PON: Redes Ópticas de Acesso de Baixo Custo
Este tutorial apresenta os conceitos básicos e características da tecnologia de Redes Ópticas Passivas (Passive Optical Network - PON).
William Penhas Sanchez
Engenheiro de Telecomunicações Pós-Graduado (Westminster University 2000) Engenharia de Sistema (DINF 1991), tendo atuado em várias áreas de telecomunicações como Redes (Ópticas, Elétricas e Wireless) Coordenação de Operação, Desenvolvimento, Gerencia e Segurança. Foi um dos pioneiros em tecnologias PON (derivação passiva de fibra óptica) e processos de NGN (Next Generation Network).
Ocupou várias posições de coordenação e administração no segmento de telecomunicações em vários paises da Europa e Leste Europeu. Entre outras posições foi engenheiro de pesquisa do centro de pesquisas aplicadas da British Telecom - UK (BTexact) onde também trabalhou como coordenador sênior de planejamento e operação de redes para Europa e Leste Europeu. Trabalhou também para o setor de educação em Londres como conselheiro de novas tecnologias pela instituição City and Islington Corp. Fundou em 2001 a empresa www.ATMPON.net especializada em segurança digital e soluções específicas para operadoras de telecomunicações e corporações com grande volume de tráfego de rede.
Atualmente dedica-se também ao empreendimento www.OnGroove.com, especializado em broadcast stream em tempo real e atendimento de demandas de sons e imagens digitais via internet utilizando as tecnologias DSB (Digital Sound Broadcast) e DVB (Digital Vídeo Broadcast).
Categoria: Redes Ópticas
Nível: Introdutório Enfoque: Técnico
PON: O que é
Uma rede PON (Passive Optical Network) consiste de equipamentos (OLT - Optical Line Terminal) localizados nas bordas dos anéis ópticos das redes de transporte SDH, conectados nos equipamentos ADM, de um lado, e pelo outro lado conectados em vários outros equipamentos (ONU - Optical Network Units ou ONT - Optical Network Terminal) localizados em condomínios, gabinetes nas calçadas, sites e residências. Então percebemos que está tecnologia é uma solução de acesso de última milha (Last-Mile).
Figura 1
O sinal óptico é transmitido pelo OLT por uma única fibra. A essa fibra são feitas derivações através do uso de divisores ópticos passivos (POS - Passive Optical Splitter) para conectá-la às ONU's e ONT's. Cada ONU e ONT transmite e recebe um canal óptico independente e prove para os usuários finaisl alocação dinâmica de banda entre 1Mbit/s e 1Gbit/s, para as aplicações de voz, dados e vídeo.
Nos pontos de terminação das ONU's e ONT's os fluxos downstream e upstream são multiplexados na fibra óptica usando diferentes comprimento de onda e viabilizando transmissões simultâneas.
Em 1995, grandes operadoras no mundo (NTT, BT, France Telecom, etc) e seus fornecedores de equipamentos iniciaram uma discussão para desenvolver uma solução de acesso completa para voz, dados e vídeo. Na época duas opções lógicas surgiram para protocolo e planta física: ATM e PON. ATM porque é viável para múltiplos protocolos e PON porque é a opção mais viável, da perspectiva financeira, para soluções de ´broadband´ óptica em larga escala. O modelo ATM e PON criou o comitê FSAN (Full Service Access Network), o qual implementou o padrão ITU-T G.983 - Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON).
Embora o FSAN tenha sido o comitê de padronização para fabricação de equipamentos para redes PON, a batalha atual no próprio comitê FSAN é pelo padrão de interoperabilidade (comunicação de equipamentos de diferentes fabricantes) dos equipamentos de redes PON. Tendo em vista que o comitê é formado em sua maioria por fabricantes de equipamentos, cada um tenta eleger o seu modelo de fabricação como padrão para todos os fabricantes, diferentemente das interfaces Ethernet e SONET que se comunicam entre si, mesmo sendo de fabricantes diferentes.
Já existem muitas aplicações PON em operação viabilizadas pelas operadoras NTT (Japão), DT (Alemanha), BT (Inglaterra) e BellSouth (Canadá). Alguns dos maiores parques instalados de PON são os backbones de Tokyo e Osaka da NTT (Japão). Outras regiões no mundo também começam a se destacar no cenário PON, como é o caso na Korea, Taiwan, Singapura e China. Principalmente os paises asiáticos estão investindo alto no conceito de transporte de vídeo e dados para residência por fibra óptica em redes PON. Também muitas companhias privadas com alto volume de tráfego utilizam o conceito de PON's para viabilizar conectividade de baixo custo entre suas unidades de negócios.
