Redes de Telecomunicações Capítulo 6 Redes de Acesso

Redes de Telecomunicações

Capítulo 6

Estrutura Geral da Rede de Acesso

• A rede local ou de acesso corresponde à componente da rede telefónica

pública que liga a central local aos equipamentos de assinante (telefones, modems, etc.).

• Do repartidor de central local saem vários cabos de pares simétricos,

sendo cada cabo constituído por centenas ou mesmo milhares de pares. Estes cabos são separados em feixes, e cada feixe vai alimentar uma determinada área de serviço.

Central Local Limite da área de serviço Interface de área de serviço Área de serviço Grupos de casas Cabo de pares

simétricos As áreas de serviço podem

ter diferentes dimensões, desde umas dezenas de

quilómetros nas áreas urbanas até algumas centenas nas áreas rurais

Estrutura Simplificada da Central Local

• Na central local pode-se identificar o repartidor principal, as

interfaces de linha de assinante (ILA), os multiplexadores, e o comutador.

• O repartidor principal funciona como terminação dos cabos de

alimentação e faz a interligação entre os pares e a ILA.

• A ILA é usada para passar de dois para quatro fios e para fazer a

conversão A/D e D/A.

ILA ILA ILA MUX/ DMUX Cabo de pares simétricos Repartidor principal Comutador Cordão 2 fios 4 fios Interface de linha de assinante

Para desligar o telefone de um assinante basta

remover o cordão existente no repartidor principal que liga o par

simétrico à ILA

O comutador faz a comutação com base em sinais TDM (2 Mb/s). Por isso é necessário

agregar os sinais a 64 kb/s gerados pelas ILA através de

Evolução da Rede de Acesso

• A rede de acesso convencional das redes telefónicas públicas era

constituída por uma infra-estrutura de pares de fios de cobre

entrelaçados (pares simétricos) que ligavam a central telefónica local ao telefone do assinante. Comutador RP ASR ASR ASR CD CD CD CD CD CD Cabo de alimentacão (centenas de pares)

Cabos de pares simétricos

Cabo de distribuição

(dezenas de pares)

Central Telefónica Local

RP: Repartidor principal ASR: Armário de

sub-repartição CD: Caixa de distribuição Sub-rede de alimentação ou transporte Sub-rede de distribuição

Rede de acesso com concentração

• Na evolução da rede alguns armários de sub-repartição foram por

unidades remotas com capacidade para realizar concentração. Os cabos de alimentação foram substituidos por fibra óptica ou então por ligações via rádio (fixed wireless access).

Comutador MUX CD CD CD CD Central Telefónica Local MUX: multiplexador UR: Unidade remota CD: Caixa de distribuição Sub-rede de alimentação ou transporte UR UR UR Sub-rede de distribuição Fibra óptica ASR CD CD Cabo de alimentacão (centenas de pares) Cabo de distribuição (dezenas de pares)

Sub-rede de Transporte com SDH

• Na sub-rede de transporte a informação é multiplexada e transmitida em formato

digital normalmente sobre fibra óptica. Como alternativa à topologia física em

estrela da sub-rede de transporte pode-se usar uma topologia em anel fazendo uso da SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

• Outra alteração de relevo consiste em introduzir também ligações ópticas em partes da

rede de distribuição. Como soluções em fibra têm-se :FTTCab, FTTC, FTTB, FTTH, dependendo da distância entre a ONU e o assinante (NT).

Central local Unidade remota UR ADM ADM Par de fibras de fibras de serviço ADM ADM ADM ADM ADM ADM UR ONU _NT ONU NT

Sub-rede de transporte _{Sub-rede de distribuição}

Unidade óptica de rede Unidade de terminação de rede Utilizador Par simétrico Fibra óptica Fibra óptica de serviço Fibra óptica de protecção

ONU: Optical Network Unit NT: Network Termination

Funcionamento das Unidades Remotas

• As unidades remotas podem funcionar em modo concentrado ou não

concentrado. Mux/ Demux Comutador 1 2 N 1 2 3 N Trama tempo Central Local Unidade remota Comutador 1 2 N 1 2 3 K Trama tempo Central Local Unidade remota Conc en tra dor

Modo não concentrado

Modo concentrado

Neste modo se se considerar como exemplo

N=30, o número de

time-slots disponíveis na trama TDM também é igual a 30.

N/K

K<N

Como exemplo podem-se considerar 240 assinantes e

30 time-slots. Tem-se um factor de concentração de 8.

