamente. Na Figura 6, é possível observar as três janelas de baixa perda, para uso da comunição por fibras ópticas.

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Figura 6 - Atenuação x comprimento de onda em fibra ópticas.

2.3.2 Perda por Reflexão (ORL)

De acordo com Loepper (2013), nos enlaces ópticos, são necessárias inúmeras junções da fibra óptica, estas podem ser feitas através de fusão, e em casos onde as conexões são manuseadas continuamente, as emendas são feitas através de conectores. A passagem da luz pela interface ar-vidro, encontrada em junções onde as duas interfaces da fibra óptica não estão em contato físico direto, o sinal luminoso sofre com perdas de reflexão (ORL) obtido pela Equação (04) abaixo:

ORL = 10 log10 Po/Pr (04).

Dado o valor do ORL na unidade dB, onde Po é a potência de entrada e Pr seria a potência do sinal refletido. Conforme mostrado na Equação (03), quanto menor a potência refletida, maior será o ORL.

Em redes ópticas, busca-se sempre valores de ORL elevados, o que representa ótimas conexões. Para o bom funcionamento de uma rede PON, os valores de ORL devem ser maiores que 32dB, conforme recomendações.

Altos níveis de reflexão em um enlace óptico podem causar diversos problemas para o sistema. Um dos fatores prejudicados é o aumento do ruído de transmissão, piorando a relação de sinal-ruído e, dessa forma, afetando o número

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de erros por bit (BER - Bit Error Rate) na transmissão de dados. Outro ponto que pode ser afetado é a fonte emissora de luz, influenciando na perda de potência e até mesmo o comprimento de onda, em casos extremos ocasiona danos ao transmissor (LOEPPER, 2013).

2.3.3 Perda por Dispersão

Levando em conta apenas fibras monomodo, existe a dispersão no guia de onda, dado pela distribuição da potência do feixe de luz entre a casca e o núcleo da fibra, onde os dois extremos possuem índices de refração diferentes. Este efeito pode causar alteração no comprimento de onda de propagação e também aumentar o BER.

2.4 ESTRUTURA DE REDES ÓPTICAS

2.4.1 Conexões Ponto a Ponto e Ponto-Multiponto

Pode-se dizer que dentro de um sistema formado por redes FTTH, existem duas topologias de rede, com conexões ponto a ponto e ponto-multiponto. São modelos aplicados conforme a necessidade do usuário.

Em conexões ponto a ponto, existe uma fibra dedicada para cada usuário, ou seja, uma conexão direta do provedor do serviço até o cliente. Essa topologia tem custo elevado para o provedor, pois necessita quantidade maior de portas em seu switch, e também maior número de fibras dentro dos cabos para poder atender mais clientes. Para um provedor que tem grande demanda de conexões ponto a ponto, implica no aumento do consumo de energia elétrica, já que, o número de equipamentos como switch e climatizadores de ar é maior. Conexões desse tipo são aplicadas para usuários que necessitam de tráfegos acima de 1Gb/s (CARVALHO, 2015).

Com a criação de novas tecnologias para PON, tornou possível conexões ponto-multiponto, capazes de atender vários clientes com apenas uma única fibra óptica. A utilização de redes ponto-multiponto passivas não necessita de elementos ativos entre a central e o usuário, além de exigir menor número de fibras nos cabos

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que estruturam a rede (Backbone), influenciando no baixo custo de sua implementação.

A Figura 7 ilustra como é feita uma conexão ponto-multiponto e ponto a ponto.

Figura 7 - Conexão ponto-multiponto e ponto a ponto.

Fonte: (FTTH COUNCIL EUROPE, 2018)

De acordo com Cardoso (2015), uma rede PON funciona juntamente com tecnologias padronizadas através de protocolos específicos, criados para controlar o acesso de vários usuários conectados à mesma rede através da divisão de slots de tempo para comunicação de cada cliente.

Em sistemas com a tecnologia PON, é instalado na central do provedor o equipamento chamado OLT (Optical Line Terminal), que se comunica com outro equipamento com o nome ONT (Optical Network Terminal), instalado na casa do cliente. O controle de banda é feito de duas formas, uma delas é onde o trafego acontece com comprimento de onda de 1490nm da OLT sentido ONT (downstream). Onde todas ONTs recebem os dados enviados pela OLT, as informações são filtradas com base em um identificador (ID), selecionando apenas o tráfego destinado para aquela ONT.

O tráfego de dados no sentido ONT para a OLT, é dado com upstream, utilizando o comprimento de onda 1310nm. A OLT controla o sinal de retorno através de intervalos de tempo, atribuindo para cada ONT um determinado tempo para se comunicar.

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Para aplicações de voz e dados, os comprimentos de onda usados são 1490nm para downstream e 1310nm para upstream. Para aplicações de vídeo, usado em canais de TV digital, o comprimento de onda é 1550nm no sentido downstream, já que só envia dados aos usuários.

