Redes de Transporte Ópticas

Redes de Telecomunicações

Capítulo 5

Espectro Óptico e Comprimentos de Onda

• Os sistemas de comunicação óptica operam na banda do espectro

electromagnético com comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, ou seja na região do infra-vermelho (não visível pelo olho humano).

• O ITU (International Telecommunications Union) definiu seis bandas passíveis de serem usadas pelos sistemas de comunicação sobre fibra óptica.

• As bandas mais usadas pelos sistemas comerciais são as bandas O e C.

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) Comprimento de onda Frequência c = νλ

Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L Banda U

Largura de Banda de Transmissão

• A relação entre um espaçamento no domínio da frequência (Δν) e um espaçamento no domínio do comprimento de onda (Δλ) é dada por

onde λ₀ é o comprimento de onda central na banda considerada e c é a velocidade de propagação da luz no vazio.

• A largura de banda total de transmissão correspondente às bandas do ITU é calculada na tabela seguinte:

λ

λ

ν

≅

Δ

Δ

₂ 0

c

5.51 50 1650 Ultralong U 7.08 60 1595 Long L 4.39 35 1547.5 Conventional C 9. 40 70 1495 Short S 15.09 100 1410 Extended E 17.48 100 1310 Original O Δν (THz) Δλ (nm) λ₀(nm) Designação Banda Total

59 THz

Fibras Ópticas

• As fibras ópticas dividem-se em fibras monomodais e fibras multimodais. As redes WDM (Wavelength Division Multiplexing) só usam fibras monomodais.

• Os principais fenómenos limitativos são a atenuação e a dispersão. O primeira é responsável por reduzir a amplitude dos pulsos e a segunda por alargá-los.

0 1 2 3 4 5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Comprimento Onda (μm) Co eficien te d e aten u ação (d B/km ) 0 1 2 3 4 5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Comprimento Onda (μm)

Fibra óptica monomodal normal _{Fibra óptica monomodal “AllWave”}

Co eficien te d e aten u ação (d B/km ) 1330-1625 nm 0.35 dB/km 0.35 dB/km 1440-1625 nm

A fibra óptica monomodal normal apresenta um pico de atenuação devido à absorção OH em 1385 nm. A fibra “AllWave” elimina este pico.

A banda disponível para WDM (atenuação ≤ 0.35 dB/km) situa-se entre os 1440 e 1625 nm, o que corresponde a 370 canais para um espaçamento de 0.5 nm.

Fibra Normal

A banda disponível para WDM (atenuação ≤ 0.35 dB/km) situa-se entre os 1330 e 1625 nm, o que corresponde a 590 canais para um espaçamento de 0.5 nm.

Fibra “AllWave” Sinal WDM

Caracterização da Atenuação

• A atenuação (A_f) é uma medida da perda de potência do sinal óptico resultante da propagação ao longo da fibra óptica e exprime-se usualmente em decibel (dB), ou seja

• É usual nas comunicações em fibra óptica exprimir a potência óptica em dBm, definida como sendo o nível de potência, em escala logarítmica, medido

relativamente a 1 mW, ou seja

• Por sua vez

• A fibra óptica é caracterizada em termos do coeficiente de atenuação, definido como sendo a atenuação por unidade de comprimento, ou seja

)

(

)

0

(

log

10

L

p

p

A

o o f

=

po(0): potência na entrada em mW p_o(L): potência na saída em mW

mW

1

log

10

dBm)

(

0 o

p

P

=

0 dBm = 1 mw _{30 dBm= 1W}

dB)

(

(dBm)

)

0

(

dBm)

)(

(

_{o f} o

L

P

A

P

=

−

(km)

/

)

dB

(

(dB/km)

=

A

_f

L

α

Bandas de Utilização das Fibras

WDM, LAN

PON

Monomodal

(G.652)

1460-1530

S

Sexta

WDM

Monomodal

(All Wave)

1350-1450

E

Quinta

WDM

Monomodal

(G.653)

1565-1625

L

Quarta

Mono –λ

e WDM

Monomodal

(G.655)

1530-1565

C

Terceira

Mono –λ PON, Ethernet

Monomodal

(G.652)

1260-1360

O

Segunda

LAN, Ethernet Ex:1000 Base-Sx

Multimodal

820-900

__

Primeira

Aplicações

Tipo de fibra

Banda (nm)

Designação

Janela

Transmissão Digital Óptica

• Considera-se um sistema de transmissão digital óptico com compensação da dispersão, através de uma fibra compensadora de dispersão (DCF):

• As fontes ópticas podem ser de três tipos: LED, Laser modulado directamente e laser+modulador externo.

Filtro v(t) Fonte óptica Fibra Óptica Juntas P_s(0) P_s(1) P_r(0) P_r(1) DCF Corrente I t t P₀ t t V P₀ P₀ Modulador externo Laser modulado directamente Laser + modulador externo Receptor óptico Regenerador Pré-amplificador Fotodíodo BER Razão de extinção (r) =P_s(0)/P_s(1)

Fotodetecção

• No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material

semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico

.

