Miniaturização: uma alternativa para a infraestrutura das redes ópticas

(1)

Escola de Engenharia

Curso de Gradua¸

c˜

ao em Engenharia de

Telecomunica¸

c˜

oes

Pedro Ivo Alves Soares de Souza

Victor Monteiro Martins Ferreira

Miniaturiza¸c˜

ao: uma alternativa para a infraestrutura

das redes ´

opticas

Niter´

oi – RJ

Dezembro / 2018

(2)

Pedro Ivo Alves Soares de Souza Victor Monteiro Martins Ferreira

Miniaturiza¸c˜ao: uma alternativa para a infraestrutura das redes ´opticas

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Gradua¸cão em Engenharia de Teleco-munica¸cões da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obten¸cão do Grau de Engenheiro de Telecomunica¸cões.

Orientador: Prof. Ren´e Pestre Filho

Niter´oi – RJ Dezembro / 2018

(3)

(4)

.

Pedro Ivo Alves Soares de Souza Victor Monteiro Martins Ferreira

Miniaturiza¸c˜ao: uma alternativa para a infraestrutura das redes ´opticas

Aprovada em 07 de Dezembro de 2018.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Ren´e Pestre Filho - Orientador Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof. Fernando Antˆonio Santos Beiriz Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos Universidade Federal Fluminense - UFF

Niter´oi – RJ Dezembro / 2018

(5)

Resumo

A infraestrutura de telecomunica¸cões dos grandes centros urbanos sofreu, nos ´ ulti-mos anos, uma grande expansão. No momento em que novas tecnologias foram emergindo e, consequentemente, a demanda por banda aumentou, as prestadoras de servi¸co de tele-comunica¸cões foram for¸cadas a expandir a capacidade de suas redes para atender novos interesses de seus clientes.

Com isso, as mais formas de implementa¸cão e infraestruturas tradicionais tornaram-se mais dif´ıceis. O meio aéreo, com o compartilhamento de postes, gerou um alt´ıssimo número de cabos instalados. Onde muitas vezes, tornam-se grandes emaranhados quando implementados de forma equivocada, aliado a uma manuten¸cão falha.

Já na forma subterrânea, os dutos antigos, que perduram até hoje, se encontram totalmente congestionados com pouca possibilidade de expansão. A implanta¸cão de novos, ou a substitui¸cão dos atuais, nos centros urbanos, geram um grande transtorno, dado locais de grande consumo tecnológico com alta densidade demográfica.

Sendo assim, uma nova tecnologia surge como alternativa para suprir essa neces-sidade. O principal alicerce é a miniaturiza¸cão dos componentes. Diminui-se a dimensão do cabo óptico, tornando seu diâmetro menor que um cabo tradicional, tendo a mesma capacidade, conhecido como microcabo óptico. Dessa forma, a infraestrutura subterrânea, para acomodar esses microcabos, se dá em forma de microdutos inseridos em microvalas, que são ranhuras feitas no chão com comprimento de vão e profundidade em menor escala.

Palavras chave: Comunica¸cão óptica, redes ópticas passivas, redes de acesso, FTTx, FTTH, infraestrutura, miniaturiza¸cão, microcabo,microduto e microvalas.

(6)

Abstract

The telecommunications infrastructure of the major urban centers has undergone a great expansion in recent years. As new technologies showed up and, as a result, demand for bandwidth increased, telecommunications service providers were forced to increase the capacity of their networks to serve new interests of their customers.

As a result, the traditional forms of implementation and infrastructures have be-come more difficult. The air space, with the sharing of poles, generated a very high number of cables installed. Where they often become big tangles when implemented in the wrong way, plus the failed maintenance.

Already in the underground form, the old ducts, that remain until today, are totally congested with less possibility of expansion. The implantation of new ones, or the substitution of the present ones, in the urban centers, generate a great disorder, given places of great technological consumption with high demographic density.

Therefore, a new technology emerges as an alternative to meet this need. The main foundation is the miniaturization of components. The size of the optical cable is reduced, making its diameter smaller than a traditional cable, having the same capacity, known as optical microcable. In this way, the underground infrastructure to accommodate these microcables is in the form of microducts inserted into micro trenching, which are grooves made in the floor with length of span and depth on a smaller scale.

Keywords: Optical communication, Passive optical networks (PON), Access Networks, FFTx, FTTH, miniaturization, optical microcable, microducts and micro trenching.

(7)

Agradecimentos Pedro

Agrade¸co aos meus pais, Catarina e Renato, que, durante todo o curso de gradu-a¸cão, se sacrificaram para me apoiar, ajudar e fornecer as melhores condi¸cões poss´ıveis para que eu me dedicasse inteiramente ao mesmo. Também, por todas as palavras de for¸ca em momentos de desanimo, por toda paciência, amor e carinho dado a mim. Sem esse suporte nada disso seria poss´ıvel.

A minha namorada, Soraya, por escolher dividir essa jornada ao meu lado, por todos os momentos de ajuda, conselhos, conversas e apego que me fazem evoluir.

Aos amigos, por toda ajuda e companheirismo durante todo o curso.

A toda fam´ılia SmartTel Jr, que reviveu, em mim, o apre¸co a minha forma¸c˜ao como Engenheiro de Telecomunica¸c˜oes.

A fam´ılia UFF Rugby por ter me proporcionado representar minha universidade esportivamente e por aflorar em mim um sentimento de persentimento a mesma.

Aos professores, que se dedicam, se esfor¸cam e se sacrificam dando o melhor de si em prol de n´os, alunos.

A todos que, de certa forma, me ajudaram ou torceram por mim. E, por ´ultimo, e n˜ao menos importante, a Deus.

(8)

Agradecimentos Victor

Agrade¸co primeiramente a Deus, por ter me dado sa´ude, sabedoria e for¸ca, por ser essencial em minha vida e meu guia.

A minha mãe, que é o maior exemplo de ser humano que já conheci, pelas ora¸cões, conselhos e tantas madrugadas de conversa. Por ter me mostrado que objetivo e dedica¸cão deveria ser o combust´ıvel para alcan¸car o que eu quisesse, que muito batalhou por mim e é quem sempre me fez acreditar nos momentos em que nem eu acreditava.

Ao meu pai, que sempre confiou no meu potencial e nunca negou uma palavra de incentivo.

Aos meus tios, primos e todos familiares que sempre torceram pelo meu sucesso. Aos meus amigos que transbordaram apoio e cumplicidade além de perdoarem tantas ausências em fun¸cão disso.

Ao meu padrinho Fernando (in memoriam) e à minha avó Nadir (in memoriam) que me ensinaram muito da vida e participaram disso tudo e onde quer que estejam estão festejando essa conquista.

E todos que de forma direta ou indireta em algum momento participaram desse percurso, sem vocˆes seria imposs´ıvel.

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Lista de Siglas

ABNT Agˆencia Brasileira de Normas T´ecnicas

ADSL Asynchronous Digital Subscriber Line

ANATEL Agˆencia Nacional de Telecomunica¸c˜oes

ANEEL Agˆencia Nacional de Energia El´etrica

AON Rede ´Optica Ativa

APON ATM Passive Optical Network

ARPA Advanced Research Projects Agency

ATM Asynchronous Transfer Mode

BBN Bolt Beranek Newmann

BPON Broadband Passive Optical Network

CAPEX Capital Expenditure

CERN Centre Eorop´een por la Recherche Nucl´eaire

CSNET Computer Science Network

DBA Largura de Banda Dinˆamica

DIO Distribuidor Interno ´Optico

DSL Digital Subscriber Line

EPON Ethernet Passive Optical Network viii

(10)

FTTB Fiber to the Building

FTTC Fiber to the Curb

FTTH Fiber to the Home

FTTx Fiber to the X

GPON Gigabit Passive Optical Network

HFC Hybrid Fiber Coax

HFC Hybrid Fiver Copper

HTML HyperText Markup Language

IBM International Bussiness Machines

IEEE Institute of Electricaland Eletronics Engineers

IGPM Ind´ıce Geral de Pre¸co de Mercado

ILD Injection Laser Diode

IP Internet Protocol

ISDN Integrated Service Digital Network

ITU International Telecommunication Union

LAN Local Area Network

LED Light Emiting Diode

MAN Metropolitan Area Network

MILNET Military Network

MIT Instituto de Tecnologia de Massachusetts

NBR Norma Brasileira

NEC National Electrical Code

(11)

ODN Optical Distribution Network

OLT Terminal de linha ´Optica

ONT Terminal de Rede ´Optica

ONU Unidade de Rede ´Optica

OPEX Operational Expenditure

PCM Pulse Code Modulation

PEAD Polietileno de alta densidade

PON Rede ´Optica Passiva

POS Passive Optical Splitter

PVC Policloreto de Vinil

SRI Stanford Research Institute

TDM Time-division multiplexing

UCLA Universidade da California campus de Los Angeles

UCSB Universidade da California campus de Santa B´arbara

USA United States of America

UV Ultravioleta

VDSL Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line

WAN Wide Area Network

WWW World Wide Web

(12)