A Figura 8 mostra a dinâmica de intervalos de tempo atribuídos para as ONTs, em um sistema com mais de um usuário.

Figura 8 - Tecnologia PON, gerenciamento Downstream e Upstream.

Dentre as tecnologias atuais para redes PON, existe a tecnologia GPON, a qual é abordada neste trabalho, sendo normatizada pela ITU série G.984.

Provedores de internet e inúmeros prestadores de serviços, tem adotado em suas redes de fibra óptica o GPON, por fornecer largura de banda de 1,25 Gb/s de upstream e 2,5 Gb/s de downstream, atendendo a demanda atual em muitas regiões, permitindo também a ativação de 128 clientes em apenas uma fibra na saída da OLT (CARDOSO, 2015).

As principais recomendações para elaboração de projetos de redes GPON, são abordadas pela ITU-T G.984.1 (características gerais da rede), e G.984.2 (especificação da camada física).

2.5 ESTRUTURA GPON

A arquitetura geral de uma rede FTTH com a tecnologia GPON, é dada pela Figura 9, partindo da OLT instalada na central do provedor, até o usuário final onde é instalada a ONT.

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Figura 9 - Configuração de referência para GPON.

Fonte: ITU-T G984-1 (2008).

De acordo com as recomendações da ITU-T G.984-1 e G.984-2, a arquitetura de uma rede GPON, é composta pelos seguintes elementos:

• ONU: Optical Network Unit – Nomenclatura designada para ONT que atende a mais de um cliente, como exemplo um condomínio;

• ONT: Optical Network Terminal – Equipamento que realiza a conversão eletro-óptico quando envia dados do cliente e óptico-elétrico quando recebe os dados. É instalado na casa do cliente;

• ODN: Optical Distribuition Network – É a rede óptica passiva entre a OLT e ONU, formada por conectores, emendas, splitters e cabos ópticos;

• OLT: Optical Line Terminal – Equipamento instalado na central do provedor de serviço, responsável pelo gerenciamento de dados da rede PON;

• R/S – São conectores ópticos ou emendas;

Conforme a necessidade do usuário, alguns elementos não são utilizados:

• Filtro WDM – É um filtro passivo utilizado para inserir comprimentos de onda para sistemas de vídeo, ou também para adaptar o sistema GPON de maneira que passa operar sistemas anteriores ao GPON;

• NE: Network Element – Elemento de rede que utiliza um comprimento diferente da ONU/ONT e OLT. Pode ser usado para vídeo analógico;

• AF: Adaptation Function – Função de adaptação (às vezes, pode ser incluída na ONU).

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2.5.1 Taxa de Transmissão e Alcance do GPON

De acordo com indicações da ITU-T G.984-1, o GPON busca atender os padrões de transmissão downstream/upstream, com velocidades de 2,5 Gb/s e 1,25 Gb/s respectivamente.

Tratando-se de distância entre OLT e ONT, existem três parâmetros a serem levados em conta, de acordo com recomendações G. 984-1. Estes são:

• Alcance lógico – Definido como 60 km. Distância máxima entre ONU/ONT e OLT, não levando em consideração limitações da camada física

• Alcance físico – Definido como 20 km. Distância física máxima entre a ONU/ONT e a OLT, no GPON, levando em conta perdas no pecuso da fibra óptica como emendas e divisores ópticos.

• Alcance diferencial – Definido como 40 km para GPON. Dado pela Diferença de distância entre a ONT/ONU mais próxima e mais distante da OLT. De acordo com G.984.7, foram feitos testes em implantação de redes com esse perfil, onde obteve-se eficiência no sistema PON.

2.5.2 Transmissores

Os transmissores são classificados como componentes ativos do sistema, são acoplados na ONU e OLT, com a função de emitir luz de um extremo ao outro, formando o enlace óptico.

De acordo com recomendação ITU-G.984.2, existem cinco classes de transmissores (Classe A, Classe B, Classe C, Classe B+ e Classe C+), para cada uma delas são estimas potências mínimas e máximas do sinal luminoso em dB, estes valores não são precisos pois variam dependendo da temperatura de operação do equipamento. Os Quadros 1 e 2 apresentam os valores máximos e mínimos dos transmissores para OLT e ONT/ONU sucessivamente, estes especificados pela recomendação G.984.2.

