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RODRIGO ALVES CARDOSO
Proposta, simulação e testes de arquitetura para redes
ópticas passivas GPON e XG-PON
Campinas
2015
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
RODRIGO ALVES CARDOSO
Proposta, simulação e testes de arquitetura para redes
ópticas passivas GPON e XG-PON
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica na área de concentração Telecomunicações e Telemática.
Supervisor/Orientador: Prof. Dr. Edson Moschim
ESTE EXEMPLAR CORREPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO RODRIGO ALVES CARDOSO E ORIENTADA PELO PROF. DR. EDSON MOSCHIM.
Prof. Dr. Edson Moschim
Campinas
2015
vii RESUMO
O objetivo deste trabalho foi propor uma arquitetura de rede óptica passiva (PON) capaz de suportar um sistema GPON e permitir a evolução para redes PON de nova geração, ou XG-PON, de maneira que ambas as tecnologias possam coexistir na mesma infraestrutura de rede óptica. Na arquitetura foram considerados um mecanismo de proteção parcial e equipamentos que possibilitam sua efetiva construção. Foi apresentado um modelo matemático que permitiu a validação da arquitetura em função do cálculo do power budget de acordo com as premissas estabelecidas pelas normas das tecnologias PON. Um modelo de cálculo de disponibilidade de redes com proteção parcial foi apresentado. De posse destes modelos foram obtidos resultados do alcance máximo da rede, número máximo de clientes suportados, as classes requeridas de equipamentos GPON e XG-PON e a relação entre o comprimento do enlace protegido e a disponibilidade, sendo obtido um alcance máximo de 13 km e disponibilidade próxima a 5-9s para uma rede com proteção parcial. O desempenho do sistema foi validado utilizando o simulador Optisystem e testes realizados em equipamentos reais.
ABSTRACT
The aim of this work was to propose a Passive Optical Network architecture (PON) capable of supporting a GPON system and enable the evolution to next-generation PON network, or XG-PON, where both technologies can coexist in the same optical network infrastructure. In the architecture were considered a partial protection mechanism and devices that allow their deployment in real situations. It was presented a mathematical model to validation of the architecture based in the power budget calculation and in the premises established by the PON technologies recommendations. A mathematical model to calc availability in networks with partial protection was presented. Using these models were obtained the maximum reach of the network, maximum supported clients, which GPON and XG-PON equipment classes were required and the relationship between the length of the protected link and availability. It was obtained a maximum reach of 13 km and network availability next to 5-9s using partial protection. The system’s performance was validated using the Optisystem simulator and tests performed in real equipment.
ix SUMÁRIO
1.1 Motivação ... 1
1.2 Objetivos ... 3
1.3 Principais resultados deste trabalho ... 4
1.4 Estrutura da dissertação... 5
2.1 Redes ópticas ponto a ponto e ponto-multiponto ... 6
2.2 Arquitetura GPON ... 9
2.3 Arquitetura XG-PON ... 10
2.4 Coexistência das tecnologias GPON e XG-PON ... 11
2.5 Taxas de transmissão das redes PON ... 12
2.6 Alcance das redes PON ... 12
2.7 Taxa de split das redes PON ... 13
2.8 Meio de transmissão ... 14
2.9 Comprimentos de onda ... 14
2.10 Transmissores ... 15
2.11 Receptores ... 18
2.12 Enlace óptico ... 20
2.13 Proteção em redes PON ... 22
2.14 Evolução das redes PON: 40G PON e 100G PON ... 23
3.1 Arquitetura da rede de acesso óptica proposta ... 26
3.2 Equipamentos da rede de acesso óptica ... 29
3.2.1 Solução de conectividade ... 29
3.2.2 Splitters ópticos ... 30
3.2.3 Fibra óptica ... 31
3.3 Metodologia e modelo de cálculo do Optical Power Budget ... 33
3.4 Metodologia para avaliação da proteção parcial ... 39
3.5 Simulação ... 44
3.6 Testes em equipamentos ... 47
1 INTRODUÇÃO ... 1
2 REDES DE ACESSO ÓPTICAS ... 6
x
3.6.1 Medição de potência óptica de downstream e upstream ... 48
3.6.2 Medição de BER ... 49
3.6.3 Teste de comutação com proteção Tipo B... 50
3.6.4 Diagrama de olho ... 51
4.1 Resultados do cálculo de Power Budget ... 53
4.2 Resultados do cálculo de disponibilidade ... 57
4.3 Resultados da simulação ... 62
4.3.1 Resultados da simulação da rede com split 1:64 e equipamentos GPON Classe C+ e XG-PON Classe N2a ... 65
4.3.2 Resultados da simulação da rede com split 1:64 e equipamentos GPON Classe C+ e XG-PON Classe N2b ... 69
4.3.3 Resultados da simulação da rede com split 1:32 e equipamentos GPON Classe C+ e XG-PON Classe N2a ... 73
4.3.4 Resultados da simulação da rede com split 1:32 e equipamentos GPON Classe C+ e XG-PON Classe N2b ... 77
4.4 Resultados dos testes ... 81
4.4.1 Resultados da medição de potência de downstream e upstream ... 81
4.4.2 Resultados da medição da taxa de erros de bits... 84
4.4.3 Resultados da comutação com proteção Tipo B ... 85
4.4.4 Resultados dos diagramas de olho ... 86
4.5 Arquitetura consolidada ... 88
5.1 Sugestão de trabalhos futuros... 94
4 ANÁLISE DA ARQUITETURA PROPOSTA E RESULTADOS ... 53
5 CONCLUSÃO ... 93
xi
xiii
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por me proporcionar os meios para a realização desse trabalho.
Agradeço ao meu orientador, Professor Edson Moschim, pela oportunidade, orientação recebida durante esse trabalho e também pela amizade.
Agradeço a minha esposa, Elaine, pelo seu constante e incondicional apoio.
Agradeço a minha mãe, Benedita e ao meu pai Antônio (in memoriam) pelo investimento em mim.
Agradeço a José Mário Tagliassachi, por me conceder minha primeira oportunidade de trabalho.
Agradeço a William Kamizaki, pela amizade e parceria.
Agradeço a Luiz F. Bourdot, mestre e tutor, pelos valiosos ensinamentos ao longo da minha trajetória.
Agradeço aos colegas Carlos Monteiro, Carlos Guides, Ricardo Carvalho, Renato Bacci, Jennyffer Antonelli e Elton Fanelli por tudo que me ensinaram.
Finalmente, agradeço a todas às demais pessoas que acreditaram no meu esforço e me incentivaram na minha caminhada.
