PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ ESCOLA POLITÉCNICA ENGENHARIA ELÉTRICA - TELECOMUNICAÇÕES LUAN BUENO BARROS SOUZA

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ ESCOLA POLITÉCNICA

ENGENHARIA ELÉTRICA - TELECOMUNICAÇÕES

LUAN BUENO BARROS SOUZA

PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UMA REDE DE ACESSO USANDO TECNOLOGIA PON

Curitiba 2014

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Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Ricardo Cassiano Nabhen

Curitiba 2014

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Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

COMISSÃO EXAMINADORA

_____________________________________

RICARDO CASSIANO NABHEN (ORIENTADOR)

_____________________________________ JOSÉ MARIA TIEPOLO

(CO-ORIENTADOR)

_____________________________________ JAMES ALEXANDRE BARANIUK

(PROFESSOR)

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Primeiramente, agradeço a Deus por sempre estar ao meu lado, dando-me força para sempre seguir em frente com meu objetivo.

Por segundo, gostaria de agradecer a toda minha família e amigos, que participaram da minha vida nesse ano tão importante para minha formação acadêmica.

Meu agradecimento especial para o Professor Ricardo Nabhen, orientador e coordenador do curso, que me estimulou a trabalhar no tema GEPON e sempre me orientou quanto ao melhor caminho a ser tomado perante alguma dificuldade ao longo deste ano.

Agradeço a especial colaboração do Professor José Tiepolo, coorientador, que me deu todo o suporte necessário para a realização do trabalho de conclusão de curso, e ao Professor James Alexandre Baraniuk, que sempre esteve à minha disposição com o seu apoio.

Agradeço a todos os profissionais da COPEL e Furukawa que, com muita generosidade, facilitaram meu acesso aos conhecimentos da rede GPON.

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"Bom mesmo é ir à luta com determinação, abraçar a vida com paixão, perder com classe e vencer com ousadia, pois o mundo pertence a quem se atreve. A vida é muito pra ser insignificante" (Charles Chaplin)

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Atualmente, as redes ópticas passivas vêm sendo um assunto de destaque mundial na área de telecomunicações, pois estão gerando uma nova forma de atendimento aos clientes com o fornecimento de internet rápida. A população está, cada vez mais, precisando de altas taxas de banda larga e a única maneira de tornar isso possível é levar a fibra óptica até as casas. No presente trabalho, apresenta-se o estudo das diferentes características das redes GPON. Primeiramente, foi realizada uma abordagem sobre a fibra óptica, formato dos pacotes, topologias, equipamentos, exemplos projetados e, por fim, o estudo de caso, em que se analisaram as necessidades de atendimento de uma escola. No estudo de caso, foram considerados o cálculo de enlace para determinar a potência de recepção nas ONUs e a banda que cada uma delas poderia ofertar. O mesmo sistema da escola foi implementado no laboratório da PUCPR, tornando possível a comparação do cálculo teórico com as medições realizadas. É imprescindível projetar e implementar as redes GPON para desenvolvimento dessa tecnologia, propiciando a ampliação e melhoria dos serviços de telecomunicações para os clientes. Levando-se esses fatores em consideração, tem-se como objetivo deste projeto a implementação da rede GPON e, consequentemente, a captura de medidas como potência e taxas de transmissão para validação do projeto.

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Figura 1 - Tipos de implementação. ... 13

Figura 2 - Fibra e conector ... 16

Figura 3 - Formato Downstream ... 18

Figura 4 - Formato Upstream ... 19

Figura 5 - Frame de dados - fluxo ascendente e descendente ... 22

Figura 6 - Canal de retorno ... 23

Figura 7 - Encapsulamento GEM ... 23

Figura 8 - Representação Topologia Estrela ... 26

Figura 9 - Topologia em árvore com duas possibilidades de retorno. ... 27

Figura 10 - Topologia em anel ... 27

Figura 11 - Topologia em barramento ... 28

Figura 12 - Exemplo de arquitetura com equipamentos CIANET ... 29

Figura 13 - DIO com Splitters, conectores para conexão à OLT. ... 29

Figura 14 - Caixa óptica de distribuição com splitters e conectores. ... 30

Figura 15 - PTO: Ponto de terminação óptica. Cabo DROP interno. ... 30

Figura 16 - Ganhos operacionais com alta densidade de fibra. ... 33

Figura 17 - Divisão da rede e banda disponível. ... 34

Figura 18 - Limites de alcance. ... 34

Figura 19 - Topologia da rede GPON com distribuição híbrida. ... 35

Figura 20 - Acopladores simétricos com três níveis de splitagem ... 36

Figura 21 - Exemplo projetado. ... 37

Figura 22 - Atenuação em cada estágio ... 37

Figura 23 - Placa SUGP1. Fabricante MileGate. ... 42

Figura 24 - Plataforma GEPON Furukawa ... 42

Figura 25 - ONU GEPON Furukawa ... 43

Figura 26 - SFP ONU GPON Furukawa ... 43

Figura 27 - Produtos ... 44

Figura 28 - Gerenciamento... 44

Figura 29 - Perdas demonstradas com OTDR ... 45

Figura 30 - Exemplo de um evento medido pelo OTDR ... 45

Figura 31 - Medições OTDR1 ... 46

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Figura 34 – Power Meter ... 48

Figura 35 - Teste de desempenho da rede ... 49

Figura 36 - Ferramenta JPERF ... 50

Figura 37 - Pré-projeto feito no Google Earth... 53

Figura 38 - Protocolo GEPON (IEEE). ... 54

Figura 39 - Implantação de redes ópticas passivas e gerenciamento de uma plataforma Gigabit Ethernet PON (Gepon). ... 54

Figura 40 -ONT GEPON - CTS2702B ... 55

Figura 41 - Especificações técnicas ... 56

Figura 42 - OLT CTS 278 ... 57

Figura 43 - Especificações OLT ... 57

Figura 44 - Características de transmissão da fibra ... 58

Figura 45 - Cabo Drop ... 59

Figura 46 - Especificação técnica ... 59

Figura 47 – Sinal óptico ... 60

Figura 48 - Teste usando Power Meter como fonte de sinal ... 63

Figura 49 - Conector pré-polido ... 63

Fluxograma 1 – Esquemático do projeto ... 41

Gráfico 1 - Mercado mundial FTTH ... 12

Gráfico 2 - Atenuação acumulado do projeto ... 52

Quadro 1 - Tipos de PON mais usuais e suas principais características.. ... 25

Quadro 2 - Perda de inserção no splitter óptico ... 31

Quadro 3 - Comparativo PON x P2P ... 33

Quadro 4 - Detalhamento de perdas ... 39

Quadro 5 - Cálculo da margem de desempenho do sistemas... 40

Quadro 6 - Pontos de terminação de rede do projeto ... 40

Quadro 7 - Largura de pulso ... 46

Quadro 8 - Especificações técnicas ... 48

Quadro 9 - Projetos de Redes PON ... 52

Quadro 10 - Perda por splitagem ... 52

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ADSL Asymetric Digital Subscriber Line

AES Advanced Encryption System (Sistema Avançado de Encriptação)

AF Adaptation Function (Função de Adaptação)

ALM Adaptative Logic Modules (Módulos Lógicos Adaptáveis)

ASIC Application Specific Integrated Circuit (Circuito Integrado para Alicações Especificas)

ATM Asynchrinous Transfer Mode (Modo de Transferência Assíncrono)

APON Asynchrinous Transfer Mode PON

BPON Broadband PON

DWDM Dense Wavelength Division Multiplex

EPON Ethernet PON

FTTB Fiber to the Builing FTTC Fiber to the Curb FTTCab Fiber to the Cabinet FTTH Fiber to the Home

FSAN Full Service Access Network GEM GPON Encapsulation Method

GPON Gigabit Passive Optical Network (Rede Óptica Passiva Gigabit) ITU T International Telecommunication Union

LAN Local Area Network

MPCP MULTI Point Control Protocol

OAM Operation, Administration and Maintenance (Operações, Administração e Manutenção GPON)