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Quadro 1 - Potência média máxima e mínima dos transmissores da OLT GPON Classe do ODN - OLT Potência Mín. de Transmissão (dBm) Potência Max. de Transmissão (dBm) Classe A 0 4 Classe B+ 1,5 5 Classe C+ 3 7 Fonte: ITU-T G.984.2

Quadro 2 - Potência média máxima e mínima dos transmissores da ONT/ONU GPON

Classe do ODN - ONT Potência Mín. de Transmissão (dBm) Potência Max. de Transmissão (dBm) Classe A -3 2 Classe B+ 0,5 5 Classe C+ 3 7 Fonte: ITU-T G.984.2 2.5.3 Receptores

Para garantir um enlace óptico é preciso atender as especificações tanto do transmissor, quanto do receptor. Existem duas variáveis que devem ser levadas em consideração na escolha de receptores, que são a potência mínima na entrada do receptor, caracterizada como sensibilidade e a potência óptica de saturação, dada como o máximo de sinal suportado pelo receptor. Os Quadros 3 e 4 apresentam os valores máximos e mínimos dos receptores para OLT e ONT/ONU sucessivamente, estes especificados pela recomendação G.984.2.

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Quadro 3 - Potência de saturação e sensibilidade dos receptores para OLT GPON Classe do ODN - OLT Potência Mín. de Transmissão (dBm) Potência Max. de Transmissão (dBm) Classe A -3 -24 Classe B+ -8 -28 Classe C+ -10 -32 Fonte: ITU-T G.984.2

Quadro 4 - Potência de saturação e sensibilidade dos receptores para ONT/ONU GPON

Classe do ODN - ONT Potência Mín. de Transmissão (dBm) Potência Max. de Transmissão (dBm) Classe A -1 -21 Classe B+ -8 -28 Classe C+ -10 -30 Fonte: ITU-T G.984.2

2.6 INFRA-ESTRUTURA DE REDES POM

O planejamento de uma rede passiva óptica, começa pela análise do número de clientes que serão atendidos e a dimensão em termos de distância que os cabos ópticos irão alcançar. Define-se também qual será o método de instalação dos cabos, podendo ser subterrâneo ou fixado em postes, que é o caso de uma rede de distribuição elétrica rural, onde a distância percorrida pelo sinal luminoso é longa.

Tendo em vista os números de clientes e localização da central de serviço e clientes, é possível dimensionar os elementos passivos da rede.

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Em aplicações de redes aéreas de distribuição, os cabos são expostos ao tempo, exigindo uma proteção contra água e temperatura ambiente, além da necessidade de suportar tração conforme a distância entre pontos de fixação, variam entre 80m e 110m. De acordo com Furukawa (2020), um dos cabos que correspondem aos requisitos é o cabo óptico dielétrico CFOA-SM-AS120-RA 12F (Cabo de Fibra óptica – Fibra monomodo – Alto Sustentado para 120m – Contendo 12 fibras), composto por um tubo com geléia para acomodação das fibras, elemento de tração dielétrico e capa protetora de termoplástico, conforme Figura 10.

Figura 10 - Cabo de fibra óptica (AS120-12F).

Fonte: (Furukawa, 2020)

Conforme a necessidade, existem modelos de cabos compostos por maior número de fibras em seu interior, e também com afastamento máximo entre postes de 200m, satisfazendo casos onde os vãos de ancoragem de cabos ultrapassam 120m.

Para realizar instalações de acesso final de clientes é preciso utilizar um cabo constituído de apenas uma fibra, com tamanho reduzido em sua área externa de proteção. A fabricante Furukawa produz um modelo de cabo drop, para aplicação entre caixas terminais e o cliente, conhecido como Drop Fast Compacto, de acordo com a Figura 11. A distância máxima entre vão para esse modelo de cabo é de 80m, conforme características técnicas.

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Figura 11 - Drop Fast Compacto

Fonte: (Furukawa, 2020).

2.6.2 Splitters

Conforme já abordado, o sistema GPON é capaz de atender 128 clientes com apenas uma fibra saindo da OLT, no entanto é necessário o uso de elementos divisores de sinal óptico, chamados de splitters. Existem splitters do tipo balanceado, onde o feixe de luz é incidido em uma fibra de entrada e é dividido de forma igualitária em suas diversas saídas. A estrutura de um splitter é apresentada na Figura 12.

Figura 12 - Estrutura de um splitter.

Fonte: (FTTH COUNCIL EUROPE, 2018).

Na medida que o número de saídas de um splitter aumenta, sua perda somada ao sistema também aumenta. No Quadro 5, é especificado as características técnicas dos splitters balanceados (Furukawa, 2020).

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Quadro 5 - Especificações técnicas de splitters balanceados.

Modelos 1x2 1x4 1x8 1x16 1x32 1x64

Perda de Inserção Máx. (dB) Desconsiderar perdas das conexões

3,7 7,1 10,5 13,7 17,1 20,5

Uniformidade (dB) 0,5 0,6 1 1,3 1,5 1,7

Perda de Retorno (dB) >55

Fonte: (Furukawa, 2020).

Existem também os splitters desbalanceados, estes têm uma fibra de entrada e duas fibras de saída, onde as mesmas dividem o sinal de forma assimétrica, ou seja, as saídas possuem porcentagens diferentes da potência do sinal, podendo ser aplicado conforme a necessidade (Furukawa, 2020). No Quadro 6, é apresentado as especificações técnicas dos splitters desbalanceados.