Lista de Figuras

2.1 Ilustra¸cão do circuito de transmissão de um Telégrafo. . . 4

2.2 Esquemático da comunica¸cão entre dois terminais telefônicos. . . 4

2.3 Linhas de Transmiss˜ao Telefˆonicas 1888. [3] . . . 5

2.4 Operadora telefonista em uma Central de Comuta¸c˜ao Manual. [4] . . . 5

2.5 Comutador Eletromecˆanico. [5] . . . 6

2.6 Central Telefˆonica Digital. [6] . . . 6

2.7 Ilustra¸c˜ao de topologia de redes telefˆonicas. . . 7

2.8 Arpanet em 1969. [11] . . . 8

2.9 Crescimento do n´umero de usu´arios na internet. [12] . . . 10

2.10 Redes de telecomunica¸c˜oes. [52] . . . 12

2.11 Composi¸c˜ao da fibra ´optica. [22] . . . 13

2.12 Modo de propaga¸c˜ao nas fibras ´opticas. [16] . . . 15

2.13 Largura espectral do Led e do Laser. [17] . . . 17

2.14 Exemplo de diagrama de blocos do receptor. [17] . . . 18

3.1 Categorias dos cabos ´opticos. [Elaborado pelos autores] . . . 20

3.2 Compara¸c˜ao cabo ´optico tipo tight e tipo loose. [29] . . . 21

3.3 Sec¸c˜ao transversal cabo tipo loose. [28] . . . 23

3.4 Cabo Loose Tube. [29] . . . 24

3.5 Cabo Groove. [24] . . . 24

3.6 Cabo Ribbon. [30] . . . 25

3.7 Seçcão transversão estrutura tipo Tight. [28] . . . 26

3.8 Cabo Brerakout. [31] . . . 27

3.9 Cabo Distribution. [31] . . . 27

3.10 Cabos: cord˜ao ´optico e Pigtail. [32] [33] . . . 28

3.11 Cabo Drop. [28] . . . 28

(13)

3.12 Cabo blindado e OPGW. [34] [35] . . . 29

3.13 Cabo submarino. [19] . . . 29

3.14 Cabo h´ıbrido (HFC). [36] . . . 30

3.15 OLT SmartAX S´erie MA5600T HUAWEI. [38] . . . 31

3.16 ONU S´erie SmartAX EA5821 HUAWEI. [37] . . . 32

3.17 Esquem´atico de uma PON. [28] . . . 33

3.18 Redes FTTx. [52] . . . 37

4.1 Diferentes infraestruturas de redes. [19] . . . 39

4.2 Cabo ´optico com sustenta¸c˜ao por espinamento. [28] . . . 40

4.3 M´aquina de espinar. [47] . . . 41

4.4 Fixa¸c˜ao por ancoragem. [39] . . . 42

4.5 Al¸ca preformada. [39] . . . 43

4.6 Fixa¸c˜ao por suspens˜ao. [39] . . . 44

4.7 Coexistˆencia com a rede el´etrica. [48] . . . 45

4.8 Reserva t´ecnica. [49] . . . 46

4.9 Caixa de emenda ´optica. [Elaborado pelos autores] [39] . . . 46

4.10 Plaqueta de identifica¸c˜ao. [48] . . . 47

4.11 Intala¸cão subterrânea - método destrutivo. [53] . . . 49

4.12 Intala¸cão subterrânea - método destrutivo. [54] . . . 49

4.13 Acomoda¸c˜ao do duto em solo normal. [58] . . . 51

4.14 Acomoda¸c˜ao do duto em solo pedregoso/misto. [58] . . . 51

4.15 Acomoda¸c˜ao do duto em solo rochoso. [58] . . . 52

4.16 Acomoda¸c˜ao do duto em solo pantanoso. [58] . . . 52

4.17 Intala¸cão subterrânea - método não destrutivo. [55] . . . 54

4.18 Perfuradeira atriz. [56] . . . 54

4.19 Furo piloto e alargamento/passagem. [57] . . . 55

4.20 Polui¸c˜ao visual ocasionada pelos fios. [61] . . . 58

4.21 Poste derrubado por forte chuva. [64] . . . 59

4.22 Cabos recuperado de furto. [65] . . . 60

4.23 Caixa de emenda subterrˆanea congestionada. [66] . . . 61

4.24 Poste congestionado. [67] . . . 61

(14)

4.26 Infraestrutura de cabeamento a´erea debilitada. [Elabora¸c˜ao dos autores] . . 63

5.1 Confec¸c˜ao de uma microvala em estrada. [69] . . . 65

5.2 Local preferencial para abertura de microvalas. [70] . . . 66

5.3 Espessura de uma microvala. [71] . . . 66

5.4 Comparativo duto x microduto. [74] . . . 67

5.5 Comparativo duto x microduto.[74] . . . 67

5.6 Microdutos fornecidos pela empresa Nexus. [86] . . . 68

5.7 Microdutos agrupados com forma¸c˜ao retangular. [76] . . . 68

5.8 Microdutos agrupados com forma¸c˜ao circular/poligonal. [76] . . . 69

5.9 Microdutos agrupados com forma¸c˜ao perfil chato. [76] . . . 69

5.10 Curvatura do microduto. . . 73

5.11 Miniaturiza¸c˜ao do cabo ´optico - vista transversal. [78] . . . 75

5.12 Miniaturiza¸c˜ao do cabo ´optico - vista de perspectiva. [78] . . . 76

5.13 Compara¸cão dos diâmetros entre Microcabos e cabos ópticos convencionais. [77] . . . 76

5.14 Compara¸cão dos pesos entre Microcabos e cabos ópticos convencionais. [77] 77 5.15 Custos de implementa¸cão - Cabo tradicional x Microcabo. [72] . . . 82

6.1 Microtubos alinhados com cabo ´optico contido previamente. [50] . . . 83

6.2 Instala¸c˜ao sobreposta. [50] . . . 84

6.3 Instala¸c˜ao diretamente enterrada. [50] . . . 84

6.4 Instala¸c˜ao a´erea. . . 85

6.5 Instala¸c˜ao dos microdutos. [84] . . . 87

6.6 Sopramento do cabo ´optico. [84] . . . 87

(15)

Lista de Tabelas

2.1 Comparativo fibras multimodo x monomodo . . . 15

3.1 Aplica¸c˜oes e caracter´ısticas dos principais cabos ´opticos. . . 30

3.2 Cracter´ısticas e padr˜oes de cada PON . . . 35

4.1 Distância m´ınima entre condutores da rede elétrica e os cabos ópticos. . . . 44

4.2 Pre¸co de compartilhamento de infraestrutura de cabeamento a´erea por ano 57 5.1 Identifica¸c˜ao de microdutos agrupados . . . 69

5.2 Dimens˜oes e tolerˆancia (mm) . . . 71

5.3 Impacto nos microdutos . . . 74

5.4 Compress˜ao em microdutos . . . 74

(16)

Sum´

ario

Resumo iv

Abstract v

Agradecimentos vi

Agradecimentos vii

Lista de Siglas viii

Lista de Figuras xiii

Lista de Tabelas xiv

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Objetivo . . . 1

1.2 Relevˆancia . . . 2

2 Referencial Teórico 3 2.1 Evolu¸cão das Telecomunica¸cões . . . 3

2.2 Tipos de redes de telecomunica¸c˜oes . . . 10

2.3 Elementos da comunica¸c˜ao ´optica . . . 12

2.3.1 Fibra ´optica . . . 12

2.3.2 Transmissores ´opticos . . . 16

2.3.3 Receptor ´optico . . . 17

3 Redes ´opticas passivas 19 3.1 Componentes . . . 20

3.1.1 Cabos ´opticos . . . 20

(17)

3.1.2 Terminal de linha ´optica . . . 30

3.1.3 Terminais de rede ´optica . . . 31

3.1.4 Divisores ´opticos passivos . . . 32

3.2 Padrões . . . 33 3.2.1 APON . . . 33 3.2.2 BPON . . . 34 3.2.3 EPON . . . 34 3.2.4 GPON . . . 34 3.3 FTTx . . . 35 3.3.1 FTTN . . . 35 3.3.2 FTTC . . . 36 3.3.3 FTTB . . . 36 3.3.4 FTTH . . . 36 4 Infraestruturas de instala¸cão 38 4.1 Instala¸cão aérea . . . 39

4.1.1 Cabos n˜ao auto-sustentados . . . 40

4.1.2 Cabos auto-sustentados . . . 42

4.1.3 Fixa¸c˜ao nos postes . . . 42

4.1.4 Coexistˆencia com a rede el´etrica . . . 44

4.1.5 Reservas t´ecnicas . . . 45

4.1.6 Caixas de emenda ´optica . . . 46

4.1.7 Identifica¸c˜ao . . . 46

4.2 Instala¸c˜ao subterrˆanea . . . 47

4.2.1 M´etodo destrutivo . . . 48

4.2.2 M´etodo n˜ao destrutivo . . . 53

4.3 Problematiza¸c˜ao . . . 55

4.3.1 DDP e TPU . . . 55

4.3.2 Poluic˜ao visual . . . 58

4.3.3 Intemp´eres e Sinistros . . . 58

4.3.4 Roubos e Furtos . . . 59

4.3.5 Congestionamento da infraestrutura . . . 60

(18)