xiv
xv
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1-1 – Porcentagem do consumo de banda do downstream por aplicação [1]. ... 2
Figura 1-2 – Desafios das redes de acesso ópticas ... 3
Figura 2-1 – Redes Ópticas Ponto-Multiponto... 7
Figura 2-2 – Gerenciamento do canal de downstream e upstream [4]. ... 8
Figura 2-3 – Arquitetura de referência GPON [6]. ... 9
Figura 2-4 – Arquitetura de referência XG-PON. ... 10
Figura 2-5 – Inclusão da tecnologia XG-PON em rede de acesso GPON existente mediante o uso do filtro WDM1r. ... 12
Figura 2-6 – Alcance físico de diferencial das redes PON [6]. ... 13
Figura 2-7 – Espectro da rede óptica de acesso ... 15
Figura 2-8 – Potência média máxima e mínima dos transmissores da OLT e ONT XG-PON ... 17
Figura 2-9 – Potência de saturação e sensibilidade dos receptores da OLT e ONT da classe nominal (N1 e N2) do XG-PON. ... 20
Figura 2-10 – Cálculo da atenuação máxima e mínima ODN GPON e XG-PON ... 21
Figura 2-11 – Mecanismos de proteção em redes PON ... 23
Figura 2-12 – Tecnologia NG-PON2 ... 25
Figura 3-1 – Arquitetura de rede de acesso óptica proposta. ... 28
Figura 3-2 – Atenuação e dispersão das fibras G.652 ... 32
Figura 3-3 – Modelo de referência para cálculo do Power Budget ... 34
Figura 3-4 – Modelagem do sistema PON para cálculo de disponibilidade ... 41
Figura 3-5 – Representação do modelo para simulação ... 45
Figura 3-6 – Representação do setup de testes utilizado ... 47
Figura 3-7 – Equipamentos GPON e XG-PON utilizados nos testes ... 48
Figura 3-8 – Representação do setup de testes utilizado para a medição de potência óptica de downstream e upstream ... 49
Figura 3-9 – Representação do setup de testes utilizado para medição da BER ... 50
Figura 3-10 – Representação do setup de testes utilizado para o teste de comutação com proteção Tipo B ... 51
Figura 3-11 – Representação do setup de testes utilizado para para obtenção do digrama de olho do (a) downstream e (b) upstream ... 52
Figura 4-1 – Topologia para cálculo da atenuação da rede óptica com taxa de split de 1:64 ... 53
xvi
Figura 4-3 – Atenuação da rede óptica em função do comprimento para ODNs com taxa de split de 1:64 e
de 1:32 ... 55
Figura 4-4 – Diagrama de blocos representativo para cálculo da disponibilidade fixa do sistema. ... 58
Figura 4-5 – Variação da disponibilidade da Rede Linear em função da distância ... 59
Figura 4-6 – Relação entre a variação do downtime com o comprimento da rede ... 60
Figura 4-7 – Disponibilidade do sistema PON com proteção parcial ... 61
Figura 4-8 – Modelo criado no simulador para simuação da rede óptica ... 63
Figura 4-9 – Modelo para alinhamento do receptor ... 64
Figura 4-10 – Diagramas de olho e BER para o GPON: downstream (a) e upstream (b). Equipamentos Classe C+ e N2a e taxa de split 1:64 ... 66
Figura 4-11 – Diagramas de olho e BER para o XG-PON: downstream (a) e upstream (b) Equipamentos Classe C+ e N2a e taxa de split 1:64 ... 68
Figura 4-12 – Diagramas de olho e BER para o GPON: downstream (a) e upstream (b). Equipamentos Classe C+ e N2b e taxa de split 1:64 ... 70
Figura 4-13 – Diagramas de olho e BER para o XG-PON: downstream (a) e upstream (b). Equipamentos Classe C+ e N2b e taxa de split 1:64 ... 72
Figura 4-14 – Diagramas de olho e BER para o GPON: downstream (a) e upstream (b). Equipamentos Classe C+ e N2a e taxa de split 1:32 ... 74
Figura 4-15 – Diagramas de olho e BER para o XG-PON: downstream (a) e upstream (b). Equipamentos Classe C+ e N2a e taxa de split 1:32 ... 76
Figura 4-16 – Diagramas de olho e BER para o GPON: downstream (a) e upstream (b). Equipamentos Classe C+ e N2b e taxa de split 1:32 ... 78
Figura 4-17 – Diagramas de olho e BER para o XG-PON: downstream (a) e upstream (b). Equipamentos Classe C+ e N2b e taxa de split 1:32 ... 80
Figura 4-18 – Setup de testes e resultados da medição da BER ... 84
Figura 4-19 – Diagramas de olho do GPON obtidos nas simulações (esquerda) e na rede experimental (direita) para (a) downstream e (b) upstream ... 87
Figura 4-20 – Diagramas de olho do XG-PON obtidos nas simulações (esquerda) e na rede experimental (direita) para (a) downstream e (b) upstream ... 88
xvii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Potência média máxima e mínima dos transmissores da OLT GPON ... 16
Tabela 2.2 – Potência média máxima e mínima dos transmissores da ONT GON ... 16
Tabela 2.3 – Potência de saturação e sensibilidade dos receptores da OLTs GPON de cada classe de equipamento. ... 19
Tabela 2.4 – Potência de saturação e sensibilidade dos receptores da ONTs GPON de cada classe de equipamento. ... 19
Tabela 2.5 – Atenuação máxima e mínima requeridas para as classes de ODN GPON ... 21
Tabela 2.6 – Atenuação máxima e mínima para as classes de ODN XG-PON ... 21
Tabela 3.1 – Perdas máximas admitidas para os splitters ... 30
Tabela 4.1 – Alcance da PON com taxas de split de 1:64 e de 1:32 em função das classes de equipamentos utilizadas ... 57
Tabela 4.2 – Potência de entrada OLT e ONU (a) GPON e (b) XG-PON ... 82
Tabela 4.3 – Potência de saída OLT e ONU (a) GPON e (b) XG-PON ... 82
Tabela 4.4 – Atenuação da rede experimental ... 83
xix
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS EDD – Ethernet Demarcation Device
EPON – Ethernet Passive Optical Network GE – Gigabit Ethernet
GPON – Gigabit Passive Optical Network DGO – Distribuidor Geral Óptico
ITU-T – International Telecommunication Union – Telecommunication Sector MEF – Metro Ethernet Forum
MTBF – Mean Time Between Failures MTTR – Mean Time To Repair
NAP – Network Access Point
NG-PON2 – 40-Gigabit-capable Passive Optical Networks ODN – Optical Distribuition Network
OLT – Optical Line Terminal ONT – Optical Network Terminal ONU – Optical Network Unit PON – Passive Optical Network
XG-PON – 10-Gigabit-capable Passive Optical Networks WDM – Wavelength Division Multiplex
1
1
INTRODUÇÃO
1.1
Motivação
As redes ópticas aplicadas ao acesso, com sua diversidade de topologias e tecnologias, se apresentam como uma alternativa interessante às tecnologias baseadas em cobre ou cabo coaxial na rede de acesso.
Um marco significativo do uso dessas tecnologias ocorreu em 2002 quando o ITU-T (International Telecommunications Union – Telecommunications Sector) começou o desenvolvimento do padrão chamado GPON (Giga-bit Passive Optical Network). Dentre as motivações para esse novo padrão estão a de fornecer maior largura de banda em relação a padrões de acesso óptico antecessores, propor uma especificação adequada capaz de suportar diferentes serviços e padronizar a implementação de uma rede óptica para oferecer taxas de transmissão compatíveis com as demandas residenciais e corporativas.
Como resultado, o padrão definido pelo conjunto de recomendações ITU-T G.984.x se popularizou entre fabricantes de equipamentos e operadores, de maneira que a adoção da tecnologia, sobretudo nos mercados asiático e norte-americano, atingiu níveis expressivos.
Contudo, a crescente demanda por taxas de transmissão ainda maiores que as suportadas pelo GPON levou o ITU-T a iniciar a partir de 2010 o desenvolvimento de um novo conjunto de recomendações denominado 10G-PON ou XG-PON (série ITU-T G.987.x) para redes PON com taxas de transmissão ainda maiores que as suportadas pelo GPON. As aplicações de
vídeo-on-demand, download de vídeo de sites da internet e YouTube se destacam como os principais responsáveis pelo crescimento das taxas transmissão das redes de acesso. A Figura 1.1 apresenta as aplicações com maior consumo de banda de downstream na América Latina durante a segunda metade do ano de 2013 [1].
2
Figura 1-1 – Porcentagem do consumo de banda do downstream por aplicação [1].
É possível concluir pela Figura 1.1 que as aplicações de vídeo e entretenimento em tempo real (YouTube, com 36,82% de consumo de banda e Real Time Entertainment, com 8,87% de consumo), corresponderam à 45,69% do tráfego total de downstream durante a segunda metade do ano de 2013 nas redes de acesso fixas na América Latina. Este valor é obtido pela soma das parcelas correspondentes ao YouTube e a Real Time Entertainment. Em outros mercados, como na América do Norte, este número ultrapassa 50% [1].
Além disso, com a padronização de serviços corporativos entregues em Ethernet pelo METRO ETHERNET FÓRUM [2], as operadoras começaram a utilizar suas redes ópticas de acesso para atendimento também de clientes corporativos. Para estes clientes, são oferecidos produtos diferenciados com acesso à internet simétrico de altas taxas de download e upload, banda larga garantida e serviços Lan-to-Lan para interconectar diferentes escritórios entre si ou a matriz às filiais de uma empresa.