Quadro 6 - Especificações técnicas de splitters desbalanceados.

Modelos 1/99 2/98 5/95 10/90 20/80 25/75 30/70 40/60

Perda de Inserção Máx. (dB)

Desconsiderar

perdas das conexões

21,6 X 0,30 18,7 X 0,4 14,6 X 0,5 11,0 X 0,7 7,9 X 1,4 6,95 X 1,,7 6,0 X 1,9 4,7 X 2,7 Perda de Retorno (dB) >55 Fonte: (Furukawa, 2020). 2.6.3 Conectores e Emendas

No percurso de redes PON, para realizar a união da fibra óptica em cada derivação, fim de cabo ou conexão com o equipamento ativo na casa do cliente, é preciso conectores e acopladores, ou então realizar fusão para emendar a fibra.

Em processos de utilização de conectores, é exigida a combinação de conector/acoplador/conector, onde o acoplador contém uma luva de acomodação e

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alinhamento para os conectores. Para fazer uma conexão de qualidade, os dois extremos dos conectores devem estar alinhados perfeitamente, de maneira a evitar perdas por espalhamento da luz ou reflexão, quando uma parte do sinal luminoso emitido pela fonte é refletido de volta para a mesma (FTTH COUNCIL EUROPE, 2018).

Existem diversos modelos de conectores, a escolha entre um ou outro depende do ambiente de utilização e das perdas desejáveis no acoplamento. Na junção de fibras ópticas são geradas perdas de retorno (ORL), que são a quantidade de luz refletida de volta para a fonte, medida em dB.

Em termos de ORL, quanto maior a perda menor será a reflexão. Para minimizar esses efeitos são desenvolvidos diferentes polimentos na ponteira do conector, onde é guiado o feixe de luz. Conectores com polimento convexo (PC), apresentam perdas por contato físico que variam entre 35 e 50 dB. Outros modelos de conectores utilizam contato físico angular (APC), formando ângulo de 8 ou 9 graus com relação ao eixo da fibra, estes representam perdas entre 60 e 90 dB. A Figura 13 mostra os modelos de polimento PC e APC.

Figura 13 - Polimento PC e APC.

A vantagem na utilização de conectores APC, é devido ao menor índice de reflexão nas conexões, conforme mostrado na Figura 14. Em verde o sentido do feixe de luz, e em vermelho o feixe refletido.

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Figura 14 - Reflexão em conectores PC e APC.

As perdas de sinal luminoso na fibra óptica são dadas devido ao material do seu núcleo, resultando na atenuação conforme o comprimento da fibra. Podem também ser originadas a partir de conexões como já citado, devido a reflexos entre as faces e desalinhamento entre os eixos das fibras, o mesmo caracterizado como perda de inserção (IL). O cálculo para perdas IL, é definido pela relação entre a potência luminosa antes e depois da conexão, onde os valores típicos giram em torno de 0,1 e 0,5dB. Na Figura 15 é possível notar que o núcleo da fibra está desalinhado.

Figura 15 - Perda por inserção em núcleos desalinhados.

As perdas de inserção, são resultados de emendas com o núcleo desalinhado, que implica em grandes atenuações se tratando de uma rede que requer inúmeras conexões. Por esse motivo, as emendas devem ter a melhor qualidade possível.

Emendas de fibra ópticas também podem ser feitas através de fusão, esse processo é realizado por equipamentos sofisticados, onde se tem uma ótima precisão. Para realizar essa emenda, primeiramente a fibra é decapada, retirando sua casca protetora, em seguida é limpada com álcool isopropílico com objetivo de retirar todas as impurezas ao seu redor e cortada sua ponta com ângulo de 90 graus. Após esses procedimentos, a fibra é colocada em uma máquina, que alinha

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os núcleos e em seguida aplica um arco elétrico, unindo as duas extremidades, conforme Figura 16.

Figura 16 - Fusão através de arco elétrico.

As perdas nas emendas realizadas por fusão, podem variar de uma para outra, no entanto o valor máximo recomendado pela ITU-T 983.1 é de 0,1dB.

2.7 TOPOLOGIAS DE REDE

De acordo com Silva (2013), para manter um sistema de comunicação estável, com baixo índice de falhas no fornecimento de serviço, é de grande importância realizar um projeto contemplando qual a topologia de rede de acesso. A interligação entre a central de serviço e seus clientes pode ser feita a partir de três topologias: barramento, árvore e anel. Podem ser adotadas apenas uma destas, ou mescla-las de acordo com a necessidade.

Uma rede com topologia anel é montada de maneira que cada terminal tenha conexão por duas vias, formando um círculo. Se caso uma via de comunicação falhar, existe outra para manter a comunicação do sistema. Na Figura 17 a baixo, ilustra um sistema PON, onde existem duas saídas da OLT para conexão das demais ONU’s, formando um anel.