4.3.7 Negligência . . . 62 5 Miniaturiza¸cão 64 5.1 Microvalas . . . 65 5.2 Microdutos . . . 66 5.2.1 Tipos de microdutos . . . 67 5.2.2 Identifica¸cão . . . 69 5.2.3 Dimensões . . . 71 5.2.4 Ovaliza¸cão . . . 72

5.2.5 Estabilidade dimensional longitudenal . . . 72

5.2.6 Resistência à tra¸cão . . . 72

5.2.7 Curvatura . . . 73 5.2.8 Dobramento repetitivo . . . 73 5.2.9 Impacto . . . 73 5.2.10 Compressão . . . 74 5.2.11 Pressão interna . . . 74 5.2.12 Coeficiente de atrito . . . 75 5.3 Microcabos . . . 75 5.3.1 Compara¸cão . . . 75 5.3.2 Caracter´ısticas f´ısicas . . . 77 5.3.3 Vantagens . . . 80 6 Instala¸cões 83 6.1 Sobreposta . . . 83 6.2 Diretamente enterrada . . . 84 6.3 Aérea . . . 85 6.4 Por sopramento . . . 85 6.5 Comparativo . . . 88

6.5.1 M´etodo tradicional ou destrutivo . . . 88

6.5.2 M´etodo por sopramento . . . 90

6.5.3 Caso . . . 91

(19)

(20)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

1.1 Objetivo

Um dos grandes desafios atuais, das empresas que fornecem servi¸cos de Telecomu-nica¸cões, é a parte de conseguir uma infraestrutura compat´ıvel para uma instala¸cão e/ou expansão de suas redes. Nesta missão, é mais que comum se deparar com situa¸cões que tornam cada vez mais dif´ıceis tal processo. A principal situa¸cão se refere às instala¸cões onde são observadas um congestionamento descabido da infraestrutura.

Nas infraestruturas a´ereas, localizadas corriqueiramente nos postes, observa-se uma estrutura mal utilizada, mal compartilhada acarretando em diversos problemas.

Já nas infraestruturas terrestres ou subterrâneas, as galerias seriam os locais ideais, onde seriam aproveitados para, não só servi¸cos de telecomunica¸cões, mas para toda uma infraestrutura urbana, como: cabos telefônicos, dutos de água, canaliza¸cão de esgoto, cabos elétricos, drenagem, gás, entre outros servi¸cos.

Porém, a realidade se mostra bem diferente, onde as poucas galerias existentes são mal projetadas ou não usadas. Estes problemas ocorrem nas mais variadas regiões do pa´ıs, porém se torna muito mais cr´ıtico nas grandes áreas metropolitanas, devido à alta necessidade de servi¸cos dessa natureza aliado com uma elevada densidade demográfica.

Esse trabalho tem o objetivo de apresentar uma solu¸cão alternativa, bastante di-fundida no exterior, que é o uso de microdutos em microvalas pelo método de sopramento, onde serão apresentando: histórico, metodologia de instala¸cão e manuten¸cão, comparativo com os métodos mais convencionais, custos e perspectivas para o futuro.

(21)

1.2 Relevˆ

ancia

As exigências por larguras de banda, cada vez maiores, têm estimulado de forma exponencial novas modalidades de infraestrutura suportadas por fibra óptica. Essa neces-sidade de aumento deve-se, sobretudo, ao surgimento de servi¸cos e aplica¸cões que utilizam a Internet e estão cada vez mais presentes no cotidiano da popula¸cão.

Sendo assim, apesar da tecnologia utilizada já ser a fibra óptica em parte do sis-tema, o desafio é aumentar o limiar de até onde a fibra alcan¸ca, sendo o cenário ideal a inser¸cão da fibra até o cliente de fato. No entanto, no que diz respeito à arquitetura, que hoje se apresenta para a popula¸cão, vem de encontro às necessidades atuais e futuras de uma rede de acesso com um alto desempenho. Os cabos ópticos usados atualmente podem apresentar constru¸cões diferentes e podem assim possuir instala¸cões através de dutos sub-terrâneos ou instala¸cão em posteamento, espinados em cordoalha ou autossustentáveis, por exemplo.

A relevância do trabalho se destaca por trazer uma solu¸cão que atenda exatamente a demanda de taxas elevadas em conjunto com o aumento da profundidade da fibra óptica em rela¸cão ao cliente, trata-se da aplica¸cão de microvalas, microdutos e microfibras.

A solu¸cão é interessante pela versatilidade, devido a possibilidade de trabalhar em conjunto com as tradicionais infraestruturas existentes ou como uma solu¸cão única, além de conseguir criar uma rede rápida, fácil, com baixo custo e com a capacidade de ampliar-se sem grandes investimento e mudan¸cas na infraestrutura instalada.

(22)

Cap´ıtulo 2

Referencial Te´

orico

2.1 Evolu¸

c˜

ao das Telecomunica¸

c˜

oes

As comunica¸cões a distância são uma parte importante na história da humanidade. Desde muito tempo, na tentativa na obten¸cão de sucesso neste quesito, foram desenvol-vidos inúmeros sistemas e meios de telecomunica¸cões, como por exemplo: as mensagens via sinal de fuma¸ca e o uso de pombos correios.

O primeiro sistema de comunica¸cão a distância, que utilizou a luz como fonte na transmissão da informa¸cão, foi criado em 1792 pelo francês Claude Chappe. Consistia em uma transmissão mecânica de longas distâncias com sinaliza¸cão homográfica entre torres, nomeadas de semáforos, distantes umas das outras de 6 a 16 km. Esse método de comunica¸cão ficou popular na Europa e permitia que uma mensagem enviada da cidade de São Petersburgo, destinada a cidade de Londres, demorasse apenas um dia. [1]

Na década de 1830, foi instaurada a era das telecomunica¸cões elétricas com a inven-¸cão do telégrafo e do código Morse, que utilizava pontos e tra¸cos para representar letras e números. Os mesmos permitiram a utiliza¸cão de linhas de transmissão que chegavam, aproximadamente, a 1000 km de distância. Um operador manuseava uma chave mecânica que, quando fechada, transmitia o sinal elétrico ao longo da linha de transmissão que, no terminal de destino, gerava um campo magnético em um eletro´ımã, movimentando assim uma pe¸ca com tinta marcando uma fita de papel, conforme observado na figura a seguir. [2]

(23)

Figura 2.1: Ilustra¸cão do circuito de transmissão de um Telégrafo.

[Elaborado pelos autores]

Em 1876, era inventado o telefone. Proporcionando, com o uso do microfone de carvão, que realiza a conversão de energia acústica em energia elétrica, a transmissão de sinais de voz. Inicialmente os telefones eram utilizados e comercializados aos pares, ou seja, o usuário obtinha dois aparelhos telefônicos com a devida linha de transmissão entre os mesmos. Isso permitia a comunica¸cão apenas entre os dois terminais, exatamente como nas comunica¸cões via telégrafo, conforme observado na figura a seguir. [2]

Figura 2.2: Esquemático da comunica¸cão entre dois terminais telefônicos.

Se fosse de vontade do usuário se comunicar pelo telefone com mais de um terminal, era preciso que o mesmo adquirisse outro par de terminais telefônicos. Com populariza¸cão do uso de telefone, nos grandes centros urbanos, essa dinâmica foi se tornando inviável pela grande demanda de linhas de transmissão, conforme observado na figura a seguir.

(24)

Figura 2.3: Linhas de Transmiss˜ao Telefˆonicas 1888. [3]

Com a limita¸cão de infraestrutura urbana, foi necessário a concep¸cão de uma nova forma de conectar os usuários de telefonia. A solu¸cão proposta foi a cria¸cão de centrais telefônicas, onde todos os terminais eram conectados à mesma, proporcionando a inter-liga¸cão entre os demais terminais telefônicos e diminuindo a necessidade de linhas de transmissão para apenas um par por usuário.

As centrais telefônicas tinham a fun¸cão realizar a comuta¸cão dos circuitos entre um terminal telefônico e outro, de acordo com quem o usuário desejava se comunicar. Primei-ramente a comuta¸cão foi realizada manualmente por operadores, nomeados telefonistas, conforme observado na figura a seguir.

Figura 2.4: Operadora telefonista em uma Central de Comuta¸c˜ao Manual. [4]

No entanto, o processo de comuta¸cão manual tinha como desvantagem a demora na conexão, pois dependia da habilidade do operador telefonista e, também, a inconveni-ência do operador ter acesso, como ouvinte, a conversa dos usuários, perdendo-se assim a privacidade da comunica¸cão.