•

Fotodíodos PIN

Os fotodíodos PIN são baseados numa junção p-n com material

intrínseco (I) colocado entre os dois tipos de semicondutor. A junção é

polarizada inversamente

.

J.s 10 63 . 6 , = × −34 = < h E hc g c λ λ Ec E_v E_g Banda de condução Banda de valência + _ Fotão Par electrão-lacuna InP InP p n + InPAs i Região de absorção Região de depleção Campo Eléctrico x

O campo eléctrico é intenso em quase toda a região de absorção.

Caracterização dos Fotodetectores

• Num fotodíodo PIN ideal por cada fotão incidente na região de absorção seria originado uma par electrão-lacuna na região de depleção. Num PIN real a

eficiência de conversão η (designada por eficiência quântica) é inferior a um.

• Num fotodetector APD (Avalanche Photodiode) o processo de multiplicação por avalanche é caracterizado por um ganho m(t) aleatório com valor médio

M.

PIN

Potência óptica incidente, P_o Foto-corrente, I

η, R_λ ν η h P q I o/ / incidentes fotões de ritmo lacuna -electrão pares de geração de ritmo = = q=carga do electrão=1.602×10-19_C

ν:frequência da radiação óptica

[ ]

1.24 m μ λ η η λ = = = hv q P I R o Respostividade (A/W) h=constante de Planck=6.626×10-34_J.s + _ + _ + _ Fotão incidente Par electrão-lacuna Ionização por impacto Multiplicação de avalanche Corrente instantânea: i(t)=R_λm(t)P₀ Corrente média: I =<i>=RλMP0

Caracterização do Sinal Recebido

• Admitindo que o fotodetector é um PIN a corrente na sua saída tem a contribuição do sinal e do ruído quântico. Essa corrente é dada,

respectivamente, para o nível lógico 1 (i₁(t)) e para o nível 0 (i₀(t)) por

• Tendo presente que o receptor introduz ruído de circuito, a corrente na saída do filtro (para os dois níveis lógicos) é dada por

) ( ) 1 ( ) ( : 1 lógico

nível i₁ t =R_λP_r +i_q1 t nívellógico0: i₀(t)=R_λP_r(0)+i_q0(t)

) ( ) ( : 1 lógico

nível i₁ t =I₁+n₁ t _{nívellógico0: ( ) ( )} 0 0 t I n t

i = _o +

Valor médio da corrente para o nível 0 Valor médio da

corrente para o nível 1

Corrente de ruído para o nível 1 Corrente de ruído para o nível 0 Tempo C o rr ente I₁ I₀ Limiar de decisão D t₀ Instante de decisão I₁ I₀ D p(I|1) p(I|o) I Densidade de probabilidade σ₁ σ₀

Estatística do Sinal Amostrado

• O sinal i(t) é aplicado à entrada de um regenerador, cujo esquema de blocos é o seguinte:

• Admite-se que a amostra i(t₀) tem uma distribuição Gaussiana com média I₁e variância σ₁2=<n₁2_{> para o nível lógico 1 e média I}

0 e variância σ02=<n02> para o nível lógico 0.

Amostragem Decisão e formatação _{do pulso}

Recuperação de relógio

i(t) i(t0) _i(t

0)> D simbolo 1 i(t₀)< D simbolo 0 2 2 1 , 2 1 σq σc σ = + 2 2 0 , 2 0 σq σc σ = + n e r q qR P B , 2 1 , 2 λ (1) σ = σ_q2_,0 = 2qR_λP_r(0)B_e,n c 4kBTfnBe,n/Rb 2 = σ

Be,n: largura de banda de ruído do receptor; fn: factor de ruído do receptor; Rb:resistência de polarização do

Avaliação de Desempenho

• A probabilidade de erro é dada por

• Admitindo a equiprobabilidade dos símbolos, obtém-se para a probabilidade de erro, ou BER (razão de erros binários) a seguinte expressão:

•

A função complementar de erro é definida por

• O limiar de decisão óptimo (D_op) que minimiza o BER, corresponde a fazer Pr(0/1)=Pr(1/0). ) 0 / 1 ( ) 1 / 0 Pr( ₀ 1 r e p p P P = +

p1:probabilidade a priori de enviar o símbolo “1” p₀:probabilidade a priori de enviar o símbolo “0”

Pr(0/1):probabilidade de decidir pelo “0” tendo enviado o “1”

Pr(1/0):probabilidade de decidir pelo “1” tendo enviado o “0”

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = 2 erfc 4 1 2 erfc 4 1 1 1 0 0 σ σ D I I D P_e

∫

∞ − = x t dt e x) 2 2 ( erfc π erfc( ) 3 2 ≥ ≈ − x x e x x π Q D I I D _op o op − ₌ − ₌ 1 1 0 σ σ 1 0 0 1 1 0 σ σ σ σ + + = I I D_op 0 1 0 1 σ σ + − = I I Q ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = 2 erfc 2 1 Q P_e x=4.5, erfc(x)=1.966x10-10 x=4.7, erfc(x)=2.995x10-11 x=5.0, erfc(x)=1.538x10-12

Sensibilidade

• A sensibilidade do receptor ( ) é definida como a potência óptica mínima

necessária para obter um valor de P_e , normalmente para 10-12 _(Q≈7).