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Figura 17 - Topologia anel.

Fonte: (SILVA, 2013)

Em redes onde são utilizadas topologia estrela ou árvore, é definido apenas uma saída principal da central (OLT), nesse cabo são feitas ramificações para atender clientes, permitindo novas derivações a partir destas através de elementos passivos como splitters. Na Figura 18 é apresentado um exemplo de topologia estrela aplicado para redes PON.

Figura 18 - Topologia estrela.

Para topologia de rede em barramento, é realizada a instalação de um cabo principal no decorrer da rede, caracterizado como barramento principal, onde são feitas derivações a partir desse, conforme mostrado na Figura 19.

Esse tipo de topologia é empregado em redes com grande comprimento, onde no decorrer do caminho são conectados poucos clientes. O que se mostra vantajoso nessa abordagem, é a utilização de apenas uma fibra óptica pertencente ao cabo principal.

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Figura 19 - Topologia barramento.

Segundo Silva (2013), a implantação de redes FTTH em circuitos de distribuição aéreo, independente da topologia adotada, mostra-se vantajoso, se comparado a outros meios de comunicação, pelo fato de apresentar qualidade na transmissão de dados, sem interferências externas. As larguras de banda proporcionadas pela tecnologia GPON, tornam sua aplicação atraente em redes FTTH, suprindo a atual demanda no uso de internet, voz e vídeo.

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3 ESTUDO DE CASO

Conforme apresentado por Carvalho (2015), a utilização de redes FTTH’s vem crescendo cada vez mais ao longo dos últimos anos, independente do poder aquisitivo dos provedores. A fibra óptica se tornou o meio de comunicação mais utilizado em um provedor, por sua capacidade de transmissão de dados e fidelidade. No entanto, durante a instalação da rede óptica, é necessário que todos os elementos da rede passiva estejam de acordo com as regulamentações da ITU-T, conforme já visto nos capítulos anteriores.

Redes ópticas certificadas proporcionam aos usuários melhor qualidade de serviço. É de suma importância planejar uma rede pensando a longo prazo, padronizando cada elemento, tomando como exemplo qualidade da fibra, conexões, divisores ópticos, transmissores e receptores, pois estes fatores podem ocasionar eventos não desejados na rede.

Através de testes em bancada, envolvendo fatores como distância, nível de sinal nos equipamentos, qualidade de conexões e nível de reflexão da rede, serão abordados alguns casos típicos de instalações que podem prejudicar o sistema. Os testes contemplam tempo de resposta durante a transmissão de dados entre o equipamento ONU e roteador, quantidade de erros durante o transporte, oscilação da conexão e entrega real de banda ao usuário. O experimento tem como objetivo, mostrar até que ponto a camada física de um enlace óptico afeta a transmissão de dados entre usuário e central de um provedor.

Os testes foram feitos em rede óptica estruturada em bancada, com divisores ópticos balanceados, instalados com topologia estrela. As conexões entre splitters e a fibra, foram todas feitas através de conectores com polimento do tipo APC (Angled Physical Contact) e UPC (Ultra physical Contact) acoplados com alinhador óptico. Foram realizados experimentos alternando entre modelos de conectores, dessa forma é possível variar a atenuação da rede e níveis de reflexão, simulando conexões deficientes no percurso da fibra.

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3.1 EQUIPAMENTOS ATIVOS

São considerados equipamentos ativos de uma rede PON, todos elementos responsáveis por emitir luz para o sistema. No caso de redes GPON, essa energia aplicada na rede são pulsos luminosos emitidos através das ONUs e OLTs, ou também por equipamentos de medição, como o OTDR e Powermeter. Os elementos ativos utilizados no experimento serão listados logo a seguir.

3.1.1 ONU

A ONU utilizada para os testes é do fabricante brasileiro Parks, no modelo Fiberlink 101 GPON. O modelo disponibiliza uma porta Ethernet e uma interface óptica SC/APC, conforme Figura 20 abaixo.

Figura 20 - Modelo de ONU.

Fonte: (Parks, 2020)

Especificações técnicas do equipamento, (Parks, 2020): - GPON de acordo com ITU-T G.984;

- Comprimento de onda de 1490nm (downstream) e 1310nm (upstream); - Taxa de dados de 2.488 Gbit/s dowlink/1.244 Gbit/s uplink;

- Sensibilidade de recepção: -8dBm à 28dBm (+- 3dBm); - Potencia de transmissão: 0.5 à +5dBm.

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3.1.2 OLT

O modelo de OLT utilizado nos testes foi a Fiberlink 30028 do fabricante Parks, com 8 interfaces GPON compatíveis com ITU G.984, 8 interfaces Gigabit Ethernet elétricas (GE) e duas portas 10 Gigabit Ethernet ópticas, conforme mostrado na Figura 21. Esse modelo permite ativar 128 clientes por porta, totalizando 1024 somando suas 8 portas.