TDMA Time Division Multiple Access

TDM-PON Time Division Multiplexing Passive Optical Network WDM Wave length Division Multiplexing

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1 INTRODUÇÃO ... 11

1.1 Motivação ... 13

1.2 Estado da Arte ... 13

1.3 Objetivo Geral ... 14

1.4 Objetivos Específicos ... 14

2 DESCRIÇÃO SUCINTA DAS TEORIAS E TÉCNICAS UTILIZADAS ... 15

2.1 Descrição do hardware necessário para o desenvolvimento ... 15

2.2 Partes de uma fibra óptica ... 16

2.2.1 Boas práticas na manipulação de fibra... 17

2.3 Tipos de redes de acesso PON ... 17

2.3.1 APON: ITU-T G.983 ... 18 2.3.2 BPON: ITU-T G.983 ... 19 2.3.3 EPON: IEEE802.3 ... 20 2.3.4 GPON: ITU-T G.984 ... 21 2.3.5 WDM-PON ... 24 2.3.6TDM-PON ... 24

2.4 Topologias das Redes de acesso ... 25

2.4.1Estrela ... 26

2.4.2Árvore ... 26

2.4.3Anel ... 27

2.4.4Barramento (BUS) ... 28

3 ESTRUTURA DE REDES DE ACESSO ... 29

3.1 Considerações de projeto ... 32 3.2 Topologia ... 34 3.3 Exemplo projetado 1 ... 36 3.3.1 Exemplo projetado 2 ... 37 3.3.2 Exemplo projetado 3 ... 38 3.4 Especificações de equipamentos ... 41 3.5 Testes ... 45

4 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE PROJETOS DE REDES PON ... 51

5 ESTUDO DE CASO ... 55

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5.2.1 Cálculo de enlace ... 61

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 64

REFERÊNCIAS ... 65

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INTRODUÇÃO

As tecnologias de comunicação óptica tiveram um rápido desenvolvimento e, com a expansão do mercado de negócios de banda larga, o foco voltou-se para a pesquisa em tecnologia de rede de acesso.

A rede de acesso por fibra óptica passiva – Passive Optical Network (PON) – possui a mais nova tecnologia de transmissão óptica de banda larga e mostra um grande potencial. As tecnologias Gibabit Passive Optical Network (GPON) e Ethernet Passive Optical Network (EPON) são duas das principais redes ópticas passivas.

Estudos mostram que o sistema PON será a tecnologia de rede de acesso óptico mais interessante, tornando-se cada vez mais importante, pois permite altas taxas de transmissão e recebimento de dados.

De acordo com Valérie Chaillou, diretora de Estudos em IDATE (2014, p. 14): How can you convince end-users to change their subscription? How can a government do this? This is a question of communication, of information. You have to make sure that people understand the benefits of such a connection. One possible strategy is to implement pilot platforms allowing end users to use value-added and innovative services.

Como você pode convencer os usuários finais a mudar a sua assinatura? Como pode um governo fazer isso? Esta é uma questão de comunicação, de informação. Você tem que ter certeza que as pessoas entendam os benefícios de tal conexão. Uma estratégia possível é a implementação de plataformas piloto permitindo que os usuários finais usem serviços inovadores.

A evolução da tecnologia muda rapidamente a vida das pessoas, é preciso preparar-se para atender às necessidades do mundo moderno. A obtenção de altas taxas de transmissão possibilita a inovação em outros setores de aplicativos e serviços. Um grande investimento em infraestrutura é fundamental para convencer clientes dos benefícios de uma super-rápida banda larga.

No Gráfico 1, a seguir, consta uma análise feita em fevereiro de 2013, em que é possível visualizar a implantação dos serviços FTTH/B no mercado mundial:

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Gráfico 1 - Mercado mundial FTTH

Fonte: IDATE e FTTH Council Europe, fevereiro 2013.

A seção óptica de um sistema de rede de acesso local pode ser ativa ou passiva e sua arquitetura pode ser tanto de ponto a ponto ou de ponto a multiponto.

A Rede de Acesso Óptico (OAN) é comum à maioria das arquiteturas. A uniformização desse sistema tem o potencial de gerar grandes volumes de dados em todo o mundo (ITU- T G984.1, 2008).

 FTTH - Fiber To The Home – fibra até a residência do usuário.

 FTTB - Fiber To The Building – fibra até edifício.

 FTTCab - Fiber To The Cabinet - fibra até um gabinete, onde a distribuição para os usuários é feita por meio de cabo coaxial ou cabo de cobre.

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Figura 1 - Tipos de implementação

Fonte: Recomendações ITU-T G.984.1, (03/2008).

1.1 Motivação

Contribuir com um estudo que visa a implementação de serviços de banda larga para usuários residenciais e comerciais.

Tecnologias ópticas tiveram um grande progresso nos últimos anos, entretanto, ainda existem muitos desafios para implementações mais amplas.

Hoje, tem-se uma demanda de serviços emergentes, que precisam de altas taxas de transmissão (VoiP, IPTV), e esta situação contribuiu para o aumento da utilização de fibras ópticas, com a tecnologia PON sendo usada como referência para implementações Fiber to the Home (FTTH).

1.2 Estado da Arte

Existem vários tipos de soluções PON, algumas inclusive são evoluções e adaptações da própria tecnologia, são elas:

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APON, BPON, EPON, GPON, WDM- PON e TDM-PON.

Essas derivações são especificadas pelos Orgãos de Telecomunicações Mundial, sendo eles: FSAN (Full Service Access Network), ITU-T e IEEE. Posteriormente, no item 2.3 Tipos de redes de acesso PON, serão detalhadas todas essas tecnologias.

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1.3 Objetivo Geral

Estudar e determinar uma topologia de rede PON, que funcione com transmissão de dados entre uma central e outros dispositivos finais, comunicando os equipamentos em laboratório e analisando o desempenho, para melhor escolher a opção de implementação.

1.4 Objetivos Específicos

O propósito deste trabalho é estudar as diferentes tecnologias PON para implementação de uma rede de fibra óptica, no Laboratório de Redes 2, aplicando metodologias de projetos, especificações dos equipamentos, níveis de splitagem e orçamentos de potência, a fim de possibilitar a um dispositivo final, conectado à central, ter o melhor desempenho em termos de potência e banda disponível para seus usuários. Utilizar-se-ão:

 Power Meters para realizar as medições necessárias;

 Microscópio de campo para inspeção de conectores em cabos ópticos;

 Caneta óptica;

 Ferramenta para limpeza de conector.

Essas ferramentas serão úteis para que não existam falhas nos links de fibras. Através de um estudo de caso, será possível saber, com as características de atenuação, transmissão e recepção, se o sistema a ser implantado é viável.

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2 DESCRIÇÃO SUCINTA DAS TEORIAS E TÉCNICAS UTILIZADAS

 Recomendações ITU-T G.984 e IEEE protocolos Ethernet. Uma arquitetura de rede metropolitana óptica passiva, com vários protocolos de baixo nível (OSI 1 e 2) padronizados pela ITU-T referência G.984.X.

 A arquitetura da rede pode ser constituída (configurada) nas opções: o FTTH (Fiber To The Home)

o FTTB (Fiber To The Building) o FTTCab (Fiber To The Cabinet)

A arquitetura a ser utilizada será definida pelo serviço que se pretende oferecer.

Serviço digital broadcast / content broadcast (utilização de dados digitais, em vez de forma de ondas analógicas para realizar transmissões em canais de televisão IPTV), VOD (Video On Demand), download de arquivo, estudo a distância (distance learning), telemedicine, online-gaming, serviços de telefonia (VoIP).

Serão necessários:

 equipamentos de testes de telefonia;

 verificadores de redes e cabeamento;

 ferramentas para gerenciamento de rede Ethernet;

 ferramentas para inspeção, limpeza e teste de fibras ópticas.