(25)

Com o objetivo de solucionar esses problemas, surgiu, em 1891, a primeira central telefônica de comuta¸cão automática, constitu´ıda por dois elementos básicos: 1) um meca-nismo instalado no telefone do assinante, que gerava pulsos que representam os d´ıgitos de zero a nove, o que permitia à central determinar o telefone para o qual se pretendia ligar, e 2) um comutador eletromecânico existente na central. O comutador tinha um bra¸co rotativo, que se movia em um arco semicircular com dez contatos, cada um ligado a uma linha ou a outro comutador, sendo o bra¸co controlado pelos impulsos de corrente enviados pelo aparelho do assinante, conforme observado na figura a seguir. Com essa dinâmica, era poss´ıvel a conexão de terminais telefônicos sem a necessidade dos operadores, ou seja, com o usuário comandando a comuta¸cão dos mesmos. [5]

Figura 2.5: Comutador Eletromecˆanico. [5]

Este tipo de central telefônica foi de aplica¸cão generalizada até a década de 1970. A partir de então surgiram sistemas de comuta¸cão eletrônicos e, nos anos de 1980, centrais totalmente digitais, em que os computadores substitu´ıram os mecanismos eletromecânicos.

(26)

As centrais telefônicas foram responsáveis pela cria¸cão das primeiras redes de comu-nica¸cão infraestruturadas, as redes telefônicas. Com isso foi desenvolvido uma topologia hierárquica de centrais telefônicas que ligavam regiões, cidades, estados e pa´ıses, conforme observado na figura a seguir. [13]

Figura 2.7: Ilustra¸c˜ao de topologia de redes telefˆonicas.

Em 1937, o cientista Alec Reeves desenvolveu um processo de conversão de sinal analógico de voz em sinal digital, o Pulse Code Modulation (PCM), com intuito de resolver o problema da forte presen¸ca de ru´ıdos na transmissão dos mesmos. Essa tecnologia substitu´ıa o processo da transmissão analógica por uma conversão do som em bits, esses bits eram transmitidos e, uma vez chegados ao seu destino, eram novamente convertidos para o sinal de voz. [7]

Com o crescimento do desenvolvimento computacional e dos processamentos auto-máticos de dados, criou-se uma demanda grande da transmissão de dados. Na década de 1960 surgiram os primeiros sistemas online ou de teleprocessamento, tendo a empresa In-ternational Bussiness Machines (IBM) como pioneira no assunto com o desenvolvimento de softwares e hardwares implementadores de conexões seriais. [7]

Diante da corrida tecnológica durante a Guerra Fria, o governo americano criou a Advanced Research Projects Agency (ARPA), este órgão foi responsável por financiar inúmeros projetos de desenvolvimento tecnológicos. Entre os projetos, havia a constru-¸cão de um sistema de comunica¸cão militar que fosse menos suscet´ıvel a interrup¸cão do funcionamento devido a a¸cões inimigas. A ideia era criar uma rede de comunica¸cão de dados que continuasse funcionando mesmo que algumas de suas unidades fossem

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danifi-cadas. A contra-exemplo das redes telefônicas, que trabalhavam em topologia hierárquica e tendo uma de suas centrais de comuta¸cão atingida, isolariam as regiões que essa central interligava impossibilitando a comunica¸cão entre as mesmas. [8]

O desenvolvimento do sistema envolveu diversos centros de pesquisa universit´arios, como UCLA (Universidade da California campus de Los Angeles) e o MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts), e empresas privadas especializadas em alta tecnologia de computa¸c˜ao, como a BBN (Bolt Beranek & Newmann). Foi batizada de Arpanet, sendo primeiramente implementada em 1969, conforme observado na figura a seguir. [7]

Figura 2.8: Arpanet em 1969. [11]

O grande diferencial do sistema Arpanet, em rela¸cão ao sistema telefônico, é o tipo de comunica¸cão, tanto o tipo de informa¸cão quando o tipo de comuta¸cão usados. Como visto anteriormente, as redes telefônicas fazem a transmissão de voz e trabalham com a comuta¸cão de circuitos, ou seja, antes das mensagens serem trocadas é necessário estabelecer uma conexão de um canal f´ısico entre os terminais, nesse tipo de comunica¸cão há a garantia da taxa de transmissão e que a informa¸cão chegará na mesma ordem no receptor. Já a Arpanet usava a comuta¸cão de pacotes, que é uma técnica que divide os dados em pequenos grupos – intitulados de pacotes – e que transmitem a informa¸cão sem o estabelecimento de conexão prévia entre o transmissor e o receptor. [13] [7]

No pacote existe a informa¸cão do endere¸co de destino onde os elementos da rede leem essa informa¸cão e o encaminhem em dire¸cão ao mesmo. O caminho que os pacotes seguem podem ser diferentes e, os mesmos, podem chegar ao destino fora da ordem de transmissão. Essa dinâmica permite que a topologia da rede seja distribu´ıda fazendo com que a rede de comunica¸cão seja menos vulnerável a falha de um dos elementos do sistema e, tendo uma eventual falha, o pacote é encaminhado em para outro caminho até chegar

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ao destino, n˜ao interrompendo a comunica¸c˜ao. [13]

Entre 1973 e 1978, uma equipe de pesquisadores encabe¸cada por Vinton Cerf do Stanford Research Institute (SRI) e Robert Kahn da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) - o termo Defense foi adcionado posteriormente a sigla ARPA - desen-volveram, respectivamente, o Transmission Control Protocol (TCP) e o Internet Protocol (IP), protocolos que permitiram a interoperacionalidade e interconex˜ao de redes diversas de computadores. Este protocolo denominou-se TCP/IP. [9]

No in´ıcio dos anos de 1980, a Arpanet foi dividida em duas, com uma dessas divi-sões sendo nomeada de Military Network (MILNET). A MILNET era voltada totalmente para uso militar e a Arpanet continuou servindo o propósito da interconexão dos centros de pesquisa. O Departamento de Defesa coordenava, controlava e financiava o desenvol-vimento em ambas as redes.

A National Science Foundation (NSF), criada em 1975, construiu uma rede pr´opria, denominada Computer Science Network (CSNET) tendo seu objetivo conectar laborat´ o-rios de Inform´atica dos USA. Em 1990, o Departamento de Defesa dos USA dissolveu a Arpanet, a qual foi incorporada pela rede da NSF, rebatizada de National Science Foundation Network (NSFNET) que se popularizou, em todo o mundo, com o nome de Internet.[10]

Para o uso civil, comercializa¸cão e populariza¸cão da internet, o desenvolvimento do World Wide Web (WWW), do HyperText Markup Language (HTML) e dos Browsers – navegadores – foram primordiais, permitindo a consulta de informa¸cão em forma de hi-pertextos. A Internet transformou-se em uma rede mundial pública em que qual qualquer pessoa ou computador podia fazer parte. [8]

A Arpanet e, logo depois, a internet impulsionaram a alavancagem do investimento na área computacional, tanto no desenvolvimento de tecnologias, quanto no surgimento de empresas prestadoras de servi¸co de comunica¸cões de redes. Sua expansão foi vertiginosa e, rapidamente, mudou o modo de comunica¸cão entre pessoas e nos negócios, diminuindo as distâncias e concebendo o termo “mundo globalizado”. [9]

Outro fator importante para a comercializa¸cão e populariza¸cão da internet foi o desenvolvimento da fibra óptica e da comunica¸cão óptica em si. Como vamos observar ao longo deste trabalho, a comunica¸cão óptica, pela sua capacidade de alta taxa de trans-missão, propiciou o suporte ao aumento de usuários e, consequentemente, ao aumento do

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tr´afego de dados da rede, conforme observado na figura a seguir.

Figura 2.9: Crescimento do n´umero de usu´arios na internet. [12]

2.2 Tipos de redes de telecomunica¸

c˜

oes

As redes de telecomunica¸cões são representadas por uma estrutura hierárquica com quatro n´ıveis: redes de longa distâncias (WAN - Wide Area Network ou Back-bone Networks), redes metropolitanas (MAN - Metropolitan Area Network ou Backhaul Networks), redes de acesso (Access Networks) e redes locais (LAN - Local Area Network ). A aplica¸cão da comunica¸cão óptica se dá em todos os n´ıveis hierárquicos das redes de telecomunica¸cões.

Redes de longa distˆancia (WAN)

As redes WAN têm dimensões geográficas imensuráveis, podendo interligar conti-nentes, pa´ıses e regiões extensas utilizando os mais diversos tipos de enlaces. Essas redes podem apresentar uma por¸cão nacional e uma por¸cão internacional, onde a conexão entre pa´ıses e continentes é feita através de cabos de fibras ópticas submersos ou como satélites. O principal exemplo desta rede é a internet, que interliga computadores do mundo inteiro. As redes WAN têm sua principal aplica¸cão o transporte de informa¸cão intenso, por

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isso apresentam grande capacidade de tráfego e permitem que uma combina¸cão diversifi-cada de tráfego seja transportada por uma única infraestrutura.

A fibra óptica vem sendo bastante utilizada como meio de transmissão das redes de longa distância de grandes operadoras de servi¸cos de telecomunica¸cões, principalmente devido a sua maior capacidade de transmissão. [15]

Redes metropolitanas (MAN)

As redes MAN são as infraestruturas de conexão entre pontos agregadores das redes de acesso e pontos de presen¸ca das redes de longa distância. Este tipo de rede é caracterizada por ter um alcance que abrange cidades e regiões metropolitanas.