O surgimento das tecnologias XG-PON permite que as operadoras que hoje utilizam a tecnologia GPON em suas redes de acesso possam futuramente migrar do GPON para o
XG-3
PON, motivadas principalmente pela crescente demanda por maiores taxas de transmissão no acesso.
Para permitir tal migração, a recomendação ITU-T G.987 propõe a coexistência de uma rede GPON com uma rede XG-PON sem alterações significativas da planta óptica externa, mediante alocação de diferentes comprimentos de onda de downstream e upstream para cada um dos sistemas e inclusão de um componente passivo, denominado pela ITU-T G.984.5 e G.987 de WDM1r.
A Figura 1.2 resumo os principais desafios das redes ópticas de acesso da atualidade, sendo motivação para este trabalho.
1- Aumento largura de banda REDE DE ACESSO 3- Velocidade de conexão Procedimentos Recursos Tempo de ativação 4- Preservação do investimento Residenciais 2- Rede Multi-serviços Corporativos Disponibilidade
Figura 1-2 – Desafios das redes de acesso ópticas
1.2
Objetivos
O objetivo principal deste trabalho é propor uma arquitetura de rede óptica de acesso que permita a utilização concomitante das tecnologias GPON e XG-PON, levando em consideração as recomendações que regem tais tecnologias e os equipamentos e soluções disponíveis no mercado para permitir a aplicação da arquitetura proposta em cenários reais. Além disso, é possível identificar como a planta deve ser projetada para, em um primeiro momento, suportar a
4
tecnologia GPON e, em um segundo passo, permitir a convivência do GPON com o XG-PON, enquanto não ocorre a migração para XG-PON. Este estudo é importante para permitir que o investimento na planta óptica e nos equipamentos GPON seja preservado. Para esta finalidade, este trabalho possui os seguintes objetivos:
• Realizar um estudo das tecnologias GPON e XG-PON extraindo, diretamente das recomendações pertinentes, os atributos de camada física das tecnologias necessários ao projeto da rede de acesso óptica que as suportará;
• Propor uma topologia de referência e identificar quais premissas de projetos que devem ser observadas no desenho de uma rede óptica real para suportar o GPON e permitir a inclusão futura do XG-PON, de maneira que a operação concomitante das duas tecnologias sobre a mesma rede seja possível;
• Desenvolver um modelo matemático para cálculo do budget óptico da rede de acesso de maneira a encontrar os parâmetros de projeto da planta óptica;
• Definir as classes de equipamentos GPON e XG-PON requeridos para um sistema onde as duas tecnologias estão presentes;
• Desenvolver um modelo para cálculo de disponibilidade em redes de acesso ópticas com proteção parcial e utilizá-lo para relacionar a disponibilidade da rede com a porcentagem da rede protegida;
• Utilizando uma ferramenta de simulação de redes ópticas, simular a arquitetura proposta para obter o diagrama de olho e a BER para compará-los aos requeridos para as tecnologias GPON e XG-PON.
Para o cálculo do budget óptico e disponibilidade foi utilizado o Microsoft Excel como ferramenta de cálculo. Os resultados foram obtidos a partir de um conjunto de gráficos gerados pelo Microsoft Excel e dos modelos desenvolvidos neste trabalho. Na simulação, foi utilizado o software Optisystem.
1.3
Principais resultados deste trabalho
Este trabalho apresenta algumas considerações sobre o projeto das redes de acesso ópticas que utilizam tecnologia GPON, mostrando como a rede deve ser projetada para estar compatível
5
com as recomendações da camada física do ITU e ao mesmo tempo deixá-la preparada para receber o XG-PON, também de acordo com as recomendações do ITU. Outras contribuições:
• Reunir, de maneira estruturada, os parâmetros de camada física do GPON e XG-PON, incluindo parâmetros novos ou alterados em publicações recentes do ITU;
• Introduzir as tecnologias XG-PON;
• Apresentar uma arquitetura de referência capaz de absorver demandas dos novos serviços e mercados pela coexistência do GPON com o XG-PON;
• Validar a arquitetura proposta a partir de cálculos de enlace e disponibilidade;
• Demonstrar, utilizando ferramenta de simulação computacional e experimentos e em equipamentos reais, a possibilidade da utilização da rede óptica de acesso proposta em cenários reais.
1.4
Estrutura da dissertação
O trabalho está estruturado da seguinte maneira:
O Capítulo 1 apresenta uma contextualização do uso das redes ópticas no acesso baseado nos serviços requeridos pelos clientes. A motivação do trabalho, objetivos e contribuições são também apresentadas.
No Capítulo 2 são apresentadas as topologias de acesso ópticas comumente utilizadas e a justificativa para escolha das redes ponto-multiponto. Os atributos da camada física do GPON e XG-PON que serão a base para a proposta de uma arquitetura de rede de acesso. Outras camadas do GPON e XG-PON não são detalhadas, podendo ser alvo de trabalhos futuros.
No Capítulo 3 será definida uma arquitetura de referência para rede de acesso óptica que permitirá a coexistência do GPON e XG-PON de acordo com os padrões estabelecidos pelas recomendações.
No Capítulo 4 será validada a arquitetura proposta, a partir do cálculo de enlaces, simulações, testes em equipamentos, comparativos com trabalhos anteriores e objetivos de desempenho especificados.
Finalmente, no Capítulo 5 serão apresentadas a conclusão geral e algumas sugestões de trabalhos futuros.
6
2
REDES DE ACESSO ÓPTICAS
2.1
Redes ópticas ponto a ponto e ponto-multiponto
O uso das redes ópticas no acesso possibilitou a exploração de novos serviços e novos mercados pelas operadoras. Tipicamente, as duas principais topologias utilizadas no projeto destas redes são ponto a ponto e ponto-multiponto.
Na topologia ponto a ponto, uma fibra óptica é dedicada entre a estação da operadora e o cliente. Cada cliente tem uma conexão direta em fibra óptica, exclusiva, para a central do provedor de serviço. Na central existe um equipamento de acesso, tipicamente um switch Ethernet com alta quantidade de portas, que se comunica com um switch Ethernet de menor capacidade instalado no cliente (EDD – Ethernet Demarcation Device), através da fibra óptica dedicada para este cliente. Cada assinante utilizará uma porta do switch Ethernet instalado na central, de maneira que, por não existir compartilhamento de portas do switch para mais de um cliente, uma grande quantidade de portas e consequentemente de equipamentos é requerida na estação, aumentando os custos da solução e custos associados com energia e climatização. Considerando as tecnologias atualmente empregadas nas redes estima-se que em 2020, 20% do consumo global de energia elétrica será das redes de telecomunicações [3]. Em redes de acesso, estima-se que menos de 15% da energia consumida é utilizada [3]. O restante da energia é dissipada pelo equipamento ou utilizada no resfriamento da sala de telecomunicações de forma a garantir a manutenção da temperatura de operação na sala requerida pelos equipamentos. Desta forma, consumo de energia é um fator fundamental para a definição da tecnologia utilizada na rede de acesso. As desvantagens da topologia ponto a ponto, relacionadas principalmente com o alto número de portas dos equipamentos de acesso e a grande quantidade de fibras ópticas da rede de acesso, tornam esta topologia apropriada apenas para situações em que se deseja atender um cliente com taxas superiores a 1xGE. Nestes casos, uma porta do switch será disponibilizada para o cliente, justificando o uso de uma fibra e uma porta dedicada no equipamento de acesso. Para os demais serviços, uma rede ponto-multiponto pode ser considerada, principalmente com a chegada de tecnologias de redes PON de nova geração.
Em uma rede ponto-multiponto, uma única fibra óptica é compartilhada entre um número determinado de clientes através do uso de componentes passivos denominados splitters ópticos.