2.1 Descrição do hardware necessário para o desenvolvimento

Os principais elementos que compõem uma rede óptica passiva são:

 Optical Line Termination (OLT)

Um dispositivo central, ponto final de uma ODN, que fornece funções de gestão e de manutenção para a ODN e ONUs. Esse equipamento é localizado no Centro de Operações (CO) e sua finalidade é processar os sinais, gerenciar os dados e conectar os usuários da rede de acesso à rede de transporte.

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Termo genérico que indica um dispositivo localizado em qualquer um dos pontos finais (endpoints), em uma rede de distribuição óptica (ODN). Implementa um protocolo de PON e adapta PON PDUs (Power Distribution Units) para interfaces de serviço de assinantes. Em alguns contextos, uma ONU implica um dispositivo de assinante múltiplo.

 Optical Network Termination (ONT)

Um dispositivo de assinante único localizado em qualquer um dos pontos finais (endpoints) em uma rede de distribuição óptica (ODN). Um ONT é um caso especial de uma ONU.

 Optical Splitter

Divisores de fibra óptica permitem que um sinal em uma fibra óptica seja distribuído entre duas ou mais fibras.

 Passive Optical Distribution Network (ODN)

Interligamento entre a OLT e a ONU/OLT. Uma árvore de fibras ópticas na rede de acesso, utilizando wavelength splitters (divisores de comprimento de onda), filtros ou outros dispositivos ópticos passivos.

2.2 Partes de uma fibra óptica

Figura 2 – Fibra e conector

Fonte: Zhone FTTx Application guide, 2009.

(Núcleo) Fiber core - núcleo da fibra. Possui um índice de refração mais baixo. A luz viaja no núcleo através da reflexão interna total.

(Casca) Cladding – é uma ou mais camadas de materias com índice de refração ligeiramente inferior ao do núcleo, o ângulo crítico para a reflexão interna total é cerca de 90°. Consequentemente, apenas os raios que viajam quase paralelos ao eixo são totalmente refletidos internamente.

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(Capa Protetora) Coating - é uma camada de revestimento com material plástico resistente, teflon, borracha ou semelhante, para proteger a fibra óptica.

End face - é a parte do conector que faz contato com o transceptor. Falhas no

conector são devidas asujeiras ou danos na ponta End face.

As fibras precisam ser alinhadas para passar luz corretamente, por isso, existe uma parte mecânica do conector para fixá-lo corretamente, na figura 2 está indicado como Connector Key .

2.2.1 Boas práticas na manipulação de fibra

 Não manusear peças de fibra óptica com os dedos, e usar pinça ou fita adesiva para levantar e descartar qualquer extremidade solta da fibra óptica.

 Segurar apenas a carcaça quando ligar ou desligar conectores. Se tocar na face extremidade da fibra, inspecionar e limpar.

 Se houver possibilidade de recortes de fibra, lavar as mãos, pois pequenos pedaços de vidro podem não ser vistos e causar danos aos olhos.

 Usar luvas de borracha ao limpar conexões ópticas, para evitar contaminação de oleosidade da pele na ponteira.

 Manter todas as portas e conectores ópticos cobertos com uma tampa de conector ou uma tampa de proteção limpa.

 Guardar as tampas em recipientes com fecho para evitar que eles tornem-se contaminados.

2.3 Tipos de redes de acesso PON

Podem-seclassificar as redes PON em diferentes tipos, tais como:

1. APON (Asynchronous Transfer Mode PON), que é baseada em ATM; 2. BPON (Broadband PON);

3. EPON (Ethernet PON), que é baseada em Ethernet;

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5. WDM-PON (Wavelegnt Divison Multiplexing PON), que usa a técnica WDM.

6. TDM-PON.

2.3.1 APON: ITU-T G.983

Rede APON foi o primeiro padrão para redes PON aceito pela ITU-T, conforme norma G.983. O padrão utilizaria o protocolo ATM - Asynchronous Transfer Mode (Modo de Transferência Assíncrono), onde as fontes de informação são mutuamente assíncronas e a informação é segmentada em células, as quais são enviadas pelas fontes em instantes independentes. Nas redes ópticas passivas, foi denominado como APON ou ATM PON, independentemente do tráfego transportado.

O foco dessa rede, inicialmente, foi para uso residencial. Na sua versão inicial, não se incluiu o serviço de vídeo, foi utilizada fibra óptica tipo monomodo. A princípio, com uma arquitetura com transmissão simétrica e taxa de 155 Mbit/s e utilizando o comprimento de onda de 1310 nm para voz e dados no Upstream, 1550nm para vídeo e 1490 nm para voz e dados na Downstream. Além disso, utiliza as células PLOAM - Physical Layer Operation Administration and Maintenance (Camada Física de Operação, Administração e Manutenção) para alocação de banda, sincronização, controle de erros, segurança e manutenção, além das células ATM.

A transmissão do fluxo ascendente 155.52 Mb/s é realizada em "rajadas" (burst).

Figura 3 - Formato Downstream

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Figura 4 - Formato Upstream

Fonte: International Telecommunication Union - ITU (2003)

Conforme as recomendações G.983, a distância entre OLT e ONT é limitada em 20 km e pode atender a, no máximo, 32 ONTs.

O termo APON fez com que os clientes pensassem que somente os serviços ATM seriam fornecidos, alterando, assim, o nome para banda larga PON (BPON).

2.3.2 BPON: ITU-T G.983

O padrão BPON (Rede Óptica Passiva Banda Larga) foi o próximo passo devido à necessidade de atender a altas taxas de bits para transferência de informações. O primeiro padrão para o BPON segue norma ITU-T G983.1, que tem por padrão atender a taxas de 155 Mbit/s simétricos e 622/155 Mbit/s assimétrico, sendo para downstream 622 Mbit/s e 155 Mbit/s para upstream. Com a necessidade de se incluir um novo comprimento de onda para transmissão de vídeo, estudos da ITU aprovaram a norma ITU-T G983.3, em que a capacidade de link foi estendida para 622 Mbit/s simétricos e 1244/622 -Mbit/s assimétricos.

Esta é uma tecnologia APON modificada, permitindo mais serviços como difusão de vídeo. Suporta WDM (Wavelenght Division Multiplex) e possui alocação dinâmica da largura de banda.

A transmissão de voz e dados é feita sobre a mesma fibra, sendo reservadas frequências diferentes para a televisão analógica e a digital, evitando, assim, a sobreposição de comprimentos de onda (overlay wavelength).

Protocolo de transporte: ATM

Fluxo descendente: 622 Mbps, com 1,2 Gbps dividido pelos utilizadores Fluxo ascendente: 155 a 622 Mbps

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2.3.3 EPON: IEEE802.3

O EPON provê taxas de 1.25 Gbit/s tanto para downstream, usando comprimento de onda de 1490 nm (voz e dados) e 1550 nm (vídeo), como para upstream, usando comprimento de onda de 1310 nm. As OLTs no EPON podem se conectar a 32 ou 64 ONUs. Foram definidas duas arquiteturas para esse padrão: a 1000BASE-PX10 e a 1000BASE-PX20, tendo como diferença básica, entre elas, a distância máxima entre a OLT e as ONU, sendo 10 km e 20 km, respectivamente. Para atingir essa capacidade de 1 Gbit/s, o EPON tem taxas de fracionamento de 1:32 e 1:64 e trabalha com largura de banda média por usuário de 60 e 30 Mbit/s, respectivamente.

As redes EPON trabalham com um protocolo desenvolvido especificamente para seu funcionamento, pois o protocolo Ethernet não atende a algumas necessidades da rede. O EPON é baseado no MPCP (Mult-Point Control Protocol), que permite o transporte e a comunicação dos serviços através do OAM (Operation Administration and Maintenance), garantindo administração e manutenção com qualidade para o serviço oferecido. O MPCP é definido como uma função da subcamada de controle MAC (Medium Access Control). Assim, o protocolo MPCP proporciona uma conexão individual da OLT com todas as ONUs na topologia ponto-multiponto. O MPCP utiliza duas mensagens principais: GATE, que é usada pela OLT para registrar as ONUs a elas conectadas, e REPORT, que é enviada da ONU para a OLT em que está conectada, com informações referentes à transmissão, mantendo a segurança da rede EPON.