• Para um receptor baseado num fotodíodo PIN o ruído quântico é

desprezável. Nesta situação a sensibilidade do receptor é aproximada por

• A sensibilidade do receptor com PIN diminui com a raiz do débito binário.

r P λ σ R Q r r P P P_{r r r} c 2 1 1 ) 0 ( 2 1 ) 1 ( 2 1 − + = + =

Ruído de circuito branco

b n

e

r B D

P ∝ _, ∝

Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência para garantir o mesmo desempenho.

Débito Binário Tipo Sensibilidade Sobrecarga 155 Mbit/s pinFET -36 dBm -7 dBm 622 Mbit/s pinFET -32 dBm -7 dBm 10 Gbit/s pin -20 dBm 0 dBm Sensibilidade de receptores que operam a 1.55 μm Sobrecarga:valor máximo da potência na entrada do fotodetector

Sistemas com Cadeias de Amplificadores

Ópticos

• No estudo de sistemas com cadeias de amplificadores ópticos admite-se que quando o sistema não opera em saturação o ganho de cada amplificador

compensa exactamente a atenuação do troço de fibra anterior.

• Cada amplificador óptico para além de amplificar o sinal também vai introduzir ruído, designado por ruído de emissão espontânea.

• Os amplificadores ópticos mais usados usam como elemento de amplificação um troço de fibra dopada com érbio e como fonte energética um laser.

Fonte óptica Fibra Óptica Receptor óptico Amplificador óptico P_s(0) P_s(1) P_s(0) P_s(1) G G G Laser bomba Fibra dopada

com érbio Isolador

Emite nos comprimentos de onda de 980 nm e 1480 nm EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Os EDFAs normais só amplificam na banda C, enquanto os EDFAs de banda ulta-larga amplificam nas bandas C e L.

Sistema WDM Ponto-a-Ponto

• Os elementos essenciais de um sistema de multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) são os multiplexadores (MUX),

responsáveis por agregar vários canais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer e os desmultiplexadores (DMUX) que realizam a operação inversa.

• Sistemas DWDM ( Dense WDM) ponto-a-ponto comerciais de ponta (2007)

MUX EDFA

λ₁

Sinal multiplex⇒λ₁, λ₂ ,λ₃,..., λ_N

EDFA EDFA _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 monomodal 80 λs × 40 Gb/s 3.2Tb/s Marconi MHL 3000 Core Ericsson 80 λs × 10 Gb/s 320 λs × 2.5 Gb/s 0.8 Tb/s Optical Long Haul 1600

Nortel 64 λs × 40 Gb/s 128 λs × 10 Gb/s 2.56 Tb/s 1.28 Tb/s 1625 Lambda Extreme Transport Alcatel-Lucent 192 λs × 10 Gb/s 1.9 Tb/s CoreStream Ciena Número de λs Capacidade Equipamento Fabricante

Técnicas de Multiplexagem WDM

• A multiplexagem por divisão de comprimento de onda ou WDM (Wavelength

Division Multiplexing) pode ser efectuada recorrendo a dois métodos.

• Na multiplexagem selectiva usam-se dispositivos baseados nas grelhas

difractoras ou AWG. A principal vantagem desta solução é que as perdas são

independentes do número de comprimentos de onda usados.

• Na multiplexagem não selectiva a separação dos canais é feita usando filtros ópticos. Neste caso as perdas dependem do número de λs.

Pλ1 Pλ2 PλΝ α(Pλ1+ Pλ2+ ...+ PλΝ) α2Pλ1 α2_Pλ 2 α2_Pλ Ν Multiplexador _{Desmultiplexador} Fibra Óptica M U X D M U X Multiplexagem selectiva Pλ1 Pλ2 PλΝ (Pλ1+ Pλ2+ ...+ PλΝ)/Ν Pλ1/Ν2 Pλ2/Ν2 PλΝ/Ν2 Combinador óptico Derivador óptico Filtros ópticos selectores de canal C O M D E R Multiplexagem não selectiva α : perdas

Multiplexagem Selectiva

• MUX/DEMUX baseados em grelhas difractoras

• MUX/DEMUX baseados em AWG (arrayed waveguide grating)

Fibras ópticas λ₁ λ₂ λ_N λ₁+ λ₂+.... λ_N Lente Grelhas difractoras

Um sinal de luz policromático ao incidir numa grelha difractora é difractada e dirigida para diferentes pontos no espaço. Todos os comprimentos de onda são focados no mesmo ponto focal e acoplados a uma fibra óptica.