Figura 21 - Modelo de OLT Fiberlink 30028

Este modelo de OLT tem capacidade de alcance estendido em suas interfaces ópticas, de até 100Km. Esse parâmetro vai variar de acordo com a potência do transmissor acoplado na OLT e também da atenuação do ODN.

3.1.3 Roteador

O equipamento CCR1072 do fabricante Mikrotik, conforme Figura 22, conta com processador de 72 núcleos de 1GHz, 16GB de memória RAM, 8 portas SFP com capacidade 10Gb.

Figura 22 - Roteador CCR1072.

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Este equipamento faz parte da camada 3 do modelo OSI, sua função é tratar toda a informação lógica da rede. É instalado após a OLT, responsável por processar toda informação vinda da rede interna do provedor e encaminha-las para a rede externa, ou seja, fazer a conversação entre cada usuário com a própria internet ou vice-versa.

3.1.4 Módulo SFP

O modulo SFP (Small Form Pluggable) é um transceptor óptico utilizado nas nas redes PON. O modelo de transceiver utilizado no experimento é de classe C+, do fabricante Parks. Tem capacidade de transmitir até 20Km de distância, no comprimento de onda 1490nm dowstrean e 1310nm upstrean. Sensibilidade de retorno de -30dB e potência do laser variando entre 3 a 7dB, de acordo com a temperatura de operação. O modelo de SFP usado é apresentado na Figura 23.

Figura 23 - Modelo de SFP classe C+.

3.1.5 OTDR

O SmartOTDR-E136FB (VIAVI,2020), mostrado na Figura 34 a seguir, é um equipamento de alta performance, fornece inúmeros recursos para testes em redes PON. É capaz de medir intensidade do sinal recebido pela fibra, medir comprimento de fibra, detectar atenuação na rede, entre outros recursos. Este equipamento contem a função FTTH, utilizada nos experimentos, que através de pulsos gerados no comprimento de onda 1625nm é capaz de medir todos os eventos vistos pela ONU em uma rede ativa, descrevendo cada um destes eventos e montando um resumo da estrutura da PON.

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Figura 24 - SmartOTDR

Fonte: (Viavi, 2020)

3.2 ABORDAGEM PRÁTICA

O experimento foi elaborado, com objetivo de montar uma estrutura de rede óptica similar à aplicação de provedores no dia-a-dia. Foram utilizados materiais e equipamentos específicos para montar um backbone. Para obter distâncias entre os equipamentos OLT e ONU’s, foi utilizado uma bobina de cabo auto sustentado com 12 fibras de 4120m cada, ilustrada na Figura 25.

Figura 25 - Bobina de cabo 12 fibras.

Fonte: (Prysmian, 2020)

As duas extremidades do cabo foram inseridas em um DIO (Distribuidor Interno Óptico) mostrado na Figura 26, emendado em cada fibra um cordão óptico

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seguido de um conector do tipo APC. Dessa forma podem ser emendados os terminais de cada fibra, com o intuito de obter maiores distâncias.

Figura 26 - Distribuidor interno òptico.

Fonte: (Furukawa, 2020)

3.2.1 TOPOLOGIA EMPREGADA

A topologia foi montada apenas com splitters balanceados e conectorizados, para facilitar o manuseio e alterações na rede. Optou-se por fazer o uso de sete ONUs, por motivos de espaço para instalação das mesmas e também por ser um número considerado relevante para validar os testes. Se fez necessário a criação de um croqui da rede, para ter melhor clareza na execução do experimento, o mesmo é mostrado na Figura 27.

Figura 27 - Estrutura da rede aplicada.

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Através do equipamento OTDR é possível certificar toda a estrutura de uma rede, utilizando a função FTTH. Conexões, sejam elas feitas com conectores ou fusão, splitters e demais elementos passivos da rede, são capazes de ser identificados através de pulsos de luz emitidos pelo OTDR em um determinado comprimento de onda.

A função FTTH aplica-se nas extremidades da rede óptica, ou seja, o equipamento OTDR, neste caso, é acoplado no lugar da ONU, com o objetivo de obter os parâmetros vistos pelo equipamento instalado na casa do usuário. Sabe-se que os comprimentos de onda utilizados pela OLT são 1490nm e 1550nm para downstream para aplicações de dados e vídeo consecutivamente, e 1310nm no sentido upstream, dessa forma é necessário efetuar as leituras dos eventos em comprimento de onda diferente destes citados, com o intuito de não sofrer interferência na aquisição dos dados.