Cada pacote Ethernet tem o endereço da ONU, à qual vai ser enviado, mas é transmitido a todas as ONUs.

A rede EPON tem débito em ambas as direções, de 1.25 Gbps, dividido entre os utilizadores.

Algumas vantagens das EPON:

 Grande flexibilidade nos serviços disponibilizados;

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2.3.4 GPON: ITU-T G.984

Em GPON, é transportado o quadro Ethernet, trabalhando com ATM e TDM através do GEM (método de encapsulamento GPON), para permitir uma interoperabilidade com outras redes, como DSL, HFC e redes sem fio (802.11).

O GPON pode atingir as taxas de upload de até 1.25 Gbps e taxas de download de até 2.5Gbps. Assim, pode fornecer largura de banda suficiente para atender às comunicações de alta velocidade, especialmente o modo assimétrico que suporta o amplo serviço de dados.

Lam (2007) explica que, para obter essas taxas, é preciso uma potência adequada, e o padrão especifica que, para receptores mais próximos, será enviada uma potência menor do que para receptores mais distantes.

GPON fornece largura de banda suficiente para atender às comunicações de alta velocidade no modo assimétrico/simétrico, que suporta amplos serviços de dados e de telefonia baseados em protocolo IP, serviços IPTV e entrega de conteúdos sob demanda (on demand).

A principal razão para GPON é o esperado consumo de banda para serviços de TVs de alta definição (HDTV). Enquanto uma TV de definição padrão (SDTV), canal com codificação MPEG2, exige 3 Mbits/s de capacidade, HDTV precisa de 18 Mbits/s e, portanto, vai muito rapidamente consumir PON capacidade download (PARSONS, 2006).

Uma das questões abordadas no artigo de Parsons (2006) é o quão rápido deve ser um PON para suportar uma mistura de conteúdo IPTV e ainda fornecer serviços IP básicos, tais como voz e internet de alta velocidade. Isso depende de fatores como a demografia, taxa consumida, se a transmissão de tráfego é multicast ou unicast , e planejamento de rede .

A Figura 5 a seguir mostra o Frame de dados – fluxo ascendente e descendente.

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Figura 5 - Frame de dados - fluxo ascendente e descendente

Fonte:TELECO, 2014.

PCBd: Physical Control Block for downstream - bloco de controle físico é transmitido para as ONUs em broadcast. Cada ONU recebe seu PcBd correspondente, que se comporta de acordo com as informações do conteúdo. Ele é segmentado em 6 itens:

 Psync - Sincronização física

 Ident - Campo de identificação

 PLOAMd - Campo de operação, administração e gerenciamento da camada física na direção de downstream

 BIP: Bit Inter-leaved Parity - Campo do código de paridade

 Campo Plend

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Frame de dados no canal de retorno

Figura 6 – Canal de retorno

Fonte:TELECO, 2014.

Os frames de upload têm uma duração constante de 125μ se um comprimento de 19,44 bytes para sistemas de 1.24416 Gb/s e 38,88 bytes para sistemas de 2.48832 Gb/s. A ONU gera os frames de dados no canal de retorno.

 PLOu: Physical Layer Overhead of upstream;

 PLOAMu: campo opcional de PLOAM upstream;

 PLSu: campo de sequência de nivelador de potência de upstream;

 DBRu: campo de reporte dinâmico de largura de banda.

Modo de encapsulamento GPON (GEM)

Figura 7 - Encapsulamento GEM

Fonte:TELECO, 2014.

Este método flexível de encapsulamento permite realizar transmissões de pacotes IP de diferentes tamanhos ao longo dos enlaces no protcolo de divisão TDM.

 Payload Length Indicator - indicador do comprimento do payload;

 PORT ID - identificação da Porta;

 PTI - tipo de dados t;

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2.3.5 WDM-PON

As redes WDM-PON constituem uma das soluções para a demanda crescente de banda, em que uma fibra virtual é disponibilizada para cada assinante via comprimento de onda ou frequência óptica. Para que essas redes sejam viabilizadas, é necessário desenvolver dispositivos especiais que reduzam o custo da tecnologia empregada para o assinante.

É uma tecnologia que faz a multiplexagem de múltiplos sinais de portadoras ópticas numa única fibra óptica, utilizando diferentes comprimentos de onda (cores) de luz laser para transportar sinais diferentes. Isso permite uma multiplicação da capacidade, além de possibilitar comunicações bidirecionais através de um fio de fibra. Também é uma forma de multiplexagem por divisão de frequência (FDM), mas é normalmente chamado de multiplexagem por divisão de comprimento de onda.

O termo multiplexagem por divisão de comprimento de onda é normalmente aplicado a uma portadora óptica (descrito pelo seu comprimento de onda) e, por sua vez, a multiplexagem por divisão de frequência, geralmente, se aplica a uma portadora de rádio.

Dentro da multiplexagem de comprimento de onda, existem o CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) e o DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing).

2.3.6 TDM-PON

É um tipo de multiplexagem digital ou analógica na qual dois ou mais sinais, ou fluxos de bits, são transferidos ao mesmo tempo, aparentemente como subcanais num canal de comunicação, mas fisicamente vão se revezando no canal. O domínio do tempo é dividido em vários intervalos de tempo (timeouts) recorrentes de comprimento fixo, um para cada subcanal, em que uma amostra byte, ou bloco de dados de um subcanal 1, é transmitida durante um time-slot, o subcanal 2, durante dois times-lots e assim sucessivamente.

O trama TDM consiste em um intervalo de tempo por subcanal e, após o último subcanal, o ciclo começa de novo com nova trama, começando a partir da segunda amostra, byte ou bloco de dados do subcanal 1.

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Esse tipo de multiplexagem permite transmitir simultaneamente vários sinais, dentro do mesmo meio de transmissão, onde cada sinal (canal de comunicação) possui um tempo próprio e definido de uso da banda para transmissão.

Quadro 1 -Tipos de PON mais usuais e suas principais características

Características EPON BPON GPON

Recomendação IEEE 802.3ah ITU-T G.983 ITU-T G.984 Protocolo Ethernet ATM Ethernet, TDM

Taxa de bits 1000 Mbit/s [2], DS e US 622 Mbit/s DS, 155 Mbit/s US 2488 Mbit/s DS, 1244 Mbit/s US Span (km) 10 20 20 Taxa de divisão (split-ratio) [3] 16 ou 32 32 32 ou 64 Fonte: TELECO, 2014.

2.4 Topologias das Redes de acesso

A implementação das redes PON pode ser feita em diferentes topologias, sendo no sentido de downstream P2MP (Point to Multi Point) e na direção de upstream P2P (Point to Point).

Na topologia ponto a ponto, utilizam-se mais fibras ópticas na construção de um cenário, tornando-se mais cara. Neste caso, é necessária uma fibra dedicada entre o centro de comando até o cliente e, assim, o usuário não compartilha a largura de banda.

A implementação para projetos com fibras dedicadas é feita, na sua maior parte, para empresas que precisam à sua disposição uma alta banda para usufruir de seus serviços.

A implementação das redes PON pode ser: 1. Estrela

2. Árvore 3. Anel

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2.4.1 Estrela

Figura 8 - Representação Topologia Estrela

Fonte: TELECO, 2014.

Nesta topologia, são feitas conexões ponto a ponto, utilizando-se uma fibra dedicada entre OLT e ONT/ONU.

Vantagens

 Facilidade na adição de novas estações;

 Uma falha em um ramo da rede não vai derrubar toda a rede;

 Fácil de resolver os problemas da rede; Desvantagens

 Custo com os cabos dependentes do número de estações;

 Maior custo com fibras.