Uma rede MAN geralmente atua como uma rede de alta velocidade para permitir o compartilhamento de recursos regionais e, tamb´em, frequentemente usados para fornecer uma conex˜ao compartilhada com outras redes usando um link para uma WAN. [15]

Redes de acesso

As redes de acesso, também conhecidas como redes de última milha, compreendem em redes que interligam os provedores de servi¸cos de telecomunica¸cões - como internet, tv a cabo e telefonia - com seus clientes, que podem ser pessoas f´ısicas ou companhias. [15]

Redes locais (LAN)

Uma rede LAN corresponde a uma rede geralmente composta por computadores conectados entre si, através de dispositivos como: placas de redes, switch, hub, entre outros. Uma rede local é utilizada com frequência para conectar computadores em rede, servidores, dispositivos eletrônicos diversos possibilitando o compartilhamento de recursos e a troca de informa¸cões. Sua limita¸cão geográfica faz com que as LAN’s sejam utilizadas em casas, escritórios, escolas, empresas, entre outros meios locais. [15]

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Figura 2.10: Redes de telecomunica¸c˜oes. [52]

2.3 Elementos da comunica¸

c˜

ao ´

optica

Neste tópico, iremos abordar a fundamenta¸cão teórica de um sistema de comuni-ca¸cão óptica infraestruturado, descrevendo os elementos básicos de uma rede óptica e os tipos de redes ópticas.

Sistemas de comunica¸cão que utilizam fibra óptica são constitu´ıdos por elementos básicos como transmissor – com fonte de luz e circuito de modula¸cão – um cabo óptico, e um receptor – com fotodetector e circuito associado de amplifica¸cão e regenera¸cão do sinal. [18]

2.3.1 Fibra ´

optica

A fibra óptica é constitu´ıda por um filamento composto de material dielétrico, normalmente s´ılica - vidro com impurezas - ou mesmo plástico, com a capacidade de transmitir luz confinada em seu interior. Com dimensões sempre comparáveis às de um fio de cabelo, apresenta imunidade a interferências eletromagnéticas.

Estruturalmente, sua anatomia básica é composta por uma região central chamada de núcleo - por onde a potência luminosa é transmitida -, em seguida a casca - possuindo um ´ındice de refra¸cão inferior ao núcleo -, o que faz com que a luz transmitida pelo núcleo seja refletida pelas suas paredes, conforme observado na figura a seguir. Essa configura¸cão faz com o que a luz transmitida seja propagada confinada no núcleo através

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de um fenômeno conhecido como reflexão total possibilitando a condu¸cão da luz por longas distâncias, com ´ındice de perda muito pequeno. [18]

Figura 2.11: Composi¸c˜ao da fibra ´optica. [22]

As fibras são fios condutores de luz que possibilitam que os pulsos luminosos sejam codificados e, sendo assim, seja estabelecida uma comunica¸cão entre as extremidades da fibra. Para transmitir os feixes, essa luz é introduzida por um emissor e detectada por um fotodetector. [18]

Importante salientar que a fibra ótica pode receber diversos revestimentos externos extras com o objetivo de aumentar a prote¸cão mecânica. A presen¸ca de uma ou mais fibras revestidas é nomeada de cabo ótico.

Para determinar o tipo ideal de fibra a ser usado, deve-se primeiramente conhecer as caracter´ısticas de transmissão e a sua aplica¸cão. Feito isso, pode-se escolher entre tipos de material, ´ındices de refra¸cão e etc.

Onde o ´ındice de refra¸cão é parte principal no que diz respeito a capacidade de transmissão, já o material escolhido determina n´ıveis de atenua¸cão e frequências de ope-ra¸cão. As caracter´ısticas mecânicas atuam frente ao material escolhido, sua fabrica¸cão, seus revestimentos, entre outros.

Agrupando-se todo esse conjunto de informa¸c˜oes, temos dois principais tipos de fibra monomodo e multimodo, onde a multimodo ainda se divide em 2 subcategorias: ´ındice degrau e ´ındice gradual. No qual todos os tipos, apesar de suas particularidades,

atendem aos mesmos servi¸cos.

Devido as dimensões dos fios de fibra óptica é poss´ıvel inserir uma grande quanti-dade em um único cabo, sendo essa uma grande vantagem perante as outras tecnologias de redes infraestruturadas. Além disso as fibras ópticas necessitam de um número muito me-nor de equipamentos ao longo do circuito, como repetidores, pelo fato da meme-nor atenua¸cão da mesma. [24]

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Fibra ´optica multimodo

A fibra multimodo é o tipo de fibra em que diversos feixes de luz se propagam simultaneamente com diferentes ângulos de incidência através de caminhos diferentes no interior, devido ao diâmetro de seu núcleo que é de 50 a 62,5 µm. O que determina a fibra multimodo ser ´ındice degrau ou ´ındice gradual é a rela¸cão entre ´ındice de refra¸cão entre casca e núcleo. [25]

Fibra ´optica multimodo de ´ındice degrau

A fibra ótica de ´ındice degrau ou Step Index possui um ´ındice de refra¸cão do núcleo constante e ligeiramente superior ao ´ındice de refra¸cão da casca. São fibras mais simples pois possuem um único material em seu núcleo, não influenciando na angula¸cão do feixe luminoso na casca.

Suas dimensões trazem consigo uma facilidade na fabrica¸cão e opera¸cão, no entanto, sua capacidade de transmissão se torna menor devido sua atenua¸cão considerável, sendo aplicadas constantemente em pequenas distâncias. Outra particularidade é em rela¸cão ao custo pois sua caracter´ıstica f´ısica permite o uso de fontes luminosas menos precisas, e pouca precisão no uso de conectores, acoplamento de fontes, fusões [23]

Fibra ´optica multimodo de ´ındice gradual

A constitui¸cão do núcleo da Fibra Óptica Multimodo de Índice Gradual (em inglês Grated Index ) é projetada para prover uma melhor propaga¸cão dos Feixes de Luz inci-dentes na Fibra Óptica. Em seu processo de fabrica¸cão, materiais (vidro) com diferentes ´ındices de refra¸cão são utilizados com o objetivo de otimizar o tempo de propaga¸cão no interior do nucelo. O núcleo tem um ´ındice de refra¸cão gradual – crescente de seu eixo central para a sua borda – que proporciona um menor ângulo de incidência do feixe de luz na interse¸cão entre o núcleo e a casca. Com isso a reflexão da luz e, consequentemente, a manuten¸cão da potência luminosa dentro do núcleo da fibra é melhor em rela¸cão a fibra de ´ındice degrau, com menor dispersão de pulso e maior capacidade de transmissão. [23]

Fibra ´optica monomodo

As fibras ópticas monomodo possuem dimensões de núcleo bem menores em rela¸cão `

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luz que trafega no interior do mesmo – o que ocasiona em um único modo de propaga¸cão, ou seja, os raios de luz percorrem o interior da fibra por um só caminho. Isso permite uma menor dispersão do sinal durante a propaga¸cão ao longo da fibra, apresentando atenua¸cão mais baixa, o que acarreta na possibilidade de uma distância maior sem o uso de repetidores de sinal, largura de banda bastante larga, ocasionando uma maior taxa de transmissão usada. [14]

As fibras monomodo tem de desvantagens uma fabrica¸cão mais complexa e dif´ıcil manuseio (instala¸cão, emendas) - devido às dimensões de seu núcleo serem reduzidas -, isto tornando mais dif´ıcil o seu alinhamento, com custo muito superior quando compara-das com as fibras do tipo multimodo e, também, dos materiais usados como conectores, componentes eletrônicos etc. [15]

Figura 2.12: Modo de propaga¸c˜ao nas fibras ´opticas. [16]

Tabela 2.1: Comparativo fibras multimodo x monomodo

Multimodo Monomodo

N´ucleo 50 a 200µm 8 at´e 10µm

Casca 125 a 400µm 125 a 240µm

Comprimento de onda 850 a 1300nm 1310 a 1650nm

Atenua¸c˜ao (dB/km) 4,0 (850nm) e 2,0 (1300nm) 0,4 (1310nm) e 0,3 (1.550nm) Transmissores e receptores simples e de menor custo complexo e de maior custo

Aplica¸c˜ao principal curtas distancias longas distancias

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2.3.2 Transmissores ´

opticos

As fibras ópticas jamais teriam ganhado for¸ca no mercado das telecomunica¸cões, sendo disseminadas em larga escala, se não houvesse um desenvolvimento em paralelo das fontes luminosas e dos receptores luminosos que permitissem a utiliza¸cão adequada das mesmas. [17]

Para sistemas de comunica¸cão por fibra óptica, temos dois dispositivos, dentre os mais usados, que merecem destaque na aplica¸cão da transmissão por fibra óptica: o Light Emition Diode (LED) e o Injection Laser Diode (ILD), ambos semicondutores modulados diretamente pela varia¸cão da corrente de entrada sendo responsáveis por fazer a conversão dos sinais elétricos em sinais de luminosos. [14]

LED

O LED ´e uma das fontes de luz mais comuns para os sistemas de comunica¸c˜ao ´

optica pelo fato de emitirem luz vis´ıvel, próxima de infravermelho. Com comprimentos de onda mais usados entre 820 e 850 nm. Em temperatura ambiente, a largura de banda t´ıpica de 3dB com 40 nm, aproximadamente, e são aplicados com taxas de transferência menores, entre 100 a 200 Mbits/s. [21]