4 RESULTADOS

A seguir será mostrado os testes aplicados em cada ONU, todos com comprimento de onda 1625nm e acoplado cabo de lançamento de 31m de distância, para eliminar a zona morta do OTDR, tornando os testes mais precisos. A leitura das informações contidas em cada uma das sete ONUs, apresenta todos os eventos da rede, informando a distância, perda e refletância consecutivamente, conforme Tabelas 1, 2, 3, 4, 5, 6 abaixo.

Tabela 1 - Eventos na rede óptica vistos pela ONU-1.

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Fonte: Autor

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Fonte: Autor

As ilustrações situadas ao lado de cada evento nas tabelas anteriores, são definidas por:

Conector início de fibra; Início do enlace óptico; Splitter;

Fusão (emenda feita através de fusão); Emenda entre dois conectores;

Conector fim de fibra.

Por motivo do uso de conectores nas emendas entre as fibras, como pode ser visto nas figuras anteriores, algumas conexões ficaram com perdas superiores a 0,3dB, dessa forma o OTDR por padrão setado em sua configuração, interpreta uma fusão de má qualidade com alta perda. Porém esta atenuação poder ser considerada dentro dos padrões, sendo que a conexão é feita através de conectores.

Os agrupamentos de splitters, sem envolver distância entre os mesmos, acabaram identificados como sendo um splitter de maior atenuação. Dado o exemplo de um splitter 1x2 em conjunto com splitter 1x8, este agrupamento foi definido como sendo splitter 1x16. O motivo para tal acontecimento é que, a perda

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somada pelos dois spliters em conjunto é a mesma se comparada ao splitter de maior número de saídas.

4.1 TESTES NOS EQUIPAMENTOS ATIVOS

Feitos todos os testes na rede passiva e certificado que tudo está dentro dos limites de atenuação, reflexão e potência do sinal luminoso em cada ONU, é dado andamento na parte lógica dos testes. Instalados os equipamentos ativos na rede, é possível monitorar o desempenho da transferência de dados entre ONU e OLT, através da camada de aplicação do modelo OSI feitas a partir do site fast.com, que mostra se o cliente está recebendo a banda contratada e qual a latência de sua rede. Em ambos os casos, com a rede certificada os resultados foram os esperados, banda entregue conforme contratada e baixa latência (tempo que um sinal ou pacote de dados demora para ser transmitido do usuário até o seu destino).

Visto que os testes realizados na rede óptica padronizada apresentaram ótimos resultados no funcionamento do sistema, os experimentos na rede passiva podem ser avançados.

Para provocar eventos de atenuação e reflexão na rede óptica é preciso apenas realizar a conexão entre duas fibras através de um conector do tipo APC com UPC, dessa forma os núcleos das fibras não ficam em contato direto, tornando mais difícil o feixe de luz se propagar entre a interface ar/vidro, causando reflexão no sistema e consequentemente uma atenuação. De acordo com a ITU-T G.984.6 (2008), o índice de ORL do sistema não pode ser menor 32dB para o bom funcionamento da rede PON.

Os primeiros testes foram feitos com conexões inadequadas na entrada óptica da ONU-3 e também no splitter 1x2 localizado logo após a saída da OLT, com o interesse de afetar toda rede. Os eventos causados na rede não obedeceram às recomendações da ITU-T, apresentando níveis de ORL abaixo de 32dB, no entanto o sistema permaneceu funcionando corretamente, entregando a largura de banda correta para os usuários e nenhuma oscilação na entrega de serviço.

Visto que as alterações no sistema não bastaram para afetar o funcionamento do GPON, foram inseridos na rede mais eventos, com o intuito de prejudicar a comunicação entre ONU e OLT. Como pode ser visto na Figura 28 a

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seguir, foram inseridos na rede óptica sinais luminosos provocados pelo equipamento OTDR no comprimento de onda 1310nm, simulando uma ONU com defeito no laser, emitindo luz continuamente e também intermitente, teoricamente transmitindo informação durante intervalos de tempo designados para outras ONUs. Para se ter um evento de maior grau, será acrescentado o laser de outra porta PON na saída de um dos splitters, dessa maneira o nível de reflexão em ambas as portas da OLT será elevado, já que estas transmitem no mesmo comprimento de onda 1490nm.

Figura 28 – Simulação de rede com alto incide de reflexão e laser de ONU intermitente.

Fonte: Autor

A Tabela 8, mostra os eventos vistos pela ONU-3. Devido à alta reflexão no evento 3, o próprio equipamento OTDR deixou de mostrar algumas atenuações na rede.

Tabela 8 - Refletância vista pela ONU-3.

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Visto que a rede passiva está com parâmetros críticos de atenuação e reflexão, parte-se para análise lógica do sistema. Sabendo que a estrutura óptica está sofrendo interferências muito relevantes em sua camada física, o esperado é que as demais camadas sejam afetadas por estes sinistros.