O grande desafio nos dias atuais é estender a transmissão óptica até o usuário final (residência e empresas) com uma solução viável do ponto de vista financeiro para os provedores de conectividade. Uma solução que viabilize financeiramente este desafio é composta pelo compartilhamento da enorme capacidade da fibra óptica entre os usuários e seus grupos, pela amortização adequada dos custos dos equipamentos através do ganho de escala no atendimento das demandas (atuais e potenciais), pela flexibilidade e otimização do uso da fibra através da alocação dinâmica da banda, e pela diversificação dos serviços e viabilidade de criação de um mix de portifolio para balanceamento das opções ofertadas. A tecnologia PON oferece esse tipo de solução.
A figura a seguir apresenta uma comparação entre uma rede convencional atual e a rede PON.
Figura 2
<- Modelos Atuais
<- Modelo PON
A rede PON tem uma arquitetura ponto-multiponto que permite que uma única fibra seja compartilhada por múltiplos pontos finais (residências e empresas), não existindo elementos ativos entre o equipamento OLT e os elementos ONU's e outras OLT's (os divisores ópticos são elementos passivos) e com isto economizando energia, espaço em sites e manutenção de equipamentos eletrônicos.
Como resultado da soma das características da rede PON temos um custo efetivo que representa uma fração pequena dos custos das arquiteturas ópticas atuais: ponto-a-ponto e anéis.
PON: Características
A derivação passiva de sinal óptico (splitting) significa custo baixo. Recentemente temos visto o sucesso da tecnologia para o atendimento de demanda por banda através de arquiteturas WDM e outras tecnologias (core) ópticas. Porém, na camada de acesso não tivemos o mesmo sucesso tecnológico: o xDLS tem ´resolvido´ momentaneamente o problema de velocidade de acesso em residências e empresas viabilizando links na modalidade de sub-taxas (menor que 2.048 Kbit/s), sendo que está é uma tecnologia de curto prazo e desenvolvida para a exploração (financeira) ao máximo dos pares metálicos já instalados nas redes telefônicas e que possibilita que as operadoras não tenham que investir em aumento de qualidade, valor agregado e aumento de garantia de serviços (SLA) compatíveis com os padrões que o acesso óptico de última milha (Last-mile) oferece.
A figura a seguir apresenta a Banda de Operação de uma Rede PON.
Figura 3
Uma solução para este problema de acesso é estender a fibra óptica o mais perto possível do usuário final. Porém, a tecnologia padrão não viabiliza financeiramente está solução. As tradicionais opções baseadas em ATM switching e IP routing em links dedicados ponto-a-ponto são inviáveis para pequenas e médias empresas e para as residências em termos de custo operacional e complexidade.
Uma solução de bom senso é o compartilhamento da enorme capacidade de banda da fibra óptica em grupos e sub-grupos de usuários:
Isto habilita os provedores de acesso amortização de seus custos de equipamentos e operação, tendo em vista o ganho de escala para o atendimento de um grande numero de assinantes de serviços bem como o mix de portifolio.
A banda poderá ser utilizada de maneira mais eficiente e flexível por ser alocada dinamicamente. O trafego em ´rajadas´ e a habilidade de alocação dinâmica de banda são importantes vantagens. O provedor de serviços poderá definir para cada assinante de seus serviços de acesso a banda que o mesmo irá utilizar e basear seu SLA (Service Level Agreement) nesta alocação de banda e monitoração do QoS (Quality of Service) real e individual de cada link (serviço) contratado.
A solução PON fornece redes que têm um baixo custo de implementação e operação e oferecem conexões por fibra óptica compartilhada para condomínios, sites e residências (Fibra até Condomínios - FTTB, Fibra até a calçada - FTTC e Fibra até residências - FTTH).
Uma rede PON é uma rede óptica ponto-multiponto que viabiliza o compartilhamento de uma única fibra óptica entre diversos pontos finais (usuários). Não existem elementos ativos entre o equipamento do provedor de acesso (OLT) e o CPE (Customer Premises Equipment) instalado junto ao equipamento de
aplicação do usuário. Desta forma, esta solução provê uma clara economia nos custos de operação, manutenção e implementação. Também a solução PON pode ser implementada por uma fração dos custos das redes ópticas ponto-a-ponto tradicionais.