7
Desta forma, toda a rede externa será composta de elementos passivos, que não precisam de alimentação elétrica. Tais redes são denominadas Redes Ópticas Passivas (PONs – Passive
Optical Networks). Na estação, apenas uma porta de um equipamento de acesso será utilizada para prover serviço aos vários clientes atendidos por uma mesma fibra óptica, de maneira que, além de compartilhar a fibra óptica, os clientes compartilham também a eletrônica de acesso na terminal. Com a utilização de redes ponto-multiponto passivas, não existe a necessidade de se instalar equipamentos ativos em campo. Além disso, ocorre uma redução significativa do número de fibras ópticas da rede de acesso e do tamanho dos cabos de acesso dos clientes. A Figura 2.1 apresenta as redes ponto-multiponto.
Figura 2-1 – Redes Ópticas Ponto-Multiponto
A rede PON opera em conjunto com tecnologias padronizadas de acesso onde protocolos específicos são capazes de controlar o acesso de múltiplos usuários atendidos por uma mesma rede através da divisão do tempo entre os clientes atendidos. Nestas tecnologias, é utilizado um equipamento instalado na Central da operadora chamado OLT (Optical Line Terminal) e outro equipamento instalado no cliente chamado ONT (Optical Network Terminal). O gerenciamento da banda e o controle de acesso é realizado em duas partes. No downstream (tráfego da OLT para a ONT) todas as ONTs recebem todo o tráfego. Os pacotes que chegam até a ONT são filtrados baseados em um identificador (ID). O tráfego que não pertence àquela ONT é descartado pelo equipamento.
No upstream (tráfego da ONT para a OLT), a OLT controla o canal de retorno e aloca diferentes intervalos de tempo para cada ONT, que ocupa todo o canal de retorno para transmitir
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seu tráfego apenas no intervalo de tempo alocado a ela pela OLT. A Figura 2.2 mostra o funcionamento básico da alocação de tempo e acesso ao meio em uma rede com múltiplos usuários compartilhando a mesma infraestrutura.
Figura 2-2 – Gerenciamento do canal de downstream e upstream [4].
Duas tecnologias de redes ópticas ponto-multiponto estão comercialmente disponíveis no mercado: a tecnologia EPON (Ethernet Passive Optical Network) definida pelo padrão IEEE 803.1ah e GPON (Giga-bit Passive Optical Network), definida pelas recomendações ITU série G.984.X. Destas tecnologias, o GPON tem sido a preferência dos operadores principalmente por prover uma banda maior de downstream, maior eficiência do protocolo em relação ao EPON e possibilitar o transporte de TDM nativo [4,5]. Por este motivo, neste trabalho a tecnologia ponto-multiponto a ser abordada será o GPON.
As recomendações ITU que definem a tecnologia GPON e os tópicos abordados em cada recomendação são resumidos abaixo:
• ITU-T G.984.1: Características gerais da rede GPON; • ITU-T G.984.2: Especificação da camada física do GPON;
• ITU-T G.984.3: Especificação da camada de transmissão de dados do GPON;
• ITU-T G.984.4: Especificação da interface de controle e gerenciamento das ONTs (OMCI: ONT Management and Control Interface);
• ITU-T G.984.5: Comprimentos de onda reservados para serviços adicionais, como NG-PON;
9
As informações necessárias para o projeto da rede de acesso óptica encontram-se nas recomendações ITU-T G.984.1 e G.984.2. As demais recomendações não serão abordadas neste trabalho.
2.2
Arquitetura GPON
A arquitetura de uma rede GPON e os elementos que a constituem são definidos na Recomendação ITU-T G.984.1. A arquitetura de referência é apresentada na Figura 2.3 [6].
Figura 2-3 – Arquitetura de referência GPON [6].
Os elementos fotônicos que compõem a arquitetura de referência, detalhados pelas recomendações G.984-1 e G.984-2 são:
• ONT: Optical Network Terminal – Equipamento instalado no ambiente do cliente, responsável pela conversão eletro-óptico dos sinais recebidos no cliente e óptico-elétrico dos sinais provenientes da ODN;
• ONU: Optical Network Unit – Nomenclatura utilizada para designar uma ONT que atende a mais de um cliente, como um prédio, por exemplo;
• ODN: Optical Distribuition Network – Rede óptica passiva, composta de splitters ópticos e cabos de fibra óptica;
• OLT: Optical Line Terminal – Equipamento instalado no site da operadora, responsável por agregar o tráfego proveniente dos clientes e enviar à rede de serviços, distribuir o tráfego recebido da rede de serviços aos clientes correspondentes, realizar conversão eletro-óptica e óptico-elétrica dos sinais, dentre outras funções.
10
Alguns elementos são opcionais, utilizado de acordo com os serviços que compartilham a ODN ou tipo de interface do cliente:
• Filtro WDM – Filtro passivo utilizado para inserir na rede ODN outros comprimentos de onda para video overlay e convivência do sistema GPON com sistemas anteriores ao GPON e XG-PON;
• NE: Network Element – Elemento de rede que utiliza um comprimento diferente da ONU/ONT e OLT como, por exemplo, um EDFA para vídeo analógico;
• AF: Adaptation Function – Equipamento e/ou função adicional utilizada para converter uma interface da ONT para outro modelo requerido pelo cliente ou serviço (por exemplo, se o equipamento do cliente ligado à ONT for xDSL é necessário incluir um cartão xDSL na ONT ou um modem xDSL externo).
2.3
Arquitetura XG-PON
A arquitetura de uma rede XG-PON e os elementos que a constituem são definidos na Recomendação ITU-T G.987.1. A arquitetura de referência é apresentada na Figura 2.4 [7].
.
Figura 2-4 – Arquitetura de referência XG-PON.
De forma semelhante ao GPON, o sistema é composto pela OLT, ONU e ODN. A definição de cada um destes elementos segue a mesma proposta para o GPON.
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A recomendação G.987.1 apresenta dois novos cenários de aplicação para o XG-PON não contemplados na G.984.1 que são o FTTO (Fiber-To-The-Office) que sugere uma ONU para atendimento de pequenas empresas e o FTTCell em que a ONU é utilizada como backhaul de estações móveis 2G, 3G e 4G.
2.4
Coexistência das tecnologias GPON e XG-PON
A evolução de uma rede GPON, chamadas de NG-PONs (Next-Generation PONs) está apoiada em dois requisitos básicos: oferecer maiores larguras de banda que as redes GPON atuais e permitir a convivência do GPON e do NG-PON na mesma rede de acesso óptica.
O primeiro requisito está baseado no aumento dos requerimentos de banda dos serviços. Neste cenário, é necessário preparar a rede para absorver novos serviços e novos mercados que as operadoras desejam explorar.
O segundo requisito é a preservação do investimento realizado na planta óptica. Estima-se que 76% do investimento total de uma rede óptica FTTH em locais sem rede existente seja da planta óptica (cabos e splitters ópticos) [8]. Além disso, é necessário que seja preservado o investimento em ONTs GPON, já que os clientes GPON em um primeiro momento não serão migrados para o NG-PON, deixando o NG-PON disponível para novas instalações ou clientes que demandam produtos de alta velocidade. As ONTs correspondem a uma parcela de 21% do investimento total da rede [8], sendo também uma parcela significativa do volume total do investimento.
Para tornar possível o aproveitamento da planta óptica nas duas tecnologias, foi definido pelo ITU um novo componente chamado WDM1r [7]. Trata-se de um filtro WDM passivo adicionado antes da OLT na central que, no sentido do downstream, permite a inclusão dos comprimentos de onda do XG-PON, na mesma ODN do GPON, e no upstream separa os comprimentos de onda do retorno do GPON e XG-PON, enviando-os corretamente para a respectiva OLT. A Figura 2.5 mostra a posição do filtro WDM1r e seu funcionamento.
12
Figura 2-5 – Inclusão da tecnologia XG-PON em rede de acesso GPON existente mediante o uso do filtro WDM1r.
2.5
Taxas de transmissão das redes PON
Para redes PON são definidas as taxas de transmissão do downstream e upstream. Para o GPON, sete taxas de transmissão foram propostas em uma recomendação anterior à G.984.1 [9]. Destas, apenas as taxas de 2,5Gbps e 1,25Gbps de downstream e upstream respectivamente e 2,5Gbps simétrico permanecem na recomendação G.984.1. Destas duas taxas, a indústria de equipamentos e os provedores utilizam apenas a taxa assimétrica [9].