Vai introduzir bloqueio

Os time-slots são atribuídos de acordo com as necessidades

Acesso à Internet

• O acesso pode ser directo (utilizadores empresariais), ou indirecto

(utilizadores domésticos). O acesso indirecto usa a rede telefónica para aceder ao ISP (Internet Service Provider).

POP#n POP Modem na banda de voz Rede telefónica (Comutação de circuitos) Rede de banda larga (ATM) ISP#1 ISP#2 ISP#n Canal virtual permanente Central local

O acesso indirecto pode ser de banda estreita ou de banda larga. O acesso de banda estreita é feito através de modems que operam na banda da voz. O acesso de

banda larga pode ser feito usando ADSL, ou outras soluções (ex: PON).

Par simétrico

O utilizador liga-se ao POP (point of presence) da rede telefónica. Este por sua vez liga-se aos POP dos ISPs através de circuitos alugados, ou canais virtuais

permanentes estabelecidos por uma rede ATM.

Acesso à Internet

Acesso de Banda Larga

• O acesso de banda larga baseado no ADSL faz uso da infra-estrutura

de pares simétricos existente entre o assinante e a central. A ligação aos ISPs é feita normalmente usando o ATM, estando-se a evoluir para a Ethernet. Comutador local DSLAM Rede de circuitos Acesso à rede IP através da rede ATM

Modem ADSL

Filtro _Filtro

Par simétrico

Estação local Instalações do cliente

No acesso de banda larga a rede de acesso inclui para além do modem ADSL , os multiplexadores de acesso DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), situados

mo mesmo edifício onde se encontra a central local.

Cada DSLAM interliga várias centenas de modems ADSL à rede IP através de uma rede de banda larga ATM

Para ser possível continuar a usar o par simétrico para serviços de banda estreita, usa-se um filtro para separar a banda entre os 0- 4 kHz do resto da banda.

Desagregação do Lacete Local

• A desagregação do lacete local descreve a obrigação do operador

histórico de alugar a sua infra-estrutura de acesso a operadores alternativos. A desagregação pode ser completa ou parcial.

DSLAM Modem xDSL Filtro Filtro Par simétrico Estação do operador histórico Instalações do cliente R P DSLAM Modem xDSL Comutador local Operador histórico Operador alternativo Repartidor principal

Na desagregação completa o operador alternativo tem acesso completo ao par simétrico do operador histórico. Na desagregação parcial o operador alternativo têm só acesso à banda base, ou a um sinal com a banda base filtrada.

Desagregação completa Par simétrico O operador alternativo instala no edíficio do operador histórico o seu comutador local e a sua DLSAM

Vantagens/Desvantagens da Desagregação

• O conceito de desagregação do lacete local foi criado dos Estados

Unidos em meados da década de 90, de modo a aumentar a concorrência no sector das telecomunicações.

• A política de desagregação do lacete local pode dissuadir os

operadores alternativos de investirem em novas tecnologias para a rede local, e também desmotiva o operador histórico de fazer grandes investimentos.

1) Qualquer infra-estrutura de acesso baseada na FTTH criada de raiz não fica sujeita à obrigação de desagregação.

2) Em qualquer estrutura de acesso FTTH que resulte da substituição da infra-estrutura de cobre existente, somente a banda base destinada ao tráfego da voz terá de ser partilhada.

Nova politica definida pela FFC (Federal

Communications Commission) nos Estados

Unidos no último trimestre de 2004.

Evolução da FTTH nos Estados Unidos

Fonte: RVA LLC, MarketResearch & Consulting

Técnicas de Duplexagem

•

Duplexagem por divisão na frequência (FDD)

As direcções de transmissão são separada no domínio da frequência.

•

Duplexagem por divisão no comprimento de onda (WDD)

As direcções de transmissão são separadas no domínio do comprimento de onda.

•

Duplexagem por divisão no tempo (TDD)

As direcções de transmissão são separadas no domínio do tempo. Esta técnica também se designa por TCM (Time Compressed

Multiplexing)

•

Cancelamento de eco (EC)

Separa os dois sentidos de transmissão usando um híbrido associado a um cancelador de ecos.

FDD e WDD

• Na duplexagem por divisão na frequência ou FDD (Frequency Divison

Duplexing) A comunicação nos dois sentidos é feita em bandas

diferentes

.

• Na duplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDD

(Wavelength Division Duplexing) a comunicação bidireccional sobre fibra óptica é garantida usando comprimentos de onda diferentes nos dois sentidos. Frequência f2 f₁ Comunicação no sentido descendente Comunicação no sentido ascende Banda de guarda M U X D E M U X Sentido descendente Sentido ascendente λ₁ λ₂ Fibra óptica

Usa-se nas aplicações de fibra óptiva no acesso, quer nas ligações ponto-a-ponto, quer nas ligações ponto-multiponto.