Os LEDs fazem a conversão dos sinais elétricos em sinais ópticos através do processo de fotogera¸cão por recombina¸cão espontânea. Os LEDs são menos custosos e mais simples em rela¸cão ao Diodo Laser e são usados em sistemas de menor capacidade de transmissão, principalmente na primeira e segunda janelas ópticas. Os LEDs têm desvantagens em rela¸cão ao Diodo Laser, como: espectro de luz mais largo tendo uma emissão incoerente - largura espectral acima de 50 nm -,limita¸cões na velocidade de modula¸cão e ineficiência no acoplamento da luz. [22]

Diodo LASER

Os Diodos Lasers são melhores indicados para sistemas de longas distâncias, pois acoplam maiores potências luminosas nas fibras ópticas. Os Diodos Lasers realizam a conversão de sinais elétricos coerentes, espectro estreito altamente monocromático e muito direcional. Sua única desvantagem em rela¸cão aos LEDs é o seu custo mais elevado. [17] Os Diodos Lasers são mais frágeis e com uma vida útil menor comparada aos LEDs. ´

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de transmissão de 10Gb/s e frequência de modula¸cão de 25 GHz. O Diodo Laser tem uma dependência com a temperatura que, com sua varia¸cão, sua corrente de limiar pode aumentar. [25]

A diferen¸ca entre o LED e o Diodo Laser é que no LED as recombina¸cões são espontâneas e no Diodo Laser as mesmas são estimuladas. Uma das técnicas mais utiliza-das para a estimula¸cão no diodo laser é o uso de dois espelhos paralelos gerando, assim, uma interferência construtiva entre as ondas que ocorre de forma sucessiva até que uma potência aceitável seja atingida e o laser atravesse um dos espelhos. [17]

Figura 2.13: Largura espectral do Led e do Laser. [17]

2.3.3 Receptor ´

optico

Os receptores ópticos - fotodetectores - tem a responsabilidade de converter os sinais ópticos transmitidos pelas fibras ópticas em sinais de energia elétrica. Os receptores ´

opticos devem ser sens´ıveis aos menores n´ıveis de potência luminosa do sinal poss´ıvel, ou seja, conseguir converter, em sinal elétrico, a menor varia¸cão de potência luminosa vinda da fibra óptica e converter com o m´ınimo de erros de ru´ıdos poss´ıveis. [17]

A eficiência do receptor poder ser mensurada na rela¸cão sinal ru´ıdo do sinal re-cebido, sensibilidade, BER (Bit Error Rate), varia¸cão da potência. A potência luminosa no recebida pelo receptor óptico pode chegar em potência baix´ıssimas, na ordem dos na-nowatts, ocasionando à amplifica¸cão do sinal recebido necessária. Tendo isto em vista a capacidade de amplifica¸cão do sinal recebido perante o receptor, sem a gera¸cão de novos ru´ıdos e amplifica¸cão de ru´ıdos existentes é um fator primordial para a funcionalidade do mesmo. [17]

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Figura 2.14: Exemplo de diagrama de blocos do receptor. [17]

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Cap´ıtulo 3

Redes ´

opticas passivas

As redes ópticas são aplicáveis em qualquer um dos n´ıveis de redes de telecomuni-ca¸cões, como destacado anteriormente. Podem ser classificadas em varias categorias como: arquitetura ponto-a-ponto e a ponto-multiponto, e se, ao logo do sistema, há componen-tes alimentados eletricamente ou não. Essa última classifica¸cão, da denomina¸cão de Rede

´

Optica Ativa (AON) - se os nós remotos da rede forem alimentados eletricamente como os switchs - ou Rede Óptica Passiva (PON) - se os nós remotos da rede são elementos não alimentados eletricamente como os spliters. [20]

As PONs, em rela¸cão as AONs, apresentam facilidade de instala¸cão e atualiza¸cão, baixo custo de opera¸cão e manuten¸cão, confiabilidade, imunidade eletromagnética e cabos mais leves e compactos. Com isso, seu uso nas redes ópticas de acesso é muito mais disseminado entre os provedores de servi¸cos de telecomunica¸cões.[20]

Devido o objetivo do presente trabalho – que é o estudo das infraestruturas das redes ópticas passivas –, focaremos na aplica¸cão da comunica¸cão óptica nas redes de acesso - onde as PONs são massivamente utilizadas. Essa abordagem visa chegar em uma compara¸cão do or¸camento de implementa¸cão (CAPEX) e manuten¸cão (OPEX) dessas redes ópticas com diferentes tipos de infraestrutura, como mencionado anteriormente, principalmente a infraestrutura aérea, uma das mais usadas nas cidades do estado do Rio, com a alternativa crescente do uso de microvalas e microcabos ópticos.

Uma rede PON é aplicada principalmente como uma solu¸cão de acesso à última milha (Last-Mile), conectando os usuários e entregando altas taxas de transmissão para banda larga. A tecnologia das redes PONs possuem baixo custo e tem a capacidade de prover servi¸cos de dados, v´ıdeo e voz utilizando uma única fibra óptica. [46]

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3.1 Componentes

3.1.1 Cabos ´

opticos

Um cabo óptico é constitu´ıdo por múltiplas fibras ópticas revestidas com algum material que a proporcione certa resistência mecânica e prote¸cão contra intempéries. São estruturas com encapsulamento que tem como fun¸cão básica proteger e facilitar o manuseio das fibras. [19]

Nas redes de telecomunica¸cões, os cabos ópticos devem apresentar resistência me-cânica satisfatória para que danos às fibras no interior do cabo sejam evitados durante o procedimento de instala¸cão e manuten¸cão. Também devem prover um ´ındice de rigidez necessária onde curvaturas sejam suportadas sem que danifique as fibras ou atenuem o si-nal através da dispersão por curvatura. Analisando-se o caso de um ambiente mais hostil, no caso de um cabo aéreo que opere em condi¸cões de temperaturas extremas ou ainda os cabos subterrâneos que estão sujeitos à penetra¸cão de água e outros solventes, os cabos devem se manter ´ıntegros protegendo as fibras.

As fibras ópticas por possu´ırem uma alt´ıssima capacidade de transmissão, muito superior à qualquer cabo metálico ou sistema sem fio, se tornaram base para o cresci-mento de novas redes de comunica¸cão, principalmente devido à sua durabilidade e por não sofrerem interferências que afetam os demais meios de transmissão. Os cabos são categorizados de acordo com o ambiente que será instalado, pelo tipo de acomoda¸cão e pela sua fun¸cão, conforme observado na figura a seguir. [28]

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A constru¸cão dos cabos ópticos acontece em várias etapas, utilizando-se diversos elementos, aplicando-se capas protetoras, enchimentos, encordoamentos. Tudo sendo exe-cutado sob o aux´ılio de equipamentos de n´ıvel industrial, efetuando-se a amarra¸cão das fibras em torno de elementos de apoio e tra¸cão.

No intuito de garantir a durabilidade de um cabo óptico, é necessário não submeter as fibras a tensões mecânicas excessivas que ultrapassem as que foram especificadas pelo fabricante. Com esse objetivo, durante o processo de fabrica¸cão são utilizados elementos tensores e tubos que absorvem tais tensões no cabo. Tais elementos são de suma impor-tância durante sua constru¸cão, pois além de assegurar a estabilidade do cabo, permitem uma fácil identifica¸cão das fibras no seu interior. [28]

Durante a fabrica¸cão do cabo, fibra óptica, é submetida a um processo onde é totalmente revestida por uma camada de prote¸cão, onde as especifica¸cões técnicas dessa camada são definidas de acordo com o tipo de sistema ou instala¸cão que será feita. Os cabos, apesar de possu´ırem tais diferen¸cas, seguem o mesmo protocolo que garante uma transmissão sem perdas de suas caracter´ısticas, levando-se em considera¸cão a prote¸cão f´ısica durante e após a instala¸cão ser finalizada e uma durabilidade que acompanhe a vida ´

util do sistema onde est´a implementada. [19]

Nas aplica¸c˜oes no meio externo podemos categorizar os cabos ´opticos em dois modelos principais, com dois diferentes meios de preenchimento interno: os cabos de estrutura solta (cabo tipo Loose) e os de estrutura compacta (cabo tipo Tight ). [28] [29]

Figura 3.2: Compara¸c˜ao cabo ´optico tipo tight e tipo loose. [29]

Conforme a figura acima, podemos observar que os cabos para fins de aplica¸c˜ao externa obedecem a seguinte anatomia, resumidamente, de seu interior para seu exterior:

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cabo, servindo de elemento tensor durante fabrica¸c˜ao/instala¸c˜ao.

- Tubos de Prote¸cão: sobre o elemento central, as fibras ópticas são alocadas dentro dos chamados tubos de prote¸cão e os elementos de enchimento (caso seja necessário). Sobre essa estrutura, pode ou não ser aplicada um isolamento contra a umidade que pode ser constitu´ıda de geleia de petróleo OU polietileno.