Os elementos básicos de uma rede PON são: OLT (Optical Line Terminal): este equipamento viabiliza os serviços para os usuários finais e controla a qualidade do serviço (QoS) e o SLA, entre outras tarefas. A OLT é o elemento de realiza a multiplexação dos diferentes usuários na fibra óptica. A primeira geração de PONs operava de forma muito semelhante ao TDM (Time Division Multiplexing) onde a banda era deterministicamente alocada para o usuário: uma vez que a banda fosse alocada era impossível à utilização desta banda por outro usuário. Com a evolução das gerações de PON's, a alocação de banda se tornou dinâmica. A reutilização da banda nos métodos de operação através da alocação dinâmica considera o perfil do trafego. O método de alocação e operação considera também as políticas de QoS e SLAs configuradas para cada usuário final.
Figura 4
ONU (Optical Network Terminal): Este equipamento é simples e converte o sinal óptico das OLT para as portas padrões dos equipamentos de aplicação do usuário final: ATM, Ethernet, IP, etc.
Figura 5
A tecnologia PON foi projetada para evitar os altos custos de conexões ópticas ponto-a-ponto para cada site, condomínio, residência, etc. A alta capacidade de banda de um sinal ótico de uma única fibra é enviada para um ou mais divisores passivos (splitters) e retransmitido para múltiplos equipamentos ONU's. Cada ONU transmite e recebe sinais em um canal próprio e com banda dinamicamente alocada e QoS e SLAs individuais. A ´inteligência´ de operação da OLT avalia os QoS e SLAs individuais e a disponibilidade do segmento PON que ele opera, e então é aplicada a alocação dinâmica de banda bem como a viabilidade do compartilhamento deste segmento PON.
PON: Topologia de Rede
A topologia PON é extremamente flexível e se adapta facilmente de acordo com a necessidade de sua operacionalização. A derivação passiva de fibra óptica viabiliza muitas opções de configuração de planta. Atualmente as aplicações PONs em operação operam com até 64 ONUs por cada OLT. As opções de topologias de redes PONs são:
Topologia ANEL:
Em uma topologia de rede em anel, duas ONUs são conectadas a uma OLT criando dois segmentos PONs: PON-A e PON-B. A partir da primeira ONU do segmento PON (A ou B) são conectadas as outras ONUs de maneira serial formando um barramento óptico. Então cada ONU do barramento funciona como um derivador ótico ativo (splitter 1:1) ou um elemento passante como no SDH. Ao final dos barramentos as ultimas ONUs da topologia são conectadas entre si e então fecham um anel óptico a partir de dois segmentos PONs (barramentos). As grandes vantagens desta topologia são: a redundância da rede e a possibilidade de configuração do custo métrico de tráfego, onde é possível indicar a direção mais rápida para o tráfego, seja ela no sentido leste ou oeste.
Figura 6
Figura 7
Topologia ÄRVORE:
Em uma topologia de rede em árvore as ONUs são conectadas a uma OLT por um único segmento PON. A partir dessa OLT conecta-se um segmento de fibra óptica denominado ´Deep Fiber´, que então recebe um derivador passivo (splitter). O primeiro derivador deve ter, no mínimo, um fator de derivação de 1:2 ou seja um ´splitter´ cria dois sub-segmentos de fibra. Na figura ao lado o fator de derivação é de 1:3, ou seja, um ´splitter´ criou três sub-segmentos de fibra.
A maior vantagem desta topologia é quando as ONUs estão relativamente distantes da OLT e/ou estão concentradas a partir de uma certa distancia onde não existem ONUs intermediarias. Neste caso podemos lançar, por exemplo, 15 km de segmento de fibra ´deep fiber´ e somente começar a derivação deste segmento a partir desta distância de 15km.
Em uma topologia de rede em barramento (BUS) as ONUs são conectadas a uma OLT através de um segmento de fibra óptica ´deep fiber´, que então recebe vários derivadores passivos com o fator de derivação de 1:2, ou seja, um ´splitter´ cria dois sub-segmentos de fibra como na figura ao lado. Um dos sub-segmentos obtidos serve de conexão para a ONU e o outro serve como caminho passante para o próximo ´spliter´.