Duplexagem por Divisão no Tempo

Assinante (B) ΔL Tempo de guarda Bloco de N bits Switch T/R Transmissor Receptor Switch T/R Transmissor Receptor Lacete de assinante (2 fios)

Assinante Débito de transmissão Central Local no lacete D_bo >2D_b D_b Débito da sequência binária Δt=N/D_b

Duração do bloco de N bits

Tempo de propagação na linha

Δτ= ΔL /v_g

Δt=2N/D_b0+2Δτ+2τ_g

Durante Δt é necessário garantir uma comunicação

Duplexagem EC

• Na duplexagem por cancelamento de eco (EC) a comunicação é feita

nos dois sentidos usando o mesmo meio de transmissão (usualmente par simétrico).

• A separação dos dois sentidos é feita no receptor usando um híbrido

e um cancelador de ecos.

• O híbrido é um dispositivo que converte ligações de 2 fios em quatro

fios. Como este dispositivo não é ideal vai originar ecos, que vão interferir com o sinal recebido. O par também pode originar ecos.

Híbrido Cancelador de ecos ∑ Emissor Receptor y(t) r(t) ) ( ˆ t r

O cancelador de ecos é filtro adaptativo cujo objectivo é gerar uma réplica do eco ř(t), a qual vai ser subtraída do sinal z(t)= x(t)+r(t) . No caso ideal em que a réplica é perfeita tem-se um

Tecnologias x-DSL

• O x-DSL é uma designação genérica para um conjunto de tecnologias de

acesso de banda larga que operam sobre o par simétrico (cobre) e são derivadas do lacete digital do assinante ou DSL (Digital Subscriber Line).

IDSL DSL para aplicações em redes ISDN (RDIS). Suporta o acesso básico (2B+D) a _{160 kbit/s e o acesso primário (30B+D) a 2.048 Mbit/s.} ADSL

ADSL2+

DSL assimétrico (Asymmetric DSL): Canal até 8 Mbit/s no sentido de cliente ou descendente (downstream) e até 800 kbit/s no sentido da rede ou ascendente (upstream).

SHDSL

DSL assimétrico 2+(Asymmetric DSL 2+): Canal até 24 Mbit/s no sentido de descendente e até 1.5 Mbit/s no sentido ascendente. A largura de banda usada duplica em comparação com o ADSL, passando de 1.1 MHz, para 2.2 MHz.

Symmetrical High Bit Rate DSL: Suporta débitos (simétricos) desde 192 kbit/s

até 2.12 Mbits/s sobre 1 par simétrico, e desde 384 kbit/s até 4.62 Mbit/s sobre 2 pares. Não pode coexistir com o serviço telefónico.

VDSL2 Very High Bit Rate DSL 2: Canal até 100 Mbit/s no sentido descendente e até 50

Mbit/s no sentido ascendente. Usa uma largura de banda até 30 MHz.

DSL

ADSL (Asymmetrical DSL)

• O ADSL é uma tecnologia que permite uma transmissão assimétrica.

A duplexagem pode ser por divisão na frequência ou por cancelador de eco. 0 4 25 138 150 1104 Frequência (kHz) Espectro Transmissão descendente Transmissão ascendente Voz (telefonia)

FDD

Espectro Transmissão _descendente

Transmissão ascendente Voz (telefonia

0 4 25 138 150 1104

Frequência (kHz)

EC

• Um sistema ADSL consiste em modems ADSL colocados em ambas

as extremidades do par simétrico. A técnica de modulação mais

Acesso em ADSL

• A separação dos sinais telefónicos e ADSL é feita usando um filtro tanto nas

instalações de assinante como na central local.

• O tráfego proveniente de vários utilizadores é agregado através de um DSLAM

(Digital Subscriber Line Access Multiplexer) o qual é usado para multiplexar os sinais provenientes de várias linhas DSL, num sinal de débito elevado.

• A rede de agregação corresponde a um novo nível de agregação.

Tradicionalmente era baseada em comutadores ATM e em DSLAMs ATM (saídas STM-N). Está-se a evoluir para uma rede IP suportada em Ethernet. Neste caso usam-se DSLAMs IP com portos de saída em GbE ou 10 GbE.

DSLAM Comutador telefónico Multiplexador de Acesso ADSL Rede telefónica

Acesso à rