Sistemas de Comunicação Óptica

(1)

Sistemas de Comunicação

Óptica

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e

e de Computadores

(2)

Objectivos

• Estudar as tecnologias que servem de base à

transmisssão óptica, e analisar os conceitos,

arquitecturas e normas subjacentes às redes

ópticas do presente e do futuro.

• Proporcionar os conhecimentos e metodologias

apropriados para conceber e dimensionar diferentes

tipos de sistemas e redes de telecomunicações

(3)

Programa (I)

1. Introducão à comunicação óptica

2. Tecnologias de comunicação óptica

2.1 Fibras ópticas e componentes passivos 2.2 Lasers e fotodetectores

2.3 Amplificadores ópticos 2.4 Multiplexadores e filtros 2.5 Comutadores ópticos

3. Aspectos de engenharia de transmissão óptica

3.1 Princípios de transmissão digital óptica 3.2 Transmissão com amplificação

3.3 Limitações da transmissão 3.3.1 Dispersão

3.3.2 Ruído dos amplificadores ópticos 3.3.3 Não-linearidades da fibra

3.3.4 Diafonia óptica

(4)

Programa(II)

4. Redes ópticas da primeira geração

4.1 Redes SDH

4.1.1 Princípios e elementos de rede 4.1.2 A camada física

4.2 Redes FDDI 4.3 Gigabit Ethernet

4.4 Redes de televisão por cabo

4.5 Acesso óptico (PONs, FTTC, FTTH) 4.6 Cabos submarinos ópticos

5. Redes de transporte WDM

5.1 Técnicas de multiplexagem WDM

5.2 Estrutura dos elementos de rede (OADM, OXC) 5.3 Topologias físicas e lógicas

5.4 Encaminhamento e atribuição de comprimentos de onda 5.5 Protecção e restauro a nível óptico

5.6 Concepção e planeamento de redes ópticas 5.7 Transporte de IP sobre WDM

(5)

Programa(III)

6.

Tecnologias ópticas do futuro

6.1 Redes ópticas com comutação automática 6.2 Comutação de pacotes óptica

(6)

Aspectos Pedagógicos

Bibliografia

J. Pires, Transparências de SCO (Secretaria da Secção de Telecomunicações, 4º

andar, Torre Norte)

J. Pires, Sistemas de Comunicação Óptica, IST

R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, Optical Networks - A practical perspective, Morgan Kaufmann Publishers, Inc., 2002

Avaliação de conhecimentos

(7)

Aspectos da Evolução das Comunicações Ópticas

1960 – Realização do primeiro laser

1966 – Proposta para usar as fibras ópticas em telecomunicações (Kao)

1970 – Fabrico da primeira fibra óptica de sílica dopada (20 dB/km)

1970 – Fabrico do primeiro laser de AlGaAs operando entre 0.8 e 0.9

µµµµ

m

1976 – Primeiro sistema de comunicação óptica (45 Mbit/s,

λλλλ

=0.82

µµµµ

m)

1977 – Primeiros sistemas comerciais da 1ª geração (

λλλλ

=0.85

µµµµ

m)

1980 – Primeiros sistemas comerciais da segunda geração (

λλλλ

=1.3

µµµµ

m)

1984 – Introdução em Portugal (CTT) dos sistema da 1ªgeração

1985 – Demonstração de amplificação óptica em fibras dopadas com Er

1988 – Primeiro cabo submarino digital com fibra(40000 circuitos,1.3

µµµµ

m)

1991 – Transmissão de 10 Gbit/s na distancia de 10

6

_{km com solitões}

1996 – Cabo submarino óptico TAT12/13 (122 880 circuitos)

1996 – Primeiro sistema comercial WDM com 8 comprimentos de onda

1999 – Cabo submario óptico TAT14/15 (40 Gbit/s , ~10

6

_circuitos)

(8)

Espectro óptico e comprimentos de onda

• Os sistemas de comunicação óptica operam na banda de comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, que correspondem à região do

infra-vermelho (não visível pelo olho humano) do espectro óptico.