Em relação ao XG-PON1 são definidas as seguintes taxas de transmissão de 10Gbps e 2,5Gbps para downstream e upstream, respectivamente, e 10Gbps simétrico para o XG-PON2 [7].
2.6
Alcance das redes PON
No que se refere ao alcance da solução, ou distância máxima entre uma ONT e a OLT, a recomendação G.984.1 define três parâmetros a serem considerados, o alcance lógico, o alcance físico e o alcance diferencial [9]. Definições equivalentes são adotadas pelo XG-PON. As recomendações G.984.2 e G.987.2 indicam quais são os valores de cada um destes parâmetros para o GPON e XG-PON respectivamente [10,11].
13
• Alcance lógico – 60km para ambas as tecnologias: Distância máxima entre a OLT e a ONT, sem considerar as limitações da camada física. O alcance lógico corresponde à máxima distância que pode ser gerenciada pelas camadas superiores do GPON e XG-PON;
• Alcance físico – 20km para ambas as tecnologias: Máxima distância física entre a OLT e a ONT. Relacionado com o compromisso entre a atenuação máxima suportada pela tecnologia, a taxa de split e as perdas nos elementos da rede, como fibra óptica, conectores e fusões;
• Alcance diferencial – 70km para o GPON e 20km para o XG-PON: Diferença de distância entre a ONT/ONU mais próxima e mais distante da OLT. O alcance diferencial do GPON foi ampliado de 20km para 70km pela recomendação G.984.7.
O alcance da rede óptica de acesso que suportará as tecnologias GPON e XG-PON é definido pelo menor alcance entre as três definições apresentadas, que corresponde ao alcance físico e é igual à 20km. A Figura 2.6 ilustra estes conceitos [6].
Figura 2-6 – Alcance físico de diferencial das redes PON [6].
2.7
Taxa de split das redes PON
A ODN da rede PON é composta basicamente dos cabos ópticos e dos splitters ópticos. Esta infraestrutura e a porta da OLT que atende a uma ODN serão compartilhadas por um número de clientes, determinado pelo tipo e configuração dos splitters ópticos posicionados na
14
rede. Os splitters ópticos são elementos passivos que podem ser colocados em uma posição única (no site, junto à OLT ou um armário na rede externa) ou cascateados em diferentes níveis de forma a posicioná-los mais próximo dos clientes. Pelo fato da alta representatividade da rede óptica no custo total de uma rede PON é importante que a rede óptica seja utilizada em sua capacidade máxima.
A recomendação G.984.2 padronizou a taxa de split do GPON em 16, 32 ou 64, de maneira que este seria possível colocar em uma ODN até 64 clientes por rede PON. Para a tecnologia XG-PON a taxa de split recomendada é de pelo menos 1:64, sendo escalável até 1:128 ou 1:256. Entretanto, para permitir a coexistência dos sistemas XG-PON1 em redes ópticas GPON legadas, está previsto pela G.987.1 a utilização de taxas de split de 1:32 em um cenário de migração de tecnologia onde existe um sistema GPON instalado e o operador deseja instalar equipamentos XG-PON na mesma infraestrutura óptica mantendo o GPON.
A taxa de split de 1:64 seria o limite superior para uma rede em que se deseja instalar um sistema GPON com XG-PON e seria o desejável, porém duas outras variáveis precisam ser consideradas. A primeira delas é a banda média requerida por usuário, pois quanto maior a taxa de split, mais usuários irão compartilhar as bandas de downstream e upstream e menor será a banda média por usuário. A segunda é o alcance máximo da rede uma vez que quanto maior a taxa de split, maior a parcela do budget óptico utilizado pelos splitters e menor será a parcela disponível para a fibra óptica, reduzindo o alcance da rede.
2.8
Meio de transmissão
A fibra óptica é definida pela G.984.2 e G.987.2 como o meio físico de transmissão que deve ser utilizado em uma rede PON. As recomendações estabelecem também que deve ser utilizada na rede óptica a fibra com características ópticas e construtivas definidas na recomendação ITU-T G.652 [12]. Adicionalmente, é indicado que outras fibras podem também ser utilizadas para cabeamento interno ou no cabo drop, sendo a fibra óptica definida na recomendação ITU G.657 citada pela G.987.2 como uma possibilidade.
2.9
Comprimentos de onda
Os sistemas GPON e XG-PON deverão operar no sentido de upstream e downstream. No
15
provedor de serviço. No downstream, o tráfego é enviado da OLT para a ONU, ou seja, do provedor de serviço para o cliente. É requerido pela recomendação G.984.2 que ocorra transmissão em ambas às direções, através do meio físico (fibra óptica). Este requisito pode ser alcançado por uma rede óptica com duas fibras ou com uma fibra. Neste último caso a OLT e a ONT precisam utilizar um filtro WDM para separar o tráfego de upstream e downstream, colocado internamente na OLT e ONT. Tanto no projeto de equipamentos como da rede de acesso óptica se utiliza tipicamente a solução de uma fibra. Neste caso, tanto a OLT como a ONT possuem internamente o filtro WDM que permite a multiplexação dos comprimentos de onda do
downstream e upstream na mesma fibra.
No XG-PON é obrigatória a utilização de apenas uma fibra óptica e filtro WDM para separar o tráfego de downstream e upstream. Diferentemente do GPON, o uso do WDM na OLT e ONT não é opcional. As janelas de operação especificadas pelas recomendações G.984.2 e G.987.2 para downstream e upstream são apresentados na Figura 2.7 [6,11].
Figura 2-7 – Espectro da rede óptica de acesso
Existe a possibilidade de adicionar vídeo RF para transmissão dos canais analógicos de TV. A janela acima de 1600nm poderá ser utilizar para manutenção e troubleshooting da rede óptica através do uso de instrumentos de testes.
2.10
Transmissores
A potência do transmissor é definida como a potência média de uma sequencia binária de dados pseudo-aleatória acoplada na fibra pelo transmissor. A recomendação G.984.2 define cinco diferentes classes de ODNs (Classe A, Classe B, Classe C, Classe B+ e Classe C+), sendo as duas últimas incluídas em 2008 pelo apêndice III da G.984.2 para adequar as definições do GPON às práticas adotadas pela indústria.
16
O transmissor utilizado na OLT e ONU é do tipo DFB, com taxa de supressão dos modos laterais mínima de 30dB e largura espectral de 1nm. A largura espectral é definida como a largura máxima, centrado na frequência de pico, medida 20dB abaixo da máxima amplitude da frequência central.
Em cada classe é definido o valor mínimo de potência média que deve ser entregue pelo transmissor para a rede e qual o valor máximo que não poderá ser excedido, ambos em condições típicas de operação. A potência do transmissor é padronizada como uma faixa de valores para permitir a otimização dos custos dos equipamentos durante o desenvolvimento de OLTs e ONTs pelos fabricantes e acomodar eventuais variações na operação da rede, causadas pelo envelhecimento e degradação dos componentes da rede.
As Tabelas 2.1 e 2.2 apresentam a potência máxima e mínima para cada classe, na OLT (downstream – Tabela 2.1) e ONU (upstream – Tabela 2.2).
Classe ODN - OLT Potência média transmitida Mín. [dBm] Potência média transmitida Max. [dBm] Classe A 0,0 4,0 Classe B 5,0 9,0 Classe C 3,0 7,0 Classe B+ 1,5 5,0 Classe C+ 3,0 7,0
Tabela 2.1 – Potência média máxima e mínima dos transmissores da OLT GPON
Classe ODN - ONT Potência média transmitida Mín. [dBm] Potência média transmitida Max. [dBm] Classe A -3,0 2,0 Classe B -2,0 3,0 Classe C 2,0 7,0 Classe B+ 0,5 5,0 Classe C+ 0,5 5,0
17
Para o XG-PON, a recomendação G.987.2 define duas classes de ODNs: a Nominal e a
Extended. A classe Nominal utiliza componentes ópticos típicos atualmente disponíveis na indústria enquanto a classe Extended requer o desenvolvimento de componentes ópticos ou uso de amplificadores externos [13]. Pela maior disponibilidade de componentes ópticos na indústria e visando a possibilidade de aplicação da arquitetura proposta neste trabalho em cenários reais será considerada apenas a classe Nominal.