- Elemento de Preenchimento: sob o conjunto formado anteriormente, preenche-se com geleia sint´eticas para evitar a entrada de umidade no cabo, eliminando-se qualquer espa¸co vazio.

- Revestimento: após todos os processos anteriores é feito o revestimento, parte final que é feito com um material plástico aplicado por extrusão (normalmente PVC).

- Prote¸cão Adicional: caso exista a necessidade, pode-se incluir um elemento de refor¸co para esfor¸cos mecânicos, como exemplo pode-se citar: armadura convencional de duas fitas de a¸co aplicadas em sentido helicoidal, ou de uma só fita de a¸co no sentido lon-gitudinal e corrugada (utilizados em cabos que serão diretamente enterrados), ou ainda um tensor exterior (metálico ou não), caso seja destinado à instala¸cão aérea. [28]

Estrutura tipo loose

Os cabos desta categoria apresentam as fibras acondicionadas no interior de tubos plásticos (mais comumente conhecidos como tubos loose, tubos de transporte ou tubetes) com diâmetro interno muito maior que o diâmetro da fibra utilizada (entre 1mm e 3mm), e que proporciona a primeira prote¸cão às fibras ópticas, isolando-as assim das tensões que podem vir a afetar o cabo óptico.

No interior do tubo acrescenta-se um material para preenchimento, na maioria dos casos é utilizado um tipo de gel sintético ou silicone, que acarreta em uma maior prote¸cão contra varia¸cões de temperatura, prote¸cão extra contra contato com a água e choques mecânicos.

Uma outra importante possibilidade desta categoria é o “cabo seco”, que funciona de maneira similar ao dito anteriormente, no entanto, ao invés de ser preenchido com o gel sintético, utiliza-se um composto com caracter´ısticas chamadas hidro expans´ıveis. Esse composto previne a umidade que surge no contato de água com o cabo.

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seu material de preenchimento, batiza-se como “unidade básica”. Além da unidade básica, também é introduzido um elemento de tra¸cão constitu´ıdo de um pol´ımero sintético de grande resistência que dá sustenta¸cão e rigidez ao conjunto para depois receberem um revestimento final. [15] [19] [28]

Figura 3.3: Sec¸c˜ao transversal cabo tipo loose. [28]

A estrutura Loose é interessante para cabos que são submetidos a elevadas tensões durante o processo de instala¸cão ou em opera¸cão, como em redes aéreas e submarinas em longas distâncias, apresentando como caracter´ısticas:

- maior resistência contra varia¸cões de temperaturas: Com varia¸cões da tempera-tura, o cabo tem por natureza o ato de expandir ou retrair, porém com as fibras “soltas” dentro dos tubos de transporte não há esfor¸co sobre elas.

- maior prote¸cão contra a umidade: A água, em contato com a fibra, pode pro-vocar, ao longo do tempo, microfissuras. O gel de preenchimento acaba dificultando a penetra¸cão da água em um poss´ıvel rompimento do tubo.

A aplica¸cão dos cabos com estruturas tipo loose é indicada em ambientes externos, por proteger as fibras de grandes varia¸cões de temperatura e umidade, tendo em vista tal cenário o modelo torna-se o mais adequado para sistemas de telecomunica¸cões.

Não recomendado para ambientes internos, pela dificuldade de manuseio, devido ao seu volume f´ısico e por alguns modelos possu´ırem o gel de preenchimento derivados de petróleo, que é propagante a chamas. [28]

Os cabos que utilizam a estrutura tipo loose mais difundidos nas aplica¸cões de redes ópticas são:

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1) Cabo Loose Tube: são cabos, com medida de diâmetro pequena, com tubos de transporte são preenchidos com 2 a 12 fibras no seu interior. Apresentam como vantagem um menor custo em cabos de baixa contagem. [28]

Figura 3.4: Cabo Loose Tube. [29]

2) Cabo Core Tube: os tubos de transporte têm diâmetro maior, podendo receber alta contagem de fibras (acima de 12). Apresenta como vantagem menor custo por fibra, tem maior facilidade na decapagem e menor diâmetro externo do cabo. [28]

3) Cabo Groove: tem núcleo ranhurado, em formato de estrela, para a acomoda¸cão das fibras e dar dar resistência mecânica ao conjunto. Esse tipo de interior permite um número muito maior de fibras por cabo. [24]

Figura 3.5: Cabo Groove. [24]

4) Cabo Ribbon: neste cabo, as fibras são dispostas em fitas agrupadas em conjunto de 12, dentro de um tubo central de preenchimento. Como vantagem temos o custo por fibra, maior facilidade na decapagem, menor diâmetro externo do cabo e facilidade de identifica¸cão devido à disposi¸cão das fibras. [29]

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Figura 3.6: Cabo Ribbon. [30]

Estrutura tipo Tight

Nessa modalidade de cabo, o acrilato é o revestimento primário, com o uso mais frequente, tal material apresenta uma resistência à flexão das fibras. A estrutura ainda apresenta um revestimento secundário, em plástico ou poliéster, que é aplicado direta-mente na fibra. Ao contrário da estrutura tipo loose, as fibras estão em contato direta-mente com a estrutura do cabo e submetidas diretadireta-mente às tensões mecânicas aplicadas. [28]

O modo compacto (tight ) se apresenta com dimensão menor, 0,9mm, 2mm e 3mm de espessura, permitindo a constru¸cão de cabos multi-fibras com um número maior e com maior resistência a for¸cas de esmagamento. Algumas das aplica¸cões para tal tipo de cabo podem ser citadas como:

- aplica¸c˜oes interedif´ıcios (subterrˆaneo);

- sistema de cabeamento primário interno (entre pisos); - distribui¸cão secundária, utilizando-se calhas e canaletas; - instala¸cão em dutos congestionados; e

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Figura 3.7: Seçcão transversão estrutura tipo Tight. [28]

A estrutura tipo tight foi uma das primeiras a serem utilizadas nas redes de tele-comunica¸cões. Nos dias atuais, seu uso é frequentemente empregado em aplica¸cões como redes internas em curtas distâncias e onde se faz necessária alta conectoriza¸cão. Possuindo como caracter´ısticas:

- Flexibilidade: o revestimento adicional tem fun¸c˜ao de proteger a fibra contra microdobras que podem ocorrer na passagem de infraestruturas apertadas ou com muitas curvas. Apresenta um menor raio de curvatura nos cabos com n´umero baixo de fibras em seu interior.

- Manuseio: facilita o manuseio no lan¸camento e instala¸cão de conectores dentro de distribuidores ópticos e na montagem dos cordões de manobras.

Sua aplica¸cão é indicada, principalmente, em ambientes internos onde a passagem dos cabos exige maior prote¸cão em rela¸cão às microdobras. Não é indicado para instala¸cões externas pois devido às condi¸cões muito longas e severas de exposi¸cão a intempéries se torna mais frágil do que o tipo loose se tratando a varia¸cões de temperatura e tra¸cão externa.

Os cabos que utilizam a estrutura tipo tight mais difundidos nas aplica¸cões de redes ópticas são:

1) Cabo Breakout : neste cabo, cada fibra possui seu próprio elemento de tra¸cão e capa externa, sendo agrupadas e cobertas por uma outra capa externa secundária. A principal vantagem desse tipo de cabo é permitir a instala¸cão de conectores, sem aux´ılio de caixas de termina¸cão, garantindo a prote¸cão das fibras e possibilitando manobras com

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as mesmas. Durante o uso desse tipo de fibra elimina-se o uso de bastidores e cord˜oes ´

opticos pois este tipo de cabo pode realizar conex˜ao direta com os elementos ativos da rede. [27] [31]

Figura 3.8: Cabo Brerakout. [31]

2) Cabo Distribution: este cabo possui v´arias fibras individuais com apenas um ´

unico membro de resistência de aramida em torno de todas as fibras. Essa categoria de cabo possui um revestimento primário (acrilato) e um revestimento secundário (PVC) com elementos de tra¸cão (fios de kevlar), formando uma estrutura que é, novamente, revestida (PVC) com material retardante a chamas, resistência à raios ultravioletas e fungos. Tal configura¸cão possui diversas vantagens, como: diâmetro externo reduzido, alta flexibilidade, permite a termina¸cão dos conectores diretamente na fibra. Recomenda-se Recomenda-sempre terminar esRecomenda-se tipo de cabo em algum tipo de bastidor óptico, e a partir dos bastidores utilizar cordões ópticos para interligar com equipamentos ativos. [27] [31]

Figura 3.9: Cabo Distribution. [31]

3) cordão óptico: trata-se de cabos de fibra óptica pré conectorizado em suas extremidades, para uso interno. O comprimento pode variar entre 1 a 20 metros. Sua principal fun¸cão é a de interligar dispositivos ópticos, painéis e equipamentos de testes, acessórios de termina¸cão dos cabos, tais como os Distribuidores Internos Ópticos (DIO’s) e termina¸cões ópticas. [28]

(47)

4) Cabo Pigtail : é um cabo monofibra que possui o conector em apenas uma de suas extremidades. É usado para fazer a ponte entre os cabos ópticos que não conectorizados (aplicando a emenda óptica) com os cordões ópticos. [28]

Figura 3.10: Cabos: cord˜ao ´optico e Pigtail. [32] [33]

Outras estruturas de cabos ´opticos relevantes

1) Cabo de baixo atrito (Drop Low Friction): popularizado pela nomenclatura de ”cabo drop”, é constitu´ıdo por fibras ópticas monomodo com uma baixa sensibilidade a curvatura e pode ser utilizado tanto em ambientes externos quanto em ambientes internos. Possui um elemento de sustenta¸cão destacável. É revestido externamente em um material termoplástico que tem como caracter´ısticas principais: não propagar chamas e prote¸cão do cabo contra os raios UV. Esse tipo de cabo possui uma constru¸cão bastante compacta, com tamanho reduzido e o formato que permite baixo atrito durante a instala¸cão. Indicado para FTTx. [28]

Figura 3.11: Cabo Drop. [28]

2) Cabo blindado (Armored ): é um cabo que apresenta uma prote¸cão metálica adicional com um tubo corrugado. Sua principal vantagem é garantir uma melhor prote¸cão para ambientes agressivos e de roedores, podendo assim ser enterrado diretamente no solo. [28]

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3) Cabo Optical Ground Wire (OPGW): consiste em um cabo de transmissão de energia elétrica contendo em seu interior uma unidade central com as fibras em uma estrutura loose que garante tensão axial zero nas fibras de opera¸cão. As vantagens desse cabo são: a diminui¸cão dos custos de instala¸cão devido um único cabo realizar as duas fun¸cões (transmissão de energia elétrica e transmissão de dados) necessitando então de apenas uma única instala¸cão. Dessa maneira, ele funciona em sistemas de alta capacidade, para instala¸cões em linhas de transmissão de energia elétrica. [28]

Figura 3.12: Cabo blindado e OPGW. [34] [35]

4) Cabos Submarinos: são usados em rios, lagos e oceanos. Seus requisitos de fabrica¸cão são bem mais rigorosos, comparados aos cabos subterrâneos, devido as altas pressões exercidas pela água. Os usados em rios e lagos, recebem várias camadas de prote¸cão, com o objetivo de bloquear o contato com a água e possuem um ou mais revestimentos interiores de polietileno e uma pesada armadura externa. Os fabricados para instala¸cão em oceanos, possuem mais camadas de blindagem e fios de cobre para fornecer energia elétrica a amplificadores ópticos ou regeneradores submersos. [19]

Figura 3.13: Cabo submarino. [19]

5) Cabos h´ıbridos (Hybrid fiber copper - HFC ): os HFCs possuem condutores me-tálicos associados às fibras ópticas. Normalmente, são utilizados em trechos de médias

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e longas distâncias, em instala¸cões internas de redes e TV a cabo. Os cabos h´ıbridos possuem como desvantagem a dificuldade da instala¸cão em ambientes internos e manu-ten¸cão demorada no caso de um rompimento. Oferecem problemas para administra¸cão do cabeamento em sistemas estruturados e apresentam um considerável n´ıvel de atenua¸cão em grandes distâncias. [19] [28]

Figura 3.14: Cabo h´ıbrido (HFC). [36]

Tabela 3.1: Aplica¸c˜oes e caracter´ısticas dos principais cabos ´opticos.

Tipo de cabo

Aplica¸c˜

ao

Caracter´ıstica

Tight buffer

Rede de acesso e redes

inter-nas

Montagem de cord˜

oes ´

opti-cos

Distribution

Rede de acesso e redes

inter-nas

Concentra¸c˜

ao de fibras em

pequeno volume

Breakout

Rede de acesso e redes

inter-nas

Robustez e f´

acil manuseio

em ambienres internos

Loose tube

Rede externa (alimenta¸c˜

ao

e distribui¸c˜

ao)

Seco ou com gel, aplica¸c˜

oes

gerais em rede externa

Armored

Rede externa (alimenta¸c˜

ao

e distribui¸c˜

ao)

Prote¸c˜

ao contra roedores e

outros danos mecˆ

anicos

Ribbon

Rede externa (alimenta¸c˜

ao

e distribui¸c˜

ao)

Alta contagem de fibras em

pequeno volume

[27]

3.1.2 Terminal de linha ´

optica

Os terminais de linha óptica (OLT) são equipamentos responsáveis pelo forneci-mento da interface ao núcleo da rede de telecomunica¸cões com um sistema de roteamento

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e gerenciamento. Suportam distâncias de transmissão de até 20km, ficam, geralmente, lo-calizados na central de equipamentos dos provedores de servi¸cos e tem as seguintes fun¸cões:

- conversão dos sinais de óptico para elétrico e vice-versa;

- controle de transmissão bidirecional, multiplexa¸cão e demultiplexa¸cão; - conexão cruzada de sinais e servi¸cos;

- fun¸cões de opera¸cão, administra¸cão, manuten¸cão; e - conversão de interfaces na rede passiva.

No downstream – dire¸cão ao usuário –, o OLT transmite o sinal óptico, em forma de broadcast, ou seja, todos os usuários recebem todos os dados transmitidos pela OLT. A OLT tem capacidade de fornecer servi¸cos de voz, dados e v´ıdeo. No upstream – dire¸cão do usuário para o OLT –, o mesmo faz o gerenciamento e distribui vários tipos de tráfego de voz e dados dos usuários da rede. [28] [23]

Figura 3.15: OLT SmartAX S´erie MA5600T HUAWEI. [38]

3.1.3 Terminais de rede ´

optica

Os terminais de redes ´opticas – unidade de rede ´optica (ONU) e o terminal de rede ´

optica (ONT) – são elementos ativos e que têm a fun¸cão de adequar o sinal proveniente do OLT para o devido uso dos dispositivos, tais como telefones IP, computadores, TV entre outros. Eles concentram o tráfego do sinal broadcast, recebido do OLT, gerenciando o encaminhamento das mensagens devidamente para cada um dos usuários que a eles estão

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atrelados, sendo respons´aveis tamb´em por:

- Conversão dos sinais de óptico para elétrico e vice-versa; e

- Controle de transmissão bidirecional, multiplexa¸cão e demultiplexa¸cão. [28]

ONT

A ONT é instalada, geralmente, em ambiente interno, diretamente nas dependˆ en-cias do usuário. Com isso, visa proporcionar uma conexão óptica dedicada ao usuário permitindo a aloca¸cão de uma banda dinâmica, ou seja, transmitindo em pequenos espa-¸cos de tempo - que são controlados pela OLT - tendo uma intensa utiliza¸cão da banda alocada. Esses equipamentos fazem a interface com os equipamentos do usuário podendo ter - as ONTs mais recentes - entradas Ethernet, entradas para telefonia, Wi-Fi, sa´ıda de v´ıdeo etc. [28] [46]

ONU

Uma ONU tem a mesma funcionalidade da ONT, porém é instalado em ambiente externo ao usuário, geralmente em armários de telecomunica¸cões em espa¸co público, com alimenta¸cão elétrica autônoma e prote¸cão contra chuva e vandalismo. A ONU se co-necta com o usuário, geralmente, por meio de cabos de pares de fios tran¸cados (x Digital Subscriber Line - xDSL) ou cabos coaxiais, podendo, também, ser via rádio enlace. [46] [23]

Figura 3.16: ONU S´erie SmartAX EA5821 HUAWEI. [37]

3.1.4 Divisores ´

opticos passivos

Um divisor ´optico passivo (Passive Optical Splitter – POS), ou simplesmente spli-ter, ´e, geralmente, usado na Optical Distribution Network (ODN) e instalado dentro das caixas de emenda. Compreende em um divisor, bidirecional, onde o sinal de luz - no

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sentido de downstream - é distribu´ıdo entre as fibras ópticas conectadas no mesmo permi-tindo o fracionamento da potência luminosa ao longo do sistema. Já no sinal de upstream o sinal é combinado e transmitido pela rede óptica de volta ao OLT.

´

E um componente passivo, ou seja, não necessita de alimenta¸cão elétrica para seu funcionamento. Os spliters podem ser balanceados ou desbalanceados, ou seja, podem dividir a potência luminosa de uniformemente ou não, de acordo com a topologia da rede e da localiza¸cão geográfica dos usuários. [28] [46] [23]

Figura 3.17: Esquem´atico de uma PON. [28]

3.2 Padr˜

oes

Os primeiros padrões de comunica¸cão das redes PONs – desenvolvidos até a década de 1990 – usavam a multiplexa¸cão por divisão no tempo (TDM) mas, para os servi¸cos de telefonia e de Integrated Service Digital Network (ISDN), as taxas de transmissão não atendiam a demanda de forma suficiente, devido a demanda do transporte de dados.

3.2.1 APON

Na d´ecada de 1990 foi desenvolvido o ATM Passive Optical Network, baseado no protocolo Asynchronous Transfer Mode (ATM), para uma integra¸c˜ao sistemas Digital SubscriberLine (DSL/xDSL).

O atendimento final ao usuário pelas Redes xDSL, limita a banda dispon´ıvel a ele pelo distância em que o mesmo se encontra em rela¸cão ao armário de telecomunica¸cões e