Os mesmos testes realizados com a rede padronizada, foram feitos na rede com níveis críticos de reflexão. As aquisições dos dados surpreenderam com resultados positivos que a rede apresentou. Através do centro de comandos do Windows (CMD), é possível usar o comando ping, para tornar possível medir o tempo de resposta ao enviar um pacote de dados do computador em uso para outros dispositivos conectados na rede local ou internet, neste caso será o roteador com o endereço de IP 10.0.0.1. Em conjunto com o comando ping, foram feitos testes de velocidade no fast.com, para certificar caso tenha perda de pacotes ou alta latência na rede. Apresentado na Figura 28 os testes simultâneos realizados.

Figura 28 - Teste de velocidade e ping.

Fonte: Autor

Durante o teste de velocidade da internet, nota-se um aumento no tempo de resposta ao enviar pacotes de dados para o IP 10.0.0.2. Este incremento de alguns milissegundos é decorrente do momento em que é realizado o teste de velocidade de upload, considerado normal para qualquer que seja a rede. A largura foi entregue

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ao usuário sem maiores problemas, com latência de 10ms, considerada baixa. Como mostra na Figura 29, não teve nenhum pacote perdido durante o teste.

Figura 29 - Teste ping, nenhum pacote perdido.

Fonte: Autor

Na interface GPON da OLT, nota-se que os resultados foram os mesmos, não teve perda de pacotes ou colisões destes, conforme mostra a Figura 30, o sistema ficou ativo durante 12h.

Figura 30 - Estatísticas interface GPON.

Fonte: Autor

Para ter certeza de que o sistema não teve nenhum evento de queda na interface GPOM ou alguma ONU oscilando sua conexão, os equipamentos ficaram

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ligados durante 12h e expostos as influencias na camada física. Através da interface do Mikrotik é possível certificar que todas as conexões das ONUs ficaram ativas durante todo o período de teste, com exceção da conexão da ONU-3, que foi reiniciada alguns minutos após iniciar o teste de forma acidental. A interface do roteador é apresentada na Figura 31 abaixo.

Figura 31 - Interface roteador.

Fonte: Autor

Conforme os dados coletados durante os experimentos, a tecnologia GPON mostrou segurança e confiabilidade na entrega do serviço de transferência de dados. Mesmo a rede óptica exposta a eventos prejudiciais ao sistema, não houve perda de dados ou atraso na entrega dos mesmos.

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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Em virtude da demanda por conectividade e envio de dados em tempo real, a fibra óptica teve um crescimento exponencial nos últimos anos, por apresentar alta velocidade de transmissão e confiabilidade na entrega de dados. O uso especifico da tecnologia GPON aplicada a arquitetura FTTH, é capaz de proporcionar aos usuários larguras de banda na faixa de Gb/s, por este motivo a tecnologia se faz tão atraente e com perspectivas de crescimento do seu uso ao passar dos anos.

Conhecimento sobre o dimensionamento de uma rede óptica e seus fundamentos é essencial para a implementação de uma rede FTTH. A transmissão do feixe de luz através da fibra em redes PON depende de diversos fatores, onde a classe dos transmissores e receptores, modelo de fibra óptica, splitters e conexões no ODN podem definir o quanto o sistema vai funcionar de maneira linear, ou então apresentar problemas no enlace.

Os experimentos realizados neste trabalho, apontam o GPON como uma tecnologia de fácil implementação e que apresenta ótima confiabilidade na entrega de serviço. Mesmo exposto a altos índices de reflexão, ocasionado por conexões de má qualidade e também por conflito entre portas PON distintas, o sistema continuou estável e entregando a largura máxima de banda contratada.

O acesso a bibliografia sobre fundamentos de redes PON e estruturas FTTH é encontrada com certa facilidade em livros e artigos, no entanto, experimentos práticos de possíveis eventos na rede óptica e quais impactos geram na rede, são difíceis de serem encontrados. O presente trabalho alcançou o objetivo proposto esclarecendo o funcionamento da comunicação por fibras ópticas e mostrou o quanto é confiável e eficiente a tecnologia GPON.

5.1 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS

Para dar andamento no estudo de redes PON, é dado como sugestão novas tendências destes modelos de rede, que trazem como benefício maior largura de banda e maior capacidade de usuários atendidos com apenas uma fibra óptica. Tecnologias que já estão sendo aplicadas no mercado são, XG-PON e NG-PON2

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sobre a mesma estrutura da rede óptica passiva, porem com alterações nos equipamentos ativos.

Devido ao uso massivo de redes de telecomunicações, faz-se necessário o aprimoramento das tecnologias, para minimizar os custos, fazendo o uso de redes ópticas compactas, mas que atendem maior demanda no trafego de dados e acesso simultâneo de diversos usuários. Uma solução para essa demanda é a aplicação de multiplicação por divisão do tempo e comprimento da onda passante na fibra óptica, o chamado DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Sendo assim, torna-se um assunto muito relevante para desenvolver trabalhos futuros.