• A normalização dos comprimentos de onda a usar nos sistemas de comunicação óptica é feita pela norma G.692 do ITU-T. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz (≈≈≈≈ 0.4 nm), com a frequência central nominal de 193.1 THz (1552.52 nm).

Ultra-violeta _Visível _{Infra-vermelho}

0.05 0.4 0.7 100 λ (µm) Banda usada pelos sistemas de comunicação óptica

6×1015 _4.3×₁₀14 ₃×₁₀12 ν (Hz) frequência (ν) 193.1 THz 50 GHz 50 GHz 50 GHz

Relação entre um espaçamento na frequência (∆ν) e um espaçamento no comprimento de onda (∆λ)

λ λ ν = ∆ ∆ ₂ 0 c Comprimento de onda Frequência c = νλ

(9)

Evolução dos sistemas de comunicação óptica (1)

• 1º ) Sistemas com lasers multimodais ou LEDs e fibra óptica multimodal

(banda 0.8- 0.9 µµµµm). Distâncias entre regeneradores até 10 km e débitos binários entre 34 e 140 Mbit/s.

• 2º) Sistemas com lasers multimodais e fibra óptica monomodal (comprimento de onda de 1.3 µm). Distâncias entre regeneradores de cerca de 40 km e

débitos de algumas centenas de Mbit/s.

• 3º) Sistemas com lasers monomodais e fibra óptica monomodal (comprimento de onda de 1.55 µm). Débitos binários até 2.5 Gbit/s.

Emissor R R R R R Receptor

Regenerador Fibra óptica multimodal Laser multimodal

Emissor R R R Receptor

Regenerador Fibra óptica monomodal Laser multimodal

Emissor R R Receptor

(10)

Evolução dos sistemas de comunicação óptica (2)

• 4º) Sistemas com lasers monomodais, fibra óptica monomodal (1.55 µm) e

amplificadores ópticos. Distâncias entre regeneradores de cerca de 600 km para débitos binários de 2.5 Gb/s e de cerca de 50-60 km para 10 Gbit/s.

• 5º) Sistemas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou

WDM (wavelength division multiplexing). Os multiplexadores ópticos agregam vários sinais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer. Há sistemas comerciais a operar a 1.6 Tb/s (160××××10 Gb/s).

Emissor Receptor

Amplificador óptico Fibra óptica monomodal Laser monomodal + modulador externo MUX λ₁ _{Sinal multiplex}_⇒_λ 1, λ2,λ3,..., λN DMUX Laser 1 Laser 2 Laser N λ₂ λ_N Receptor Óptico 1 Receptor Óptico 2 Receptor Óptico N λ₁ λ₂ λ_N Fibra óptica

(11)

Evolução do Tráfego Total

• O tráfego telefónico de voz

tem um crescimento entre

10 a 15% ao ano

• O tráfego de dados

(Internet) tem um

crescimento superior a

100% ao ano

• Em muitas redes o tráfego

de dados é dominante

Dados (Internet) Telefónico (voz)

1990 2010 Tráfego

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

Diferentes tipos de informação

• Informação contínua ou analógica

Variação contínua de um fenómeno físico (temperatura, voz, imagem).

Um elemento de captação origina uma tensão eléctrica proporcional à

amplitude do fenómeno físico analisado.

• Informação discreta

Informação resultante da conjugação de diferentes elementos, independentes

uns dos outros (Um texto é uma associação de letras).

• Nas redes digitais é necessário representar a informação numa forma

binária, o que implica uma codificação para a informação discreta e uma

digitalização para a informação analógica.

(17)

Digitalização da informação

• A digitalização de um sinal analógico envolve três diferentes etapas:

amostragem, quantificação e codificação

• A amostragem consiste em retirar amostras do sinal em intervalos

regulares. A quantificação em fazer corresponder à amplitude de cada

amostra um determinado valor. A codificação em transformar este valor

numa palavra binária.