A utilização desta topologia se aplica de forma contrária a topologia em árvore, já que entre a OLT e a ultima ONU existem varias outras ONUs com distância relativamente curta entre uma e outra ONU. Esta topologia é útil para aplicações de abordagem nas ruas ('Fiber To The Curb'), onde cria-se o segmento ´deep fiber´ e então instala-se pequenos gabinetes de distribuição nas calçadas ou postes onde estarão os derivadores e/ou ONUs distribuindo conectividade via fibra óptica, cabo coaxial ou wireless para os usuários finais.
Figura 8
Uma planta típica de uma rede PON em operação contempla um misto de topologias de acordo com a estratégia de implantação e com grande flexibilidade de arquitetura.
A figura abaixo ilustra uma aplicação típica de ganho de escala no atendimento e mix de portifolio com topologia flexível em redes PONs.
Redes PON: Padrões e Recomendações
Em 1995 se iniciou a discussão sobre um serviço que agregasse voz, vídeo e dados em uma solução completa de acesso. Nascia então o comitê FSAN (Full Service Access Network). Desde então o padrão FSAN é aceito para a arquitetura e o desenvolvimento dos equipamentos, topologias e aplicações para redes PON. A maior questão no momento em relação às redes PON não é sua viabilidade operacional ou financeira, itens que já se mostraram viáveis sobre várias perspectivas (Financeira, Clientes, Operação e Desenvolvimento). A grande questão é a interoperabilidade entre equipamentos de fabricantes diferentes, uma vez que o comitê FSAN ainda não viabilizou um padrão de construção para a industria. Este fato porém não torna as redes PON inviáveis, tendo em vista que o conselho FSAN tem, em sua maioria, membros da indústria e forte inclinação para finalizar este padrão.
Alguns dos padrões mais importantes para os elementos de uma rede PON são apresentados na tabela a seguir:
ITU-T
Código Título
G983.x (FSAN) This document describes enhancements to G.983.1 and G983.2 Amendment 1 to accommodate an optional, improved security mechanism and a 1244.16 Mb/s downstream line-rate.
Código Título
GR-499-CORE GR-312-CORE provides a description of the characteristics and features neededfor operation of a DS1 Interface Connector.
ANSI
Código Título
T1E1.403.1999 Supplement to T1.403-1999 - Network and Customer Installation Interfaces - DS1 Electrical Interface (Supplement to T1.403-1999)
IEEE
Código Título
802.1d Concept of MAC Bridging - Bridge LANs
802.3 Congestion Management Study Group Documents
IETF
Código Título
ATM Fórum
Código Título
ATM UNI 3.1 44.736 DS3 Mbps Physical Layer 100 Mbps Multimode Fiber Interface Physical Layer 155.52 Mbps SONET STS-3c Physical Layer 155.52 Mbps Physical Layer.
FCC
Código Título
FCC Part 15 This part sets out the regulations under which an intentional, unintentional, or incidental radiator may be operated without an individual license.
O comitê FSAN e seus colaboradores são hoje uma boa referência de padrões implementados e em processo de implementação na arquitetura e desenvolvimento das redes PON.
PON: Considerações Finais
As redes PON têm custo efetivo menor que as redes ponto-a-ponto no acesso óptico de ultima milha, porém isto significa muito mais do que custo atrativo. A rede PON é uma maneira de estender a fibra o mais perto possível do usuário final, gerar muitas outras ondas de demanda por serviços e atender demandas potenciais até então não viáveis tendo em vista sua necessidade por banda.
Mais do que competir com xDSL, modens e distribuição local multiponto (LMDS), a rede PON irá complementar e viabilizar ainda mais estas tecnologias servindo como um importante elemento de transito entre os Metro anéis e o acesso de última milha.
Os segmentos onde as redes PONs estão operando com sucesso são descritos a seguir:
DSL e DSLAM: Uma rede PON abastece o ´loop´ digital local (DLC) das operadoras em pequenos gabinetes (DSLAM) instalados em calçadas nas ruas, como os de distribuição e concentração de linhas telefônicas.
Híbridos de Fibra e cabo Coaxial: A rede PON habilita a televisão a cabo (CATV) penetrar com fibra nas redes, cortando o número de usuários por nó de 250-500 para 25-50. Isto possibilita as empresas ter serviços bi-direcionais e simétricos e aplicações interativas de banda larga. Então com poucos usuários nas linhas de cabo coaxial, elimina-se o custo de amplificadores elétrico.