2.4.2 Árvore

Esta topologia é uma das mais utilizadas nas redes PON, ponto-multiponto, possui custo baixo de implementação e manutenção pelo fato do compartilhamento da infraestrutura. A principal característica é a formação da rede em que existe apenas uma OLT se comunicando com várias ONTs/ONUs ou com a possibilidade de proteção, utilizando um segundo OLT caso ocorra alguma falha.

(28)

Figura 9 - Topologia em árvore com duas possibilidades de retorno

2.4.3 Anel

Figura 10 - Topologia em anel

As arquiteturas em anel, ponto-multiponto, oferecem mecanismos de proteção com enlaces redundantes, possuem capacidade de compartilhamento de redes locais e alocação de largura de banda, podendo ser também consideradas uma combinação de arquiteturas em árvore e em estrela.

Neste tipo de rede, pode ser escalonada mais quantidade de ONTs/ONUs sem o uso de amplificadores, por serem flexíveis em largura de banda.

(29)

2.4.4 Barramento (BUS)

Figura 11 - Topologia em barramento

A topologia de barramento, ponto-multiponto, mostra a OLT ligando com as ONTs através de um enlace principal. Se houver uma falha nesse enlace, todos os ONTs serão afetados, desconectando os usuários.

(30)

3 ESTRUTURA DE REDES DE ACESSO

Figura 12 - Exemplo de arquitetura com equipamentos CIANET

Fonte: Apresentação CIANET em evento Abranet, 2011.

Figura 13 - DIO com Splitters, conectores para conexão à OLT

A caixa óptica primária: protege e abriga emendas diretas ou derivadas de cabos ópticos.

(31)

Figura 14 - Caixa óptica de distribuição com splitters e conectores

Figura 15 - PTO: Ponto de terminação óptica. Cabo DROP interno.

O Centro de Operações (CO) utiliza uma plataforma óptica conhecida como Optical Line Terminal (OLT), para transmitir o tráfego para várias unidades

(32)

residenciais, ou Terminais de Rede Óptica (ONT). Nesse processo de enviar potência para as ONTs/ONUs ou OLTs, existe uma perda que é estipulada por Naigian (2009 ) da seguinte forma:

1) Perda devido à fibra: usando um comprimento de onda de 1550 nm, a perda é de 0.2 dB/km.

Para o caso de uma distância de transmissão de 5 km, o total de redução será .

2) Perda devido aos divisores de comprimento de onda (splitters): perda de inserção. Neste exemplo Naigian utiliza um spliiter 1:32, portanto a perda é de 17dB.

Quadro 2 - Perda de inserção no splitter óptico

Fonte: NAIGIAN, (2009).

3) OLT insertion loss: para uma aplicação DTV, o sinal perde cerca de 3db na OLT.

4) Potência mínima na entrada da ONU: para sistemas FTTH, não é necessária uma potência alta de transmissão. Portanto, uma potência de transmissão de -6 dBm será o suficiente. Para sistemas FTTB, a potência na entrada precisa ser mais alta, porque os sinais de TV digitais precisam ser distribuídos para cada cliente, com a potência devendo ser na ordem de 0 dBm.

A conclusão a que se chega é que a entrada óptica da OLT para FTTH é (1+17+3-6) = 15 dBm e para FTTB é (1+17+3+0) =21 dBm. (1 dB - Perda da fibra, 17 dB - Perda de inserção no splitter, 3dB aplicação DTV).

Ao invés de utilizar sistemas eletrônicos na Rede de Distribuição Óptica (ODN), entre o OLT e ONT, o uso de divisores passivos (splitters) permite dividir uma única transmissão em múltiplos fluxos de ponto final, assim como o tráfego

upload agregado de vários ONTs, em um fluxo comum de voltar para o CO (Centro

(33)

Os sinais no fluxo descendente provenientes da central são transmitidos para todas as instalações dos clientes (ONT) que partilham a mesma fibra, são combinados usando o protocolo TDM. O equipamento ONT é configurado para selecionar somente os quadros descendentes a ele endereçados.

Os sinais no fluxo ascendente são combinados usando um protocolo de múltiplo acesso, o TDMA. Para evitar colisão na transmissão dos dados pelo ONT, o OLT insere no cabeçalho GEM informações específicas para cada ONT, indicando o início e o fim da transmissão. Como os ONTs estão localizados a distâncias diferentes do OLT, os atrasos entre os ONTs precisam ser equalizados. "Ranging" é o processo que define esses atrasos, e é feito através o de comandos enviados da OLT para os ONTs, que respondem através de uma transmissão ascendente. O tempo de resposta de cada ONT é utilizado para calcular os atrasos e para indicar o intervalo de transmissão que ele deve usar para o tráfego ascendente.

Cada ONT transmite sinais com diferentes perdas, por isso, é necessário que o receptor óptico do OLT tenha sensibilidade adequada e permita uma faixa dinâmica. Para se obter essa faixa dinâmica, usa-se a técnica de "power levelling", que faz o nivelamento das potências emitidas pelos ONTs. No momento de ativação da ONT, o OLT envia a mensagem para realizar essa técnica.

O controle e a monitoração dos ONTs são feitos através da interface OMCI (ONT Management and Control Interface), que utiliza um canal chamado OMCC (ONT Management and Control Channel) para transportar protocolos e mensagens. Esse gerenciamento permite estabelecer conexões nas interfaces da ONT, alerta de falhas de enlaces e demonstrativos de desempenho.

3.1 Considerações de projeto

No projeto de implementação de redes FTTx, são necessárias algumas diretrizes gerais, como, por exemplo: os serviços a serem disponibilizados, os segmentos a serem atendidos, a otimização da rede, e o fornecimento de soluções economicamente viáveis e alternativas para migração e evolução da rede.

O Quadro 3 e a Figura 16 mostram um comparativo de dois projetos, realizados com GPON e uma arquitetura ponto a ponto, para atender a 16.000 assinantes.

(34)

Quadro 3 - Comparativo PON x P2P

GPON Ponto a ponto

Quantidade de fibras a partir da central 500 32.000

Quantidade de racks 3 40

Ocupação de espaço físico na central 10m2 100m2

Consumo de energia 4.800 w 67.000 w

Fonte: Alcatel-Lucent.

Figura 16 - Ganhos operacionais com alta densidade de fibra

(35)

Figura 17 - Divisão da rede e banda disponível

Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet.

A diminuição da razão de divisão da rede aumenta a banda disponível por usuário.

3.2 Topologia

A rede GPON tem suas limitações, com um alcance lógico de 60 km (entre OLT e ONT) e um alcance físico de 20 km (distância entre os ONTs). Para altas taxas de transmissão, a distância física máxima é 10 km. Esses limites são necessários para ter uma atuação correta do protocolo de ranging.

Figura 18 - Limites de alcance

(36)

Vários fatores influenciam nos limites da rede: topologia, atenuação das fibras, quantidade de clientes, número de níveis de distribuição de potência de saída dos transmissores e sensibilidade dos receptores.

Uma topologia bastante utilizada é em barramento, híbrida simétrica e assimétrica, apresentada a seguir na Figura 19.

Figura 19 - Topologia da rede GPON com distribuição híbrida

Fonte: Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica, 2007.

Neste caso, têm-se acopladores que derivam a potência óptica em uma fração D. A potência óptica derivada é, então, distribuída através de outro acoplador 1:N simétrico. Assim, é possível fazer análises de perda, devendo-se levar em consideração o tráfego ascendente, pois é ele que tem maior atenuação.

A equação que define a perda do total do sinal :

: Perda do distribuidor simétrico 1:N

: Perda das conexões ópticas

: Perda na derivação do acoplador assimétrico

: Perda na transmissão pelos acopladores assimétricos : atenuação da fibra

: comprimento de fibra entre os estágios de derivação

A margem de potência óptica é definida pela potência óptica transmitida pelo ONT e a sensibilidade do receptor: .

(37)

Portanto, é possível planejar uma estrutura com diferentes quantidades de derivações e ONTs. Cada derivação atenderá a um número X de ONTs, e será possível fazer cálculos de margem para diferentes valores de fração de potência óptica derivada. Consequentemente, é possível definir a quantidade de fibra total necessária para a montagem da rede de distribuição.