MUX DMUX Acoplador em estrela Acoplador em estrela λ 1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ 1 λ 2 λ 3 _λ 4 λ 5

Foram fabricados AWGs para 256 canais (comprimentos de onda), com um espaçamento entre canais de 0.2 nm (25 GHz), perdas de inserção de cerca de 5 dB e crosstalk< 33 dB.

T ran sm it ân cia (dB ) f f 1 f2 f3 f₄ f₅ f2+FSR crosstalk 0 _Perdas Desmultiplexagem Free Spectral Range

Normalização dos Comprimentos de Onda

• A normalização dos comprimentos de onda a usar nas redes WDM é

importante para garantir a interligação de equipamentos de diferentes fabricantes e permitir aos fabricantes a redução dos custos de fabrico.

• A normalização de comprimento de onda é feita pela norma G.692 do ITU-T e usa um espaçamento idêntico na frequência para essa normalização. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz (≈ 0.4 nm), com a frequência central nominal de 193.1 THz (1552.52 nm).

• Outro parâmetro importante é o desvio máximo da frequência nominal de canal. Este desvio não deve ser muito elevado, caso contrário contribui para aumentar o crosstalk e as perdas. Para Δf≥200 GHz o ITU-T especificou um desvio máximo de ±Δf/5. frequência 193.1 THz 50 GHz 50 GHz 50 GHz

Papel da Rede de Transporte Óptica

ADM1 ADM2 ADM3 ADM4 Rede de Serviços Rede de Transporte SDH (Rede IP) Router A Router B Router C OADM OXC Rede de Transporte WDM OADM OADM OADM OADM OADM OADM OTM Router D Router E Router F

Caminho Óptico ( router D→router F)

OADM: multiplexador de

inserção/extracção óptico

OTM: multiplexador óptico

terminal

OXC: comutador de

cruzamento óptico

Caminho Óptico (ADM1 →ADM3)

Elementos de Rede Ópticos

• Os elementos de uma rede óptica incluem amplificadores ópticos (OA),

multiplexadores ópticos terminais (OTM, optical terminal multiplexer),

multiplexadores de inserção/extracção (OADM, optical add/drop multiplexers) e cruzadores ópticos (OXC, optical crossconnects).

• Esses elementos de rede estão interligados entre si através de fibras ópticas de acordo com determinada topologia física (anel, malha, etc.).

• Os OLTs multiplexam diferentes comprimentos de onda num fibra óptica e também desmultiplexam um sinal WDM nos comprimentos de onda

individuais.

• Os OADMs são usados em pontos da rede em que é necessária terminal localmente uma certa fracção dos comprimentos de onda transmitidos

.

São usados nas redes em anel.

• Os OXCs são usados quando é necessário comutar comprimentos de onda de

Amplificadores Ópticos de Linha

• Os amplificadores ópticos de linha são colocados no meio das vias ópticas, a intervalos periódicos, tipicamente entre 80-120 km.

• Este amplificadores normalmente incluem dois blocos de amplificação EDFA, e um compensador de dispersão situado entre esses blocos. No caso dos amplificadores usados nas banda C e L, essas bandas são separadas na entrada e usam-se diferentes EDFAs para cada banda.

• O canal de supervisão óptica é extraído e terminado na entrada do

amplificador e é adicionado na saída. Este canal é usado para controlar e monitorizar o desempenho dos amplificadores ópticos. É transportado num comprimento de onda diferente do usado para o tráfico.

Receptor Laser λ_so λ1,λ2,... λN λ_so Compensação de dispersão EDFA EDFA Terminação do canal de

Multiplexador Óptico Terminal (OTM)

• O multiplexador óptico terminal é usado nas extremidades das ligações

ponto-a-ponto para multiplexar e desmultiplexar diferentes comprimentos de onda. Inclui três elementos funcionais: transponder, multiplexador WDM e amplificador óptico.

• A adaptação realizada pelos transponder corresponde às seguintes funções: - Alteração dos comprimentos de onda, de modo a ter na saída λs ITU-T;

- Adição de cabeçalhos para funções de gestão; - Adição de códigos FEC (forward error correction); - Monitorização do BER (bit error rate).

MUX EDFA Laser λ_so Adição do canal de supervisão óptica O/E/O

Multiplexador óptico terminal

O/E/O ITU λ₂ ITU λ₃ Router IP ADM SDH ADM SDH ITU λ₁ Não é ITU λ Não é ITU λ λ1, λ2 ,λ3, λso Transponder Função de adaptação

Tipos de OADMs

•

Num OADM o sinal WDM é desmultiplexado e os comprimentos de

onda que requerem processamento local são extraídos e

posteriormente inseridos. Os restantes comprimentos passam

directamente do DMUX para o MUX.

•

Os OADMs podem ser fixos ou reconfiguráveis. Nos primeiros o

conjunto dos comprimentos de onda extraídos/inseridos é fixo,

enquanto nos segundos pode ser alterado em resposta a mudanças

nos padrões de tráfego.