8 7 6 5 4 3 2 1 Período de amostragem Ta Relógio Amostragem Quantificação

(18)

• A frequência de amostragem mínima (Fa) de um sinal deve ser igual ao dobro da frequência máxima do sinal a amostrar ( Fa≥≥≥≥2B).

• Um canal telefónico usa uma banda entre os 300 e os 3400 Hz. Assumindo uma

frequência máxima de 4000 Hz, tem-se uma frequência de amostragem de 8 kHz, ou seja, um período de amostragem de 125 µµµµs. Codificando cada amostra com 8 bits tem-se um débito de 64 kbit/s.

• Normalmente, em telefonia digital uma via física é usada para transmitir vários canais. A associação desses diferentes canais é feita usando multiplexagem por divisão no tempo ou TDM. Nessa técnica em cada 125 µµµµs é atribuído um intervalo de tempo ( time-slot) a cada canal. Para um sinal multiplexer com 32 canais ( 30 de informação), a estrutura de uma trama é dada por

• Cada conjunto de 8 bits ( time-slot) não poderá durar mais de 125µµµµs/32=3.9 µµµµs, o que corresponde a 488 ns por bit, ou seja um débito binário de 2.048 Mbit/s.

Débitos binários

1 2 3 4 31 32

125 µs

(19)

Hierarquias TDM

• Hierarquias Plesiócrona

• Hierarquia Síncrona

274.176 44.736 6.312 1.544 USA (Mbit/s) 139.264

4ª

34.368

3ª

8.448

2ª

2.048

1ª

Europeia (Mbit/s) Hierarquia 9953.28 2488.32 622.08 155.52 Débito (Mbit/s) STM-64

4ª

STM-16

3ª

STM-4

2ª

STM-1

1ª

Sinal SDH Hierarquia

(20)

Codificação da informação discreta

• A lexicografia de um código é o número de símbolos que é possível representar com esse código. Em lógica binária com n elementos binários podem-se representar N=2n _símbolos.

• O código ASCII ( American Standard Code for Information Interchange) é um código com 7 bits, e para além de representar os caracteres alfa-numéricos, representa também

caracteres de controlo

• O código EBCDIC( Extended Binary Decimal Interchange Code) é um código de 8 bits usado normalmente nos PC

• Um código binário pode também ser usado para representar e transmitir imagens e gráficos. Cada imagem pode ser vista como uma associação de pontos ou pixels e cada pixel pode ser representado por uma palavra de código com 8 bits

• Transmitindo um sequência de 25 imagens por segundo tem-se um sinal de vídeo ou televisão Ex. Um imagem tem 720 pixels por linha e 575 linhas. Com 8 bits por pixel tem-se 3312000 bit/imagem. Para um ritmo de 25 imagens por tem-segundo têm-tem-se um débito de 82.8 Mbit/s, cerca de 1000 vezes superior ao débito da voz.

(21)

Aspectos de transmissão

• Normalmente, antes da transmissão os diferentes canais são multipexados (multiplexagem por divisão na frequência ou por divisão no tempo).

• Na transmissão digital a sequência é caracterizada pelo débito binário Db, ou seja pelo número de bits transmitidos por unidade de tempo.

• Os meios de transmissão (pares simétricos, cabos coaxiais, fibras ópticas, feixes hertzianos, satélites, etc ) vão atenuar e distorcer o sinal. Para além disso o sinal vai ser perturbado por ruído e por interferências.

• A presença dessas perturbações pode introduzir erros na transmissão digital. O desempenho destes sistemas é assim caracterizado pela taxa de erros

binários ou BER ( bit error rate), em que BER=(bits errados) / ( bits transmitidos).

• Normalmente em transmissão digital é necessário a partir de um certo nível de degradação reformatar o sinal usando regeneradores.