Podem-se realizar os atendimentos dos ONTs utilizando uma topologia com apenas acopladores simétricos, conforme a Figura 20:

Figura 20 - Acopladores simétricos com três níveis de splitagem

Fonte: Avaliação de topologia para redes GPON com distribuição assimétrica, 2007.

Nessa topologia convencional, observa-se que nem todas as fibras são utilizadas ao longo de todo o cabo, havendo, assim, um desperdício.

3.3 Exemplo projetado 1

Naigian (2008) projetou um sistema GPON para transmitir sinais de TV digital. Nesse sistema, existem nove edifícios em área de cobertura. Entre eles, foram feitos um edifício FTTH (Fiber-To-The-Home) e outros oito edifícios FTTB (Fiber-To-The-Building). O edifício FTTH tem 64 usuários. Cada OLT tem apenas uma porta PON, e é dividido em 32 ramos por um divisor ótico para fornecer sinais para 32 usuários. Então, duas OLTs vão atender à demanda. Com base no sistema de rede e o potencial elétrico de saída da ONU, cada edifício FTTB precisa de 4 ONUs, por isso, há, no total, 32 ONUs. No topo, pode-se ver que esses oito edifícios só precisam de uma OLT para fornecer sinais. A figura a seguir ilustra a topologia da situação.

(38)

Figura 21 – Exemplo projetado 1

Fonte: NAIGAIN, 2009.

3.3.1 Exemplo projetado 2

A quantidade de perda que existirá no sistema é diretamente ligada ao comprimento do cabo e à quantidade de spliters que colocar nessa mesma FO. Na figura abaixo, um exemplo de cálculo de atenuação: utilizando um spliter de 1x2 primeiro, para, só então, dividir em outros maiores, tem-se o mínimo de perda na fibra que vai adiante.

Figura 22 - Atenuação em cada estágio

(39)

Usando-se spliters eficientes e obtendo-se uma fusão de qualidade, esses valores podem diminuir em até 30%.

3.3.2 Exemplo projetado 3

Projeto de instalação da rede EPON na Universidade de São Paulo (USP) com as seguintes características:

 Um cabo de fibras ópticas monomodo, 1,5 km;

 Largura de banda de 1Gps para o OLT;

 Splitagem de 1:4 divisores ópticos;

 24 pontos de terminação para cada ONU.

A largura de banda assegurada na saída de cada divisor óptico é de 250 Mbps.

Se todos os 24 pontos forem ocupados, ter-se-á uma largura de banda mínima por terminal de 10 Mbps.

Essa largura de banda permite a utilização de vários serviços como, por exemplo: videofonia, videoconferência, ensino a distância, video sob demanda, tv digital, etc.

O cálculo de perda de potência é feito com base nos seguintes aspectos:

 Coeficiente de atenuação do cabo óptico (dB/km) no comprimento de onda de operação;

 Atenuação de emendas por fusão;

 Atenuação dos conectores;

 Atenuação dos divisores ópticos passivos;

 Potência de transmissão;

 Sensibilidade do receptor.

(40)

Quadro 4 - Detalhamento de perdas

Fonte: Dissertação apresentada à Universidade de São Paulo - projeto e dimensionamento de Redes Ópticas Passivas (PONS) - Paulo Takeuti.

De acordo com o padrão EFM 802.3ah, para os transceptores 1000base-PX10 (10 km), o balanço de potência óptica é de 21 dB e para 1000base-PX20 (20 km) é de 26 dB.

Cálculo de perdas do sinal óptico no projeto e avaliação do desempenho do sistema:

 Taxa de erro de bit (BER) =10^ (-12);

 Potência média de transmissão = -4dBm (especificação TX do transceptor ONU);

 Sensibilidade do receptor operando a 1,25 Gbps para um comprimento de onda 1310nm = -26dBm (especificação RX do transceptor OLT *);

 Comprimento de onda (*) bidirecional 1310nm RX e 1490nm Tx;

 Comprimento estimado do cabo óptico 1,5 km;

 Taxa de fracionamento de 2 divisores ópticos passivos (1:4 e 1:8) = 1:32;

 Número de conectores (um para cada cordão óptico, saída do OLT e entrada da ONU): 2 unidades;

(41)

No quadro a seguir, verifica-se que as perdas suportadas pelos equipamentos são de 22 dB. O cálculo de atenuação total do sistema resulta em 19,35 dB. Portanto, tem-se uma margem de 2,65 dB para o funcionamento correto do sistema com um fracionamento máximo de 1:32.

Quadro 5 - Cálculo da margem de desempenho do sistema

Quadro 6 – Pontos de terminação de rede do projeto

(42)

Fluxograma 1 – Esquemático do projeto

3.4 Especificações de equipamentos

Um ONT residencial do tipo SFU (Single-Family UNIT) possui portas Gigabit Ethernet. Outros ONTs podem ter suporte para NAT (Network Address Translation), firewalls, DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) e servidores de DNS (Domain Name Server).

Na figura adiante, vê-se a placa SUGP1 do equipamento OLT (fabricante MileGate), com as seguintes especificações:

 4 portas GPON, de acordo com ITU-T G.984;

 Splitting factor 1:128;

 1Gbps ou 10 Gbps backplane access;

 Projetado para implementações interiores e exteriores;

 Todas as funções gerenciadas por um único sistema;

 Cada uma das 4 portas pode conectar até 128 ONUs/ONTs assinantes.

(43)

Figura 23 - Placa SUGP1. Fabricante MileGate

Fonte: Datasheet Keymile GPON OLT Unit SUGP1.

Figura 24 - Plataforma GEPON Furukawa

(44)

Figura 25 - ONU GEPON Furukawa

Figura 26 - SFP ONU GPON Furukawa

(45)

Figura 27 - Produtos

Figura 28 – Gerenciamento

(46)

3.5 Testes

Uma rede bem estruturada, sem falhas, precisa ser analisada minuciosamente, fazendo-se necessário um teste de cabeamento óptico que tem como objetivo: testar a continuidade da fibra óptica, identificar a perda no enlace para cada comprimento de onda e caracterizar as emendas e os conectores. O instrumento recomendado para esses testes é o OTDR (Optical Time Domain Reflectometer). O procedimento de teste inclui realizar a limpeza das faces dos conectores, configurar o OTDR (de acordo com o comprimento de onda e largura de pulso). Essa configuração depende da distância do cabo em teste e do objetivo da medição.

Figura 29 - Perdas demonstradas com OTDR

Figura 30 - Exemplo de um evento medido pelo OTDR

(47)

D= (C x T) / 2n

Onde: C é a velocidade da luz no vácuo 2.997x(10^8)m/s T é a duração do pulso (ns)

n é o índice de refração da fibra

Quadro 7 - Largura de pulso

Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet

Figura 31 - Medições OTDR 1

Na figura, o pulso mais estreito tem menor range dinâmico, maior nível de ruído e, portanto, é melhor que a solução à direita de pulso mais largo.

Figura 32 - Medições OTDR 2

(48)

Zona morta de atenuação (Attenuation Deadzone) é a distância mínima necessária para visualizar o primeiro evento. Ela ocorre em função do nível elevado do sinal óptico (pulso) na saída do OTDR: quanto maior a largura do pulso, maior será a zona morta.

Zona morta de evento (Event Deadzone) é a distância necessária para visualizar 2 eventos separadamente, dependendo da configuração da largura de pulso e distância /atenuação máxima do enlace óptico.

Na instalação da rede, antes da ativação do ONT e OLT, é necessário medir a perda total do enlace e a perda de retorno. O instrumento recomendado para esse teste é um Medidor de Perda de Retorno (ORL tester), pois a medição é efetuada com um laser de sinal contínuo (OCWR) e um procedimento de calibração padronizado.