λN λ2 λ2 λ1 DMUX λ1 MUX Inserção λ1, λ2,.. λN λ1, λ2,.. λN OADM fixo λ_N λ₂ λ₁ MUX λ₁, λ₂,.. λ_N OADM reconfigurável DMUX Comutador óptico Transponders (O/E/O) Transponders(O/E/O) Extracção

Estrutura de um ROADM

•

Estrutura de um ROADM (Reconfigurable OADM)

WADD: wavelength add/drop device→ Dispositivo usado para inserir/extrair lambdas OA: Optical amplifier: amplificador óptico tipo EDFA.

Fonte: I. Kaminow et al., Optical Fiber Telecommunications V. B, Fig. 8.2

Configurações de OXCs

• A configuração de um OXC pode ser opaca ou transparente. Nas

configurações opacas há conversões O/E ou E/O dentro do OXC,enquanto nas transparentes a configuração é totalmente óptica.

• Um OXC é constituído por vários OTMs, que realizem entre outras as funções de multiplexagem/desmultiplexagem, e por uma matriz de comutação. A

matriz de comutação pode ser óptica ou eléctrica.

Matriz de comutação óptica λ₁, λ₂, λ₃ λ1 λ2 λ3 λ₁, λ₂, λ₃ λ₁, λ₂, λ₃ λ₁, λ₂, λ₃ λ₁, λ₂, λ₃ λ₁, λ₂, λ₃ λ1 λ2 λ3 λ1 λ2 λ3 λ1 λ2 λ3 λ1 λ2 λ3 λ1 λ2 λ3 OTM OTM OTM OTM OTM OTM Matriz de comutação eléctrica λ₁, λ₂, λ₃ λ1 λ2 λ3 λ₁, λ₂, λ₃ λ₁, λ₂, λ₃ λ₁, λ₂, λ₃ λ₁, λ₂, λ₃ λ₁, λ₂, λ₃ λ1 λ2 λ3 λ1 λ2 λ3 λ1 λ2 λ3 λ1 λ2 λ3 λ1 λ2 λ3 OTM OTM OTM OTM OTM OTM

OXC com comutação óptica OXC com comutação eléctrica

Conversão O/E Conversão E/O Gera λs ITU- não usa transponders

Exemplo de Comutadores Ópticos (MEMS)

• Comutadores basedos em sistemas micro-electro-mecânicos

Os sistemas micro-electro-mecânicos ou MEMS (micro-electro-mechanical systems) são dispositivos mecânicos em miniatura fabricados usando substratos de silício. Os

comutadores MEMS consistem em espelhos miniatura movíveis com dimensões da ordem das centenas de micrómetro.

• A estrutura mais simples é a do espelho 2D . Num estado o espelho está paralelo com o substrato não deflectindo o feixe de luz. No outro estado o espelho move-se para uma posição vertical e o feixe de luz é deflectido. Noutra estrutura o espelho pode rodar em torno de dois eixos de modo contínuo. Designa-se por espelho 3D. O tempo de

comutação de um estado para outro é de cerca de 10 ms em ambas as estruturas.

Conjunto de micro-espelhos movíveis desenvolvidos num substrato de silício (Lucent)

Os micro-espelhos são deflectidos de uma posição para outra usando técnicas electromagnéticas, electro-ópticas ou piezoeléctricas.

Comutadores Ópticos com MEMS

• Comutadores com espelhos 2D

• Comutadores com espelhos 3D

O comutador baseado em espelhos 2D usa uma arquitectura barra-cruzada. Na configuração com fibras ópticas nas

entradas e nas saídas é necessário colimar os feixes na saída e na entrada das fibras para reduzir a sua divergência.

A dimensão máxima dos comutadores deste tipo que é possível fabricar num único substrato está limitada a dimensões entre 32x32 a 64x64.

Um espelho 3D permite implementar um comutador 1xN. Na figura ao lado

representa-se um comutador 1152x1152 (Xros) baseado numa arquitectura de Spanke, e fazendo uso de duas matrizes de espelhos 3D cada uma com 1152 espelhos. Fibras de entrada Fibras de saída Matriz de espelhos

Transparência das Redes Ópticas

• Uma das grandes vantagens da redes ópticas é ser transparente aos serviços. O

utilizador pode enviar informação digital a qualquer débito (dentro de certos limites), usando qualquer formato, ou qualquer tipo de protocolo. Pode também transmitir informação analógica.

• Associada à transparência está o conceito de rede totalmente óptica. Nesta rede a informação é transmitida da fonte para o destino num formato óptico, sem qualquer conversão O/E, ou E/O dentro da rede. Estas redes designam-se por totalmente transparentes.

• Estas rede totalmente transparentes não usam regeneração e por isso comportam-se como rede analógicas onde os factores degradadores (ruído, distorção, interferência, etc ) são acumulados, o que limita a sua extensão. Enquanto não for possível dispor de

regeneradores ópticos será de esperar a existência de alguma conversão opto-electrónica dentro das redes.