Wireless de banda larga: Tento em vista as limitações de distancia de sistemas LMDS e MMDS operando em ´picocell´e ´multicell´ uma rede PON abastece a conexão entre rádio-base e a borda dos Metro anéis a um custo efetivo muito baixo.
No longo prazo as redes PONs são vistas como a tecnologia que irá viabilizar as conexões das residências com fibra óptica (Fiber To The Home).
Alguns dos benefícios de uma rede PON incluem:
Provê acesso em fibra óptica com um custo de manutenção menor que o par metálico, permitindo às operadoras repassar está redução para suas margens operacionais e com isto reduzindo o custo para os seus usuários finais.
Transmite as informações em um único par de fibras para 64 elementos reduzindo em escala os custos de uma transmissão padrão ponto-a-ponto.
O uso da interface óptica é otimizada pela OLT porque uma única fibra óptica atende 64 localidades. Uma redução de 64 para 1 no número de interfaces utilizadas em relação ao tradicional ponto-a-ponto. A alocação de banda para o usuário e feita remotamente, habilitando ao provedor de acesso o provisionamento rápido e fácil de seus serviços.
Mantém a arquitetura das redes dos usuários intacta. As ONUs convertem o tráfego óptico para os protocolos já existentes nas redes dos usuários (IP, Ethernet, SDH, etc), não havendo a necessidade de mudanças e/ou adaptações.
passivos e reduzem o número de elementos elétricos na rede. O que falta para as redes PON estarem mais presentes no mercado:
Como toda nova tecnologia, existem necessidades de: pessoal especializado, pessoal treinado e fornecedores bem qualificados.
A execução de "Field Trials" bem aplicados para validar a solução do fornecedor. Esse teste de operabilidade de ser realizado pelo lado que irá adquirir a tecnologia e não deve ser deixado para fornecedor sugerir todas as etapas e itens dos testes.
Planejamento adequado sobre redes PONs. Uma rede PON somente será viável se o investidor realmente desejar um ganho de escala grande em curto prazo na capacidade de atendimento e novos serviços de baixo custo, bem como uma estratégia agressiva de marketing para escoar este ganho de escala de serviços e mix de portifolio em curto espaço de tempo.
Real conhecimento da tecnologia e suas possibilidades de redução de custo e variação de portifolio. Planos práticos e realizáveis para exploração de mercado baseado em redes PONs.
O futuro das Redes PON aponta para uma convergência das OLTs e Routers em uma mesma caixa viabilizando as EPONs (Ethernet Passive Optical Network) e utilizando o sistema de 'cell switching' do ATM, porque este sistema já opera em nível 2 e 3 (Datalink e Network Layer). Está convergência irá viabilizar o roteamento e o chaveamento da ordem de giga/tera bits em POPs (Point Of Presence) transportando voz, vídeo e dados IP para as bordas e para dentro dos anéis metropolitanos de transporte. Referências
ANSI
American National Standards Institute, órgão americano responsável pelo desenvolvimento de padronização para telecomunicações.
ITU
The International Telecommunication Union, órgão europeu responsável pelo desenvolvimento de padronização para telecomunicações.
ATM Fórum
ATM Fórum, órgão responsável pelo treinamento, promoção e implementação do ATM, de acordo com os padrões e recomendações internacionais.
IETF
The Internet Engineering Task Force, órgão responsável pelo desenvolvimento de padronização para a Internet (RFC).
FSAN
The Full Service Access Network (FSAN) Group, órgão responsável pelo desenvolvimento de padronização para as redes PON
IEEE
aplicação das tecnologias relativas à engenharia e tecnologia da informação, e das ciências correlatas. FCC
PON: Teste seu Entendimento
1. Qual alternativa representa um componente de uma rede PON: Fibra compartilhada;
Rede física;
Alocação dinâmica de banda; Qos e SLAs individuais; Todas as anteriores.
2. Qual item abaixo descreve uma rede PON: Rede ponto-a-ponto;
Rede ponto-multiponto;
Rede ponto-multiponto wireless; Rede de topologia única.
3. As ONUs podem converter os sinal ópticos das OLT para os protocolos: Frame-Relay;
Token Ring; Ethernet; OSPF.