Figura 33 - Teste em campo usando ORL

Fonte: Apresentação Furukawa em evento Abranet

No item 4.2, "Estudo de caso", será apresentado o cálculo de enlace que pode ser validado através dos testes de potência do Power Meter PMP-3212A (Figura 34). Esse equipamento tornou possível a medição na saída de diferentes sistemas ópticos, como mostra o Quadro 8 adiante:

(49)

Figura 34 - Power Meter

Fonte: <http://www.cianet

Quadro 8 – Especificações técnicas

Analisou-se o desempenho da rede com o uso do IPERF (gerador e analisador de tráfego) e fez-se a transmissão de um vídeo usando o VLC Media Server na OLT e um Player na ONU e rodaram-se os aplicativos.

No teste, usando a ferramenta IPERF, o cliente envia tráfego TCP para o servidor por 10 segundos, o resultado dessa transmissão é a quantidade de dados e a velocidade atingida. Neste exemplo, foram transferidos 97.6 MBytes, atingindo-se a velocidade média de 81.6 Mbits/sec.

Sistema Óptico Potência

Enlace 7 km 0.7dBm

Splitter 1:2 0.62dBm

Splitter 1:4 -2.37dBm

Splitter 1:2 + 1:4 -6.62dBm Enlace 7Km + Splitter 1:2 + 1:4 -10dBm

(50)

Figura 35 - Teste de desempenho da rede

(51)

Outra ferramenta que auxiliou nos testes de desempenho foi o JPERF (Figura 36 adiante), que faz o mesmo papel do IPERF, porém se utiliza uma interface gráfica, tornando mais fácil a troca de opções de pacotes. Foram feitas simulações e, na Figura 36, veem-se dois exemplos transmitindo 80 Mbits/s e 20 Mbits/s e seus valores de Jitter.

(52)

4 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE PROJETOS DE REDES PON

No projeto de uma rede PON, é necessário definir todos os componentes que serão utilizados. Neste caso, tem-se um projeto que leva em conta a quantidade de usuários e os serviços ofertados.

Dados

 OLT;

 ONU;

 PABX, VOIP, IPTV, Switches e Roteadores.

Vídeo overlay

 Tx Óptico, Amplificador EDFA;

 ONU de Vídeo;

 Head End.

Demanda vs Taxa de Penetração

Demanda: Todas as unidades habitacionais

Taxa de Penetração: Percentual efetivamente atendido

Home-Passed (HP): acessos efetivos, que possuem fibras e/ou portas de splistters reservadas -> Acessos Ópticos

Taxa de Penetração:

Planejamaneto: expectativa de vendas, fatores físicos / infraestrutura.

(53)

Quadro 9 - Projetos de Redes PON

Quadro 10 - Perda por splitagem

Fonte: Apresentação Furukawa evento Abranet.

Perda no cabo óptico: 0,35 dB/Km Perda por fusão: 0,05 dB/fusão

Perda por conectorização: 0,10-0,30 dB por conectorização Perda máxima admissível: 29-30 dB (Ovetek)

Gráfico 2 - Atenuação acumulada do projeto

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Figura 37 - Pré-projeto feito no Google Earth

Fonte: Encontro Nacional Associação Nacional para Inclusão digital, KAMIDE.

Quadro 11 - Configuração largura de banda

Fonte: Apresentação Furukawa evento Abranet.

O cliente pode escolher a configuração da sua banda. Em alguns casos, é preciso uma banda garantida, em que o cliente sempre terá ao seu dispor o serviço. Clientes que não tenham essa necessidade podem ser configurados no modo best effort, no qual ele terá o seu acesso dependendo da utilização dos outros usuários. Este modo, consequentemente, é mais barato e vale mais em conta seu uso.

(55)

Figura 38 - Protocolo GEPON (IEEE)

Figura 39 - Implantação de redes ópticas passivas e gerenciamento de uma plataforma gigabit Ethernet PON (Gepon)

(56)

5 ESTUDO DE CASO

5.1 Equipamentos usados em laboratório

Especificações do equipamento CIANET utilizados neste estudo de caso.

Figura 40 - ONT GEPON - CTS2702B

Fonte: <http://www.cianet.ind.br>

O ONT GEPON possibilita adicionar serviços de valor agregado em sua rede, provendo soluções de IPTV, VoD, VoIP e banda ultralarga de 1.25 Gbps simétrica.

Utilizando uma arquitetura ponto-multiponto e com a necessidade de utilizar um concentrador chamado de OLT GEPON, o ONT GEPON permite a criação de redes redundantes com controle de banda, priorização de pacotes, funções de gerenciamento e configurações avançadas.

Com a linha GEPON, é possível criar redes partindo com uma única fibra óptica e, por meio de splitters ópticos para subdividir a rede, interligaraté 64 ONTs.

Abaixo, são listadas as características do ONT GEPON CTS2702B:

 Possui uma porta GEPON com banda simétrica de 1.25 Gbps (upstream e downstream);

 Alcance de 20 km;

 Gerenciamento de rede baseado em SNMP;

 Suporte Dinâmico de Alocação de Banda (DBA);

 Atualização remota de software;

 Suporte a configuração de LLIDs;

 Atua como Bridge;

 Suporte a VLAN e QoS;

 Suporte broadcasting storm;

(57)

 RSTP.

Interface Ethernet 10/100Base-T e 10/100/1000Base-Tx

O equipamento possui uma porta UTP RJ45 10/100 Base-T e outra 10/100/1000 Base-T, possibilitando um tráfego de dados à taxa de 100 Mbps e 1 Gbps em modo de operação Full Duplex. Também é auto MDI/MDIX, ou seja, adapta-se automaticamente à interface da outra extremidade do cabo de rede, possibilitando o uso de cabos normais ou crossover.

Interface PON

O ONT GEPON CTS2702B possui um conector SC/PC que disponibiliza uma interface óptica GEPON. Essa interface possibilita um tráfego de dados à taxa máxima de 1.25 Gbps em modo Full Duplex. A interface óptica permite a conexão com outros dispositivos compatíveis com o padrão IEEE 802.3ah através de um cabo óptico monomodo, com alcance de até 20 km. Para maiores detalhes sobre as características técnicas, deve-se consultar o item 5-Especificações Técnicas.

(58)

Fonte: DATASHEET CIANET ONT GEPON CTS2702B.

A OLT utilizada no projeto foi a CTS 2780, conforme a figura a seguir:

Figura 42 - OLT CTS 2780

Figura 43 - Especificações OLT

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Especificação da bobina de fibra óptica: Fabricante Lucent Technologies

Truewave Nonzero-Dispersion Optical Fiber

Figura 44 - Características de transmissão da fibra.

Fonte: True wave Lucent Technologies

(60)

Especificação do Cabo Drop CFOAC-SM-AS-MF-1-LSZH :

Figura 45 - Cabo Drop.

Figura 46 - Especificação técnica

5.2 Cenário implementado

Neste trabalho de implementação da rede GEPON, teve-se como apoio o conteúdo da matéria de instalações elétricas. Foi elaborado um estudo de caso da

(61)

utilização dos equipamentos na planta de uma escola, tendo sido detalhado o cabeamento estruturado do prédio (ANEXO 1,2 e 3).

Simulou-se o cenário deste estudo de caso no laboratório, obtendo-se as medidas de potência e, através de testes, obtiveram-se taxas de transmissão e os pacotes recebidos na porta de rede local da OLT.

Primeiramente, tem-se a OLT localizada no Centro de Operações, que está a uma distância de 7 km (enlace de rede primária). Em seguida, é realizada uma fusão com o cabo drop que faz o acesso à escola. Antes de entrar no Distribuidor Geral, é feita uma nova fusão da fibra para entrar na bandeja de conexões que interligará os splitters, o sinal óptico é dividido na fração 1:2 e 1:4, conforme a figura abaixo.

Figura 47 – Sinal óptico

Neste cenário, utilizam-se 5 ONUs: no primeiro andar, têm-se 3 ONUs, duas delas conectadas a switchs que fornecerão banda para a rede metálica, 30 portas Ethernets em cada sala. No segundo andar, a sala dos professores é atendida por uma ONU e, no terceiro andar, no laboratório técnico, a última ONU.

Para garantir o funcionamento desta rede, foi realizado o cálculo de enlace com todas as especificações dos equipamentos de ponta e dispositivos passivos. Em um primeiro momento, o cálculo de perdas total não estava coerente com a rede prática montada. Após algumas verificações, constatou-se que foi utilizado um conector diferente do outro em um adaptador que gerou uma perda considerável de 4dB.

Analisando-se a situação, concluiu-se que seria possível fazer essa conexão com um conector mecânico pré-polido, uma solução que está sendo usada mais intensificadamente para os serviços de instalação. Obtiveram-se os seguintes resultados da rede estruturada.

(62)

5.2.1 Cálculo de enlace

Na rede GEPON, o sinal de vídeo é transmitido no comprimento de onda 1550nm, e os dados, no comprimento de 1490nm, podendo-se considerar o mesmo cálculo de enlace, pois a atenuação não será muito diferente.

Rede EPON

l = 1310nm

Dados:

Enlace Símbolo Valor Unidade Observação

Comprimento Rede Primária/Secundária 7 Km

Comprimetno Cabo Drop 0 Km

Distância Tx/Rx L 7 Km

Número de Conectores n 2

-Atenuação nos Conectores ADIO 0,5 dB por Conector

Atenuação das Emendas Ae 0,1 dB por Emenda

Perda no Splitter 1:2 3,6 dB

Transmissor Óptico Símbolo Valor Unidade Observação

Tipo de Fonte Laser

Comprimento de Onda l 1310 nm

Potência Mínima de Saída PTxmínima 0 dBm

Potência Máxima de Saída PTxmáxima 8 dBm

Potência Média de Saída Ptxmédia 4 dBm

Receptor Óptico Símbolo Valor Unidade Observação

Tipo de Detetor

Potência Mínima de Recepção PRxmínima -27 dBm

Potência Máxima de Recepção PRxmáxima dBm

Cabo Óptico Símbolo Valor Unidade Observação

Tipo do Cabo - - - SM 9/125 - NZD

Comprimento de Onda Nominal l 1310 nm

Atenuação da Fibra por Km AKm 0,385 dB/Km

Comprimento do Cabo Lc(Bobina) 7 Km

Cálculos:

Enlace Símbolo Valor Unidade Fórmula

Atenuação Total da Fibra ATf 2,70 dB ATf=L.AKm

Perdas Total devido às emendas ATe 0,3 dB 3 emendas

Perdas nos Conectores ATDIOs 1 dB

Perdas nos Splitters 10,9

Total das Perdas entre Tx/Rx ATotalTxRx 14,90 dB

Total da Dispersão Cromática entre Tx/Rx DTotalTxRx ps/nm DTotalTxRx = L.Df

Sistema Símbolo Valor Unidade Fórmula

Perda Teórica do Sistema PTs 31,00 dB Pot. Média - Pot.Mín de Recepção

Margem do Sistema MS 3 dB

Perda Máxima Tolerada Psmáximo 28,00 dB Psmáximo = PTs- Ms

Conclusões Símbolo Valor Unidade Fórmula

Total das Perdas entre Tx/Rx ATotalTxRx 14,90 dB

(63)

Pode-se observar que o cálculo de enlace confere com o valor medido na saída do sistema -10 dBm, pois tem-se uma potência de transmissão de 4 dB e sendo assim, a perda no sistema foi de 14 dB (conforme a tabela).

Em um primeiro momento, a rede apresentava uma perda muito maior daquela calculada, com a medição não conferindo com o cálculo teórico. Através de uma análise, constatou-se que um conector era diferente do outro, gerando, assim,

Rede EPON

l = 1550nm

Dados:

Enlace Símbolo Valor Unidade Observação

Comprimento Rede Primária/Secundária 7 Km

Comprimetno Cabo Drop 0 Km

Distância Tx/Rx L 7 Km

Número de Conectores n 2

-Atenuação nos Conectores ADIO 0,5 dB por Conector

Atenuação das Emendas Ae 0,1 dB por Emenda

Transmissor Óptico Símbolo Valor Unidade Observação

Tipo de Fonte Laser

Comprimento de Onda l 1550 nm

Potência Mínima de Saída PTxmínima 0 dBm

Potência Máxima de Saída PTxmáxima 8 dBm

Potência Média de Saída Ptxmédia 4 dBm

Receptor Óptico Símbolo Valor Unidade Observação

Tipo de Detetor

Potência Mínima de Recepção PRxmínima -27 dBm

Potência Máxima de Recepção PRxmáxima dBm

Cabo Óptico Símbolo Valor Unidade Observação

Tipo do Cabo - - - SM 9/125 - NZD

Comprimento de Onda Nominal l 1550 nm

Atenuação da Fibra por Km AKm 0,209 dB/Km

Comprimento do Cabo Lc(Bobina) 7 Km

Cálculos:

Enlace Símbolo Valor Unidade Fórmula

Atenuação Total da Fibra ATf 1,46 dB ATf=L.AKm

Perdas Total devido às emendas ATe 0,3 dB 3 emendas

Perdas nos Conectores ATDIOs 1 dB

Perdas nos Splitters 10,9

Total das Perdas entre Tx/Rx ATotalTxRx 13,66 dB

Sistema Símbolo Valor Unidade Fórmula

Perda Teórica do Sistema PTs 31,00 dB Pot Média - Pot Mín de Recepção

Margem do Sistema MS 3 dB

Conclusões Símbolo Valor Unidade Fórmula

Total das Perdas entre Tx/Rx ATotalTxRx 13,66 dB

Potência de Recepção -9,66 dBm

(64)

uma perda de sinal muito alta. Injetaramse 8.6 dBm do Power Meter e mediuse -12.7 dBm na saída do sistema da figura a seguir.

Nesse sistema, a perda:

(Bobina + conectores) = -8.6 + 12.7 = 4.1dB Bobina = 7 * 0.209dB/km = 1.463dB

Conectores = 4.1-1.4 = 2.7dB

Figura 48 - Teste usando Power Meter como fonte de sinal

A solução encontrada foi substituir os conectores APC por conectores pré-polidos (UPC), obtendo-se, então, uma atenuação adequada em termos de projeto.

Figura 49 - Conector pré-polido

(65)

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Este trabalho propôs um projeto teórico e prático das técnicas de implementação de uma rede de acesso GEPON. Neste sentido, foram estudados os principios de funcionamento dos equipamentos, como a OLT, ONU e splitters para o devido entendimento de como essa rede passiva funciona.

Apresentou-se a descrição das diferentes características das redes de acesso. Na parte prática, ativaram-se as ONUs através do software de gerência EMS e realizaram-se testes de desempenho e níveis de potência.

No estudo de caso, observou-se que o atendimento com fibra óptica na escola era viável, pois a implementação corresponde ao sistema montado no laboratório que funcionava de acordo com as expectativas.

Algumas simulações de tráfego de dados foram feitas. Primeiro, foi transmitido um vídeo utilizando o VLC media server na OLT e um player na ONU, mais tarde, o uso da ferramenta JPERF foi essencial para gerar e analisar o tráfego de dados de até 100Mbits/s.

Visitas técnicas às empresas Furukawa e Miharu, empresas que dominam o mercado mundial de fibra óptica, foram fundamentais para o embasamento técnico deste trabalho de conclusão de curso, assim como o relacionamento com a engenharia da COPEL, que possibilitou o contato com uma rede GPON já devidamente estruturada e em uso.

O modelo de redes de cobre está sendo substituído pela rede de acesso óptico, que permite um armazenamento muito maior de informações e transporte de dados em velocidades muito mais altas. Podem-se imaginar novas aplicações que vão necessitar de uma demanda alta de banda larga.

A tecnologia GEPON já está sendo bastante utilizada, mas ainda existe um grande mercado a ser atingido.