OADM OADM OADM OADM OADM OADM OADM

Processamento opto-electrónico (regeneração)

OXC Cliente da rede óptica Cliente da rede óptica Sub-rede óptica totalmente transparente Sub-rede óptica totalmente transparente

Elemento de Rede SDH-NG+WDM

•

Multiservice Transport Platform (MSTP)

•

Um MSTP resulta da adição a um MSPP de funções de inserção

extracção no domínio óptico.

•

Permite o provisionamento de comprimentos de onda extremo-a

extremo ao longo de uma rede, evitando o uso de transponders para

para funções de conversão O-E-O.

•

Tipicamente é usado nas redes de núcleo e metro.

Digital Video Broadcasting Storage Area Networks (Fiber Channel, ESCON, etc.) Virtual Private Networks

Fonte: José M. Caballero “Migration to next generation SDH,” Trend Communications

Rede de Transporte Óptica

• A rede de transporte óptica ou OTN (Optical Transport Network) foi fruto de normalização recente do ITU-T (G.709, G.872, G.959) tendo como alvo o

transporte a longa distância com débitos binários desde 2.5 Gb/s até 40 Gb/s.

• A OTN define uma hierarquia de transporte óptica ou OTH (Optical Transport

Hierarchy), conceptualmente algo similar à SDH. A OTH é estruturada em duas

etapas, sendo a primeira etapa realizada no domínio eléctrico e a segunda no domínio óptico.

• A primeira etapa consiste no mapeamento dos sinais dos tributários numa trama de comprimento fixo e na adição de cabeçalhos apropriados,

conduzindo à formação da entidade OTU-k (Optical Channel Transport Unit). O valor de k está associado ao débito binário (OTU-1:≈2. 67 Gb/s; OTU-2: ≈ 10.7 Gb/s e OTU-3: ≈ 43 Gb/s).

• A segunda etapa consiste na formação dos canais ópticos, na multiplexagem WDM e na introdução dos cabeçalhos apropriados e conduz à formação da entidade OTM-n.m (Optical Transport Module), (n: número de canais ópticos e

Estrutura de Camadas da OTH

• A estrutura de camadas da OTH está representada na figura seguinte.

Unidade de carga do canal óptico ou OPU-k

Unidade de dados do canal óptico ou ODU-k

Unidade transporte do canal óptico ou OTU-k

Clientes (SDH, ATM, IP, Ethernet)

Canal óptico ou OCh

Secção de multiplexagem óptica ou OMS-n

Secção de transmissão óptica ou OTS-n

OTM-n.m Domínio eléctrico Domínio óptico OPU Carga do cliente ODU OTU FEC

Adição de cabeçalhos das diferentes camadas no domínio eléctrico

Os cabeçalhos das camadas ópticas são enviados em modo não associado no canal de supervisão óptica

O sinal proveniente dos clientes é mapeado na camada OPU (optical channel payload unit). Esta camada adiciona octetos sem informação para adaptar os débitos e introduz o seu cabeçalho. A OPU é convertida em seguida na ODU (optical channel data unit) através da adição do correspondente cabeçalho. A fase seguinte consiste na conversão da ODU na OTU (optical channel transport

unit) através da adição do cabeçalho e do campo FEC (forward error correction). Cada OTU vai modular uma fonte óptica. O sinal

óptico obtido juntamente com um cabeçalho apropriado corresponde à entidade OCh (optical channel). A camada OMS (optical

multiplex section) é responsável pela multiplexagem WDM e pela adição do seu cabeçalho. (Envoltório digital)

Papel das Camadas Ópticas da OTH

•

As camadas ópticas da OTH são: camada de canal óptico (

OCh, optical

channel

), camada de secção de multiplexagem óptica (

OMS, optical

multiplex section

) e camada de secção de transmissão óptica (

OTS, optical transmission section

) .

•

Funcionalidades das camadas:

Camada de canal óptico

:

Acomodação de dispersão por canal, identificação de canal,

comutação de protecção de canal.

Camada de secção de multiplexagem óptica

:

Multiplexagem óptica, atribuição de comprimento de onda,

identificação do comprimento de onda, comutação de protecção de

multiplexagem, conversão de comprimento de onda.

Camada de secção de transmissão óptica

:

Amplificação óptica, compensação de dispersão através dos

amplificadores de linha.

Definição das Camadas Ópticas

• O canal óptico (OCh) corresponde a uma ligação extremo a extremo numa rede totalmente óptica, também designada por caminho óptico. Cada via entre um OTM e um OADM (ou OXC) corresponde à secção de multiplexagem óptica (OMS). Cada via OMS é constituída por vários segmentos (OTS), sendo cada segmento delimitado por um estágio de amplificação.

S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem

Canal óptico (OCh)

Amplificador de linha OTM

OXC Transponder OXC Transponder OADM OADM AL AL OTM

S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem

Canal óptico (OCh)

Caminho Óptico

Caminho Óptico (usa dois λs)

Equipamento versus Camadas Ópticas

• Exemplo da relação entre algumas funções das camadas ópticas e o equipamento terminal WDM.

• Função dos cabeçalhos:

OCh: Fixação da potência emitida e monitorização da recebida, alarmes (perda de sinal). OMS: Monitorização e configuração de equipamento( nível de sinal, frequência dos canais demux, selecção dos canais inseridos/extraídos, etc.), alarmes, informação de protecção. OTS: Identificação do amplificador, controlo do amplificador (ganho, potência da bomba), controlo da compensação de dispersão e dos comutadores de protecção, alarmes,etc.

Multiplexer WDM Laser (OSC) Laser Laser Piloto Identificação de canal Potência do canal Atribuição de λ Cabeçalho de OMS Cabeçalho de OTS OCh OMS OTS Amplificador Controlo do ganho

Subdivisão da Camada de Canal Óptico

• O canal óptico (OCh) por sua vez é subdividido em várias sub-camadas no domínio eléctrico: unidade de carga (OPU), unidade de dados (ODU ) e unidade de transporte (OTU).

OXC Caminho OADM OTM OTM OTM

OTU OTU OTU

OPU/ODU

Transponders/ regeneradores

Unidade de carga (OPU) (Optical Channel Payload Unit)

Adapta o débito binário do sinal do tributário ao débito binário desta estrutura ( OPU-1: ≈ 2.488 Gb/s, OPU-2: ≈ 9.995 Gb/s, OPU-3: ≈ 40.15 Gb/s) através da introdução de octetos sem informação e da realização de justificação positiva/negativa.

Unidade de dados (ODU) (Optical Channel Data Unit)

Tal como o OPU é criado quando o sinal do tributário entra na rede óptica e mantém-se intacto ao longo da rede. É

comparável aos contentores virtuais da SDH.

Unidade de transporte (OTU) (Optical Channel Transport Unit)

Esta unidade é terminada/ criada em cada ponto de regeneração. É responsável por processar o código FEC.

OTM

OTM

Estrutura da Trama da OTU-k

• Numa representação bidireccional a trama da entidade OTU-k está estruturada em 4080 colunas e 4 linhas e contem os seguintes blocos: capacidade

transportada, cabeçalhos de OPU, ODU e OTU e campo de FEC (Forward Error Correction), este último usado para detecção e correcção de erros.

Estrutura da trama OTU-k OTU:

- Enquadramento de trama (6 octetos)

- Enquadramento de multitrama (1 octeto) - Monitorização de desempenho (3 octetos

-Canal de comunicação de dados (2 octetos)

-2 octetos reservados.

ODU:

- Monitorização de um canal em ligações em cascata - Supervisão extremo a extremo

-Canal de comunicação de dados - Protecção de canal.

OPU:

- Etiqueta de sinal (identifica a capacidade transportada) - Octetos para funções de justificação - Octetos reservados OTU Capacidade transportada Campo FEC

FEC Reed-Solomon Code RS (255, 238)

BER=10-4 _{s/FEC BER=2×10}-13 _c/FEC

ODU C a beçalh o d e OPU 1 2 3 4 1 1415-16 3824 4080 octetos

Duração das tramas (OTU-k): k=1 ⇒48.971 μs; k=2

Estrutura dos Cabeçalhos

• A estrutura dos cabeçalhos de ODU e OTU é a seguinte:

• No cabeçalho da OTU a função dos diferentes campos é a seguinte:

• No campo da ODU a função dos diferentes campos é a seguinte:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 PET PEM SM GCC Res RES TCM _{TCM6 TCM5 TCM4} TCM3 TCM2 TCM1 FTTL PM GCC1 GCC2 APS RES RES OTU ODU

PET-padrão de enquadramento de trama:conjunto de octetos usados para sincronizar a trama; PEM-padrão de enquadramento de multitrama: sincronizar a multitrama em que alguns sinais (ex: traço) estão estruturados;

SM: monitorização de secção: inclui identificador de traço, BIP-8, BDI (backward defect indication), BEI (backward error indication, etc;

GCC (General Communication Channels): canais usados para transportar informação de gestão, equivalente aos canais DCC da SDH.

RES-reservado.

TCM (Tandem Connection Monitoring)-monitorização das ligações em cascata com seis níveis de monitorização: cada campo inclui um identificador de traço, BIP-8, BDI e BFI;

PM (Path Monitoring) –monitorização extremo-a-extremo: inclui indicador de traço, BIP-8, BDI e BEI;

APS (Automatic Protection Switching) –funções de protecção similares às da SDH;

Monitorização das Ligações em Cascata

• A funcionalidade de TCM (Tandem Connection Monitoring) permite a um operador monitorizar a qualidade de uma ligação que se inicia e termina na sua rede, mas atravessa a rede de outros operadores.

• O operador A deve ter capacidade de monitorizar a qualidade do sinal que passa na rede do operador B. Em presença de uma falha na ligação, com utilização de monitorização das ligações em cascata é possível identificar facilmente a sua localização.

Operador A _{Operador B}

Operador A

Utilizador Utilizador

TCM1 – Monitorização de QoS a nível do utilizador

TCM2 – Monitorização de QoS a nível do operador

Códigos FEC

• Os códigos FEC usados na OTN são os códigos de Reed-Solomon. Estes códigos fazem partem dos códigos de blocos cíclicos e lineares usados para detectar e corrigir erros. Estes códigos partem de k símbolos de informação e geram n símbolos, introduzindo

r=n-k símbolos redundantes - RS(n,k). Admitindo que um símbolo tem m bits, tem-se que n=2m_{-1. Estes códigos têm capacidade para corrigir r/2 símbolos errados. Para as}

aplicações nas redes ópticas tem-se, habitualmente, m=8, n=255 e r=16 o que conduz ao código RS(255,239).

• Os códigos RS(255, 239) apresentam ganhos de codificação da ordem dos 6 dB, o que permite reduzir significativamente o valor do BER (Ex: 10-4 _{s/FEC e 2x10}-13 _c/FEC).

• Para feitos de processamento do FEC cada linha da OTU é sub-dividida em 16 sub-linhas (3824/16=239) usando interposição de byte. Cada codificador FEC processa uma desta sub-linhas gerando 16 octetos redundantes. Os octetos redundantes das 16 sub-linhas são multiplexados, originando os 256 octetos que são colocados no fim do campo OTU.

Para exemplificar o funcionamento de um código de blocos considere-se um código de Hamming (7,4), Este código parte de símbolos com 4 bits e gera palavras de código com 7 bits. Ex:

Número do bloco 0 1 2 3 4 5 6 7 Sequências de entrada 0000 1000 0100 1100 0010 1010 0110 1110 Sequências de saída 000+0000 110+1000 011+0100 101+1100 111+0010 001+1010 100+0110 010+1110

O número de bits diferentes entre duas palavras do código designa-se por distância de Hamming p. No caso anterior p=3. Este código permite detectar até p-1 erros e corrigir até (p-1)/2 erros

Transmissão de Cabeçalhos das Camadas

Ópticas

• Os cabeçalhos associados às diferentes camadas ópticas são transmitidos no canal de supervisão óptica (OSC, optical supervisory channel), normalizado pelo ITU-T para ser transmitido no comprimento de onda de 1510 nm.

• Cada caminho óptico é caracterizado pelo seu identificador de canal óptico, o qual permite identificar, verificar a integridade e gerir a conectividade desse caminho.

• Para transmitir o identificador de canal óptico, adiciona-se uma sub-portadora, designado por piloto, ao sinal que modula o laser. Esse piloto tem uma frequência, normalmente na banda entre 1 e 2 MHz. O piloto pode ser também usado para monitorizar a potência.

• Cada caminho óptico pode ser caracterizado por um piloto com frequência única, a qual funciona como identificador de canal. Pode-se ainda ter uma frequência piloto por cada comprimento de onda, sendo o identificador de canal um sinal digital que modula o piloto.

OXC

Transponder

AL OADM

Inserção do

piloto Monitorização _{do piloto} Monitorização _{do piloto}

Terminação do piloto

OSC OSC _OSC

O canal de supervisão óptica é extraído, processado e inserido em todos os elementos de rede

Aspectos de Gestão

• Os diferentes elementos a gerir (amplificadores ópticos, OTMs, OADMs e OXCs) designam-se por elementos de rede (NE). Cada elemento de rede é gerido pelo seu sistema de gestão de elemento ou EMS (element management system). A informação de gestão é processada em cada NE, pelo agente (software implementado num microprocessador),

o qual comunica com o EMS. Um EMS pode gerir um ou mais elementos de rede.

• A comunicação do EMS com os elementos de rede é feita através da rede de comunicação de dados ou DCN (data communication network). O DCN pode ser transmitido pelo canal de supervisão óptica. Os diferentes EMS comunicam com o sistema de gestão de rede, através da rede de gestão ( rede IP).

OXC

OADM AL OADM

OTM

Rede de comunicação de dados Rede de comunicação de dados Sistema de gestão

de elemento Sistema de gestão

de elemento Sistema de gestão

de rede

Tem uma visão completa da rede, permitindo estabelecer caminhos ópticos

Protecção e Restauro Ópticos

• A protecção óptica pode ser linear ou de anel. Qualquer uma destas protecções pode ser dedicada (1+1), ou partilhada (1:1).

• A protecção linear é aplicada em ligações ponto-a-ponto. Essa protecção pode ser realizada a nível de canal óptico (protecção OCh), ou a nível de secção de multiplexagem óptica (protecção OMS). A protecção OCh protege os canais ópticos (comprimentos de onda) individualmente, enquanto a protecção OMS protege o sinal WDM.

• A protecção de anel aplica-se a topologias físicas em anel e também pode ser realizada a nível OCh, ou OMS. Os anéis podem usar duas ou quatro fibras como no caso da protecção a nível da SDH.

• O restauro óptico aplica-se a redes com uma topologia física em malha e consiste em encontrar caminhos ópticos alternativos aos caminhos com falhas, sendo a operação coordenada pelo centro de gestão de rede.