A classe Nominal é subdividida em N1 e N2. A classe N2, por sua vez, é dividida entre N2a e N2b. A diferenciação entre as classes é baseada no tipo de receptor óptico utilizado. Para as classes N1 e N2a, é utilizado o receptor óptico tipo APD. Para a classe N2b é utilizado um receptor PIN. Em cada classe, as potências máxima e mínima da OLT (downstream) e ONT (upstream) são especificadas. Para a ONT, são definidas as classes N1 e N2 [13]. A Figura 2.8 apresenta as potências do transmissor da OLT e ONT para a classe Nominal:
Transmissor OLT Pot Mín.: 2,0 dBm Pot Max.: 6,0 dBm Transmissor OLT Pot Mín.: 4,0 dBm Pot Max.: 8,0 dBm Transmissor OLT Pot Mín.: 10,5 dBm Pot Max.: 12,5 dBm Transmissor ONT Pot Mín.: 2,0 dBm Pot Max.: 7,0 dBm N1 N2a N2b Classe N Nominal Receptor
ONT APD Receptor ONT PIN
Downstream Upstream
N1 e N2
Figura 2-8 – Potência média máxima e mínima dos transmissores da OLT e ONT XG-PON
Em relação à codificação dos pulsos, no sentido de downstream e no sentido de upstream é utilizada codificação NRZ (Non Return to Zero), onde um alto nível de emissão de luz define o número binário UM e um baixo nível de emissão de luz define o número binário ZERO. A
18
diferença, em dB, dos valores de potência médios transmitidos para o binário “1” e binário “0” é chamada de Taxa de Extinção. No GPON, a taxa de extinção para sistemas operando com taxa de
upstream de 1,25Gbps e downstream de 2,5Gbps deve ser maior ou igual a 10dB para o transmissor da ONU (upstream) e 8,2dB para o transmissor da OLT (downstream). No XG-PON1, a taxa de extinção deve ser maior ou igual a 8,2dB em ambos os sentidos.
2.11
Receptores
Para taxa de recepção igual ou superior a 1,25Gbps é sugerido utilizar um fotodetector APD (Avalanche Photo Diode) na OLT e na ONT no projeto do receptor óptico dos equipamentos, sendo esta a tecnologia utilizada para os receptores dos sistemas GPON. Entretanto, como explicado anteriormente, é possível utilizar um receptor PIN no projeto da ONT XG-PON, sendo este tipo de receptor considerado para as ONTs classe N2b. As ONTs das classes N1 e N2a utilizam receptores com fotodetector APD. A potência de transmissão varia em função do receptor adotado. O tipo do receptor da OLT não foi definido para o XG-PON.
As duas variáveis dos receptores que devem ser estudadas para o cálculo de enlace são a sensibilidade e a potência óptica de saturação do receptor óptico. A sensibilidade do receptor é definida como o valor mínimo de potência óptica média na entrada do receptor que garante uma BER menor ou igual a 10-10. Por sua vez, a potência óptica de saturação do receptor é definida como a máxima potência óptica média aceitável pelo receptor que garante uma BER menor ou igual a 10-10 [5,6]. Adicionalmente, o receptor óptico deve tolerar um power penalty máximo de 1dB. O power penalty pode ser entendido como uma redução aparente da sensibilidade do receptor devido à distorções do sinal óptico durante sua transmissão pelo caminho físico. Estas distorções são causadas principalmente por dispersão cromática, PMD, reflexão, interferência intersimbólica e laser chirp [9].
De maneira semelhante aos transmissores, são definidas 5 classes de ODN para os receptores, de maneira que os fabricantes podem escolher em qual delas os equipamentos serão classificados. Os valores de saturação, sensibilidade e power penalty para cada classe são apresentados nas Tabelas 2.3 (OLT/downstream) e 2.4 (ONT/upstream):
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Classe ODN - OLT Sensibilidade Mín. [dBm] Saturação Mín. [dBm] Power Penalty Downstream [dB] Classe A -24,0 -3,0 1,0 Classe B -28,0 -7,0 1,0 Classe C -29,0 -8,0 1,0 Classe B+ -28,0 -8,0 0,5
Classe C+ (com uso de FEC)
-32,0 -12,0 1,0
Tabela 2.3 – Potência de saturação e sensibilidade dos receptores da OLTs GPON de cada classe de equipamento.
Classe ODN - ONU Sensibilidade Mín. [dBm] Saturação Mín. [dBm] Power Penalty Upstream [dB] Classe A -21,0 -1,0 1,0 Classe B -21,0 -1,0 1,0 Classe C -28,4 -8,0 1,0 Classe B+ -27,0 -8,0 0,5
Classe C+ (com uso de FEC)
-30,0 -8,0 0,5
Tabela 2.4 – Potência de saturação e sensibilidade dos receptores da ONTs GPON de cada classe de equipamento.
De forma semelhante ao GPON, são especificados os valores de sensibilidade e de saturação para os receptores da OLT e ONT do XG-PON. A BER antes do FEC definida para o XG-PON1 é de 10-4 para o upstream e 10-3 para o downstream. Diferentemente do GPON, o uso de FEC é obrigatório no downstream e no upstream o que justifica os menores valores de sensibilidade. As definições de sensibilidade e saturação são semelhantes às do GPON. Adicionalmente, o receptor óptico deve tolerar um power penalty máximo de 1dB para todas as classes.
Igualmente aos transmissores, são definidas as classes de ODN Nominal e Extended, sendo a classe Nominal dividida em N1 e N2, subdivida em N2a e N2b no downstream. Os valores de saturação e sensibilidade para a classe Nominal são apresentados na Figura 2.9.
20 N1 e N2a Receptor OLT Satur.: -9,0 dBm Sens.: -29,5 dBm Receptor ONT Satur.: -8,0 dBm Sens.: -28,0 dBm Receptor ONT Satur.: -3,5 dBm Sens.: -21,5 dBm Receptor OLT Satur.: -7,0 dBm Sens.: -27,5 dBm N1 N2 Upstream Downstream N2b Classe N Nominal Receptor ONT APD Receptor ONT PIN
Figura 2-9 – Potência de saturação e sensibilidade dos receptores da OLT e ONT da classe nominal (N1 e N2) do XG-PON.
A identificação da potência de transmissão dos equipamentos e das características dos receptores é de fundamental importância para o entendimento de como são definidas as classes de ODN das tecnologias e cálculo de enlace.
2.12
Enlace óptico
Os valores de atenuação máximo e mínimo da rede GPON são também definidos para cada classe de ODN. A Tabela 2.5 apresenta o valor máximo da atenuação da rede óptica permitido para a rede e o valor mínimo requerido para o GPON e a Tabela 2.6 apresenta os mesmos valores para o XG-PON. Estes valores são iguais para o downstream e upstream e precisam ser considerados no projeto da rede para garantir que os receptores ópticos da OLT e ONU não sejam saturados (atenuação mínima) e a BER mínima seja garantida (atenuação máxima) [6].
21 Classe ODN (DW / UP) Atenuação mínima [dB] Atenuação máxima [dB] Classe A 5,0 20,0 Classe B 10,0 25,0 Classe C 15,0 30,0 Classe B+ 13,0 28,0 Classe C+ 15,0 32,0
Tabela 2.5 – Atenuação máxima e mínima requeridas para as classes de ODN GPON
Classe ODN (DW / UP) Atenuação mínima [dB] Atenuação máxima [dB] Classe N1 14,0 16,0 Classe N2 29,0 31,0
Tabela 2.6 – Atenuação máxima e mínima para as classes de ODN XG-PON
As Tabelas 2.5 e 2.6 são resultado da relação entre a potência óptica de transmissão máxima e mínima dos transmissores da OLT e ONT, da sensibilidade e da saturação dos receptores e power penalty. A Figura 2.10 apresenta como o cálculo dos limites é realizado.
Sensibilidade RX Saturação RX R an ge D in âm ic o d o re ce p to r Potência mínima TX Potência máxima TX
Perda mínima requerida da rede
Garante que o receptor não irá saturar mesmo quando o transmissor envia a potência máximac
Power Penalty
Perda máxima da rede
Fibra óptica, divisores, fusões, conectores, filtros, margem de segurança
22
Matematicamente, o cálculo da atenuação máxima permitida e a atenuação mínima requerida podem ser representados pelas equações:
Atenuação mínima [dB] = Potência máxima TX [dBm] – Saturação RX [dBm]
Atenuação máxima [dB] = Potência mínima TX [dBm] – Sensibilidade RX [dBm] – Power Penalty [dB]
Um parâmetro importante relacionado com a atenuação é o chamado differential optical
path loss. Ele estabelece que a atenuação máxima entre duas ONTs em uma mesma ODN deverá ser no máximo 15dB e é igual para o GPON e XG-PON.
Em relação à dispersão e PMD não existe um valor especificado para o sistema GPON. Entretanto a recomendação G.984 define o tipo de fibra que deve ser utilizado (G.652). Dispersão e PMD são uma das características da fibra definidas pela recomendação G.652. Portanto, indiretamente, a recomendação estabelece um valor máximo de dispersão e PMD que devem ser suportados pelo sistema ao definir qual é a fibra óptica utilizada na rede óptica de acesso. Além disso, o power penalty estabelecido pela recomendação G.984 inclui as contribuições destes efeitos no sistema.
Diferentemente da recomendação G.984, para o sistema XG-PON é definido um range de dispersão cromática da rede óptica que deverá ser respeitado pelo sistema. Para o sistema XG-PON de 20km é especificado o intervalo de 0 a 400 ps/nm.
Desta maneira, sendo respeitado o alcance máximo de 20km de ambos os sistemas e utilizadas as fibras especificadas nas recomendações não é necessário análises adicionais da dispersão cromática e PMD nas redes ópticas.
2.13
Proteção em redes PON
Para aumentar a disponibilidade do serviço do cliente em uma rede GPON ou XG-PON é possível proteger o enlace óptico entre a OLT e a ONT totalmente ou parcialmente. Na proteção parcial, apenas uma parcela do enlace é protegida, de maneira que é requerido duplicar os caminhos e as fibras ópticas somente em um trecho entre a OLT e a ONT. É necessário alocar duas portas da OLT, uma para cada caminho de proteção. Nesta arquitetura, um splitter 2:N passivo é utilizado na rede externa. Esta arquitetura permite uma redução de custos na planta externa, pois apenas um trecho da rede é duplicado, além de permitir a utilização de modelos de
23
ONTs com apenas uma porta PON, reduzindo também o custo associado com o equipamento do cliente.
Na proteção total, além das portas da OLT é necessário duplicar as fibras ópticas e os caminhos em todo o enlace entre a OLT e a ONT. Além disso, é necessário utilizar também ONTs com duas interfaces ópticas de rede. A Figura 2.11 apresenta os dois mecanismos de proteção utilizados nas redes ópticas.
OLT PORTA 1 PORTA 2 PORTA 1 ONT PORTA 1 ONT Proteção Parcial OLT PORTA 1 PORTA 2 PORTA 1 ONT PORTA 1 ONT Proteção Total PORTA 2 PORTA 2
Figura 2-11 – Mecanismos de proteção em redes PON
2.14
Evolução das redes PON: 40G PON e 100G PON
No ano de 2010, o ITU-T iniciou o padronização da tecnologia 40G-PON, também conhecido como NG-PON2, que permitirá oferecer taxas de transmissão ainda maiores nas redes de acesso ópticas em relação ao XG-PON. O padrão NG-PON2 está sendo descrito pela série de
24
recomendações ITU-T G.989.x, das quais apenas a recomendação G.989.1, que descreve os requisitos gerais da tecnologia foi publicada, em 2013.
Além da crescente demanda por serviços de video stream e a necessidade de tornar a rede óptica multi-serviços, que motivaram o desenvolvimento do padrão XG-PON, as aplicações em nuvem, a possibilidade de utilizar a PON como Mobile Backhaul para redes móveis 4G e serviços de vídeo com altíssima definição 4K e 8K para usuários residenciais são motivações para o desenvolvimento do padrão NG-PON2 [27].
Adicionalmente, fabricantes de equipamentos anunciaram o desenvolvimento de soluções 100G PON [28], levando as redes de acesso ópticas a capacidades compatíveis à das redes fotônicas metropolitanas baseadas em DWDM.
O desenvolvimento das tecnologias 40G PON e 100G PON é baseado no TWDM-PON –
Time and Wavelength Division Multiplexed PON, em que múltiplas OLTs XG-PON são empilhadas, cada uma delas operando com um comprimento de onda diferente das demais. Na tecnologia são utilizados de 4 a 8 pares de canais ópticos para alcançar as taxas de transmissão definidas para o NG-PON2. Dois requisitos importantes definidos para a tecnologia é a possibilidade de adicionar novos comprimentos de onda à medida que a banda cresce, no modelo “pay-as-you-grow” e a compatibilidade com a planta óptica projetada para suportar o GPON e XG-PON [29]. A Figura 2.12 apresenta o diagrama esquemático da solução NG-PON2.
25 ODN ONT NG-PON2 ONT GPON OLT XG-PON OLT GPON OLT NG-PON2 λ1 OLT NG-PON2 λ2 OLT NG-PON2 λN RF Vídeo OTDR ONT XG-PON EC
Figura 2-12 – Tecnologia NG-PON2
Para o NG-PON2 é definido um componente denominado pelo ITU como Elemento de Coexistência (EC), que permitirá a compatibilidade entre a ODN projetada para o GPON e XG-PON com o NG-XG-PON2, além de permitir a inclusão do vídeo RF e uma porta de testes para OTDR. A ODN é baseada em splitters ópticos. Novas placas NG-PON2 são incluídas de acordo com o crescimento da rede. Os comprimentos de onda provenientes de cada uma das placas são multiplexados antes de serem entregues ao EC.
Os requerimentos sistêmicos da tecnologia NG-PON2, como classes de ODN e características dos componentes ópticos, estão em processo de padronização e desenvolvimento. O NG-PON2 não será abordado neste trabalho, sendo apresentada nesta seção uma visão genérica da tecnologia.
26
3
PROPOSTA DE ARQUITETURA DA PON E METODOLOGIA
PARA VALIDAÇÃO
3.1
Arquitetura da rede de acesso óptica proposta
Um dos principais desafios na definição de uma arquitetura de referência para as redes ópticas de acesso é permitir a coexistência das tecnologias GPON e XG-PON na mesma ODN. Tal interesse é motivado pela necessidade de preservar o investimento nas redes ópticas e de disponibilizar uma maior largura de banda para os clientes da rede de acesso em virtude dos novos serviços e aplicações. Os atributos de camada física e dos equipamentos das tecnologias GPON e XG-PON são fundamentais para a definição desta arquitetura, pois estabelecem as premissas que devem ser consideradas no projeto da rede óptica de acesso que suportará as tecnologias GPON e XG-PON. O entendimento destes parâmetros é a base para definição de uma arquitetura de rede.
Entretanto, para tornar esta coexistência uma realidade nas redes de acesso ópticas outras questões devem ser consideradas. Uma delas seria qual a taxa máxima de split que a rede poderá ter para que as perdas introduzidas por elementos adicionais possam ser acomodadas no enlace óptico. Outra questão seria qual o alcance máximo que a rede suportará em função das classes de ODN disponíveis.
Estas e outras variáveis precisam ser entendidas, estudadas em conjunto e reunidas em uma arquitetura de referência que considere questões de projeto, de disponibilidade e de materiais de maneira a projetar uma rede óptica que suporta o GPON e permite a evolução para o XG-PON. Neste capítulo, será apresentada uma arquitetura de rede óptica que reúne diferentes elementos e soluções em uma única rede óptica que suportará o GPON e XG-PON. Muitos destes elementos e soluções têm sido propostos em trabalhos anteriores [14,15]. Porém, este trabalho apresenta uma inovação ao juntar todos eles em uma única rede óptica de acesso.
Neste trabalho é proposto um desenho de rede em que as especificações da camada física das tecnologias, os elementos da rede e os procedimentos para permitir a coexistência das tecnologias em uma mesma ODN seguem as definições do ITU. Com a utilização da tecnologia XG-PON os mecanismos que aumentam a disponibilidade da rede, também propostos pelo ITU, são fundamentais na definição da arquitetura da ODN e foram considerados neste trabalho.
27
Finalmente, é importante pensar em aspectos operacionais da rede, que envolve o uso de materiais padronizados pela indústria e procedimentos de conexão de novos clientes à rede. Desta maneira, os pilares da arquitetura de rede óptica proposta neste trabalho são:
• Suporte ao GPON: a rede proposta deverá suportar um sistema GPON, incluindo as especificações de camada óptica, serviços e objetivos de desempenho esperados para a tecnologia;
• Evolução para XG-PON: será necessário que a planta óptica permita a coexistência de um sistema GPON e XG-PON simultaneamente, de forma que a operação da rede seja iniciada com GPON e um XG-PON possa ser adicionado na mesma infraestrutura óptica e opere concomitantemente com o GPON legado;
• Proteção na planta óptica: Uma diversidade de serviços será oferecida aos clientes a partir da rede óptica. Por isso, é necessário que a rede seja protegida para garantir que os serviços não sejam afetados em caso de falha da rede;
• Facilidade de conexão de um novo cliente: a rede óptica deverá permitir a inclusão de um novo cliente de maneira simples e rápida, garantindo que outros clientes não sejam afetados durante o processo de conexão do cliente;
• ODN com materiais padronizados: Todos os materiais a serem utilizados na ODN deverão possuir atributos bem definidos por organismos reconhecidos, como ITU, IEEE ou Agências Reguladoras.
28 1490 RX Splitter 2:N 1º Nível Rota Redundância (Cabo óptico G.652D) OLT GPON Splitter 1:N 2º Nível WDM1r WDM Filter RX WDM Filter TX TX 1310 1570 RX OLT XG-PON WDM Filter RX WDM Filter TX TX 1290 Rota Principal (Cabo óptico G.652D) WDM1r 1490 WDM Filter RX 1310 TX ONT GPON 1570 WDM Filter RX 1290 TX ONT XG-PON Trecho linear (Cabo óptico G.652D) Drop (Cabo óptico G.657) 1490 1310 1570 1290 1490/1570 1310 1490/1570 1290
Figura 3-1 – Arquitetura de rede de acesso óptica proposta.
A proposta está de acordo com a arquitetura definida pelas recomendações GPON e XG-PON. Todos os elementos obrigatórios de ambas as tecnologias foram considerados. O mecanismo de proteção parcial da rede com o uso de splitter 2:N é totalmente aderente às definições técnicas do ITU [10] assim como os comprimentos de onda utilizados na rede para
downstream e upstream do GPON e XG-PON.
As fibras ópticas utilizadas são as propostas pelas recomendações do ITU para redes de acesso PON, sendo inclusive considerada a fibra G.657 no cabo drop para reduzir a atenuação causada por micro-curvaturas no cliente [16].
Finalmente, o overlay de rede, que permite o compartilhamento da mesma infraestrutura de rede óptica entre o GPON e o XG-PON foi realizada utilizando o mecanismo proposto pelo ITU, que sugere a inclusão do filtro WDM1r para realizar a multiplexação dos comprimentos de onda do downstream e a demultiplexação dos comprimentos de onda do upstream do GPON e XG-PON.
29
3.2
Equipamentos da rede de acesso óptica
3.2.1
Solução de conectividade
Entende-se como solução de conectividade um conjunto de equipamentos, composto pelas caixas de emenda ópticas, cabos drop e conectores de campo, e procedimentos que visam facilitar a instalação de um novo cliente sem afetar outros clientes já instalados na planta. Para este objetivo, as operadoras têm optado por soluções em que as saídas dos splitters ópticos das caixas de emenda que recebem os clientes, denominadas NAP (Network Access Point) são conectorizadas, de tal forma que não é necessário baixar a caixa NAP para instalar um novo cliente, reduzindo assim o número de intervenções necessárias na rede e aumentando a confiabilidade do serviço. Na instalação de um novo cliente não é necessário também deslocar uma equipe específica de fusões, reduzindo o tempo necessário para instalação dos clientes. Neste caso, os cabos drop dos clientes possuem ambas as pontas conectorizadas de fábrica. Para acessos com comprimentos variados a desvantagem deste modelo é a necessidade de possuir cabos drop de diferentes comprimentos, pois não será possível cortá-los de acordo com a distância a ser utilizada, uma vez que ambas as pontas do cabo são conectorizadas.
Para reduzir a diversidade de cabos em estoque, muitas operadoras têm adotado conectores de campo que são instalados no cabo drop no momento da ativação de um novo cliente, não sendo necessário possuir no estoque cabos com comprimentos variados [17].
A solução de conectividade é um importante fator a ser considerado nas redes ópticas porque além de definir os procedimentos necessários para instalação de um novo cliente e influenciar diretamente na confiabilidade do serviço, ela é um elemento determinante no cálculo de enlace da rede óptica. As perdas introduzidas pelos conectores na NAP e no cabo drop, sejam montados em campo ou em fábrica, devem ser consideradas no cálculo de enlace. Soluções de NAP conectorizada e conectores de campo estão amplamente disponíveis na indústria de materiais [18,19].
O uso da solução de cabos de acesso e NAPs conectorizadas na ODN na arquitetura de rede proposta resulta na conexão de novos clientes à rede de uma maneira mais rápida e reduz a possibilidade que os cabos de outros clientes já instalados na planta sejam danificados. Com isso, o objetivo de facilitar a conexão de novos clientes na rede de acesso é atingido.
30
3.2.2
Splitters ópticos
Um elemento fundamental em uma rede óptica com proteção são os splitters ópticos 2:N, sendo N o número de saídas do splitter óptico. Estes splitters são utilizados no primeiro nível na rede proposta.
O splitter 2:N do primeiro nível é um elemento passivo (não necessita de alimentação elétrica) que possui duas portas, posicionadas em direção à OLT, e N portas de saída. Cada uma das portas de saída atenderá um splitter de segundo nível. A atenuação do splitter depende exclusivamente do número de saídas. A utilização do splitter 2:N no primeiro nível permitirá que seja implantado a redundância parcial sem a adição de elementos ativos na rede e perdas significativas no enlace óptico, já que a diferença entre a perda de inserção máxima de um
splitter 1:N e 2:N é da ordem de 0,3dB.
No segundo nível será utilizado um splitter 1:N com saídas conectorizadas. Este splitter possui uma saída, que será ligada ao splitter de primeiro nível através de uma fibra óptica e N saídas conectorizadas para atendimento aos clientes. A ligação entre o splitter de segundo nível e um cliente será realizada por meio de um cabo drop. O cabo drop é um cabo que possui apenas uma fibra óptica e é apropriado para instalação indoor por causa de suas dimensões reduzidas, alta robustez e fibras com baixa atenuação quando submetidas à curvaturas. O cabo drop é ligado à saída do splitter de segundo nível utilizando-se um conector óptico. Na outra extremidade do cabo também é utilizado um conector óptico. Desta forma, é possível a conexão de um novo cliente sem a necessidade de fusão óptica, de acordo com nossa proposta para a solução de conectividade. As perdas de inserção máxima dos splitters 2:N e 1:N são apresentadas na Tabela 3.1 [20]. Estas perdas não incluem os conectores ópticos das saídas do splitter.
1:N 2:N Inserção (dB) Inserção (dB) 2 4,2 4,5 4 7,8 8,1 8 11,4 11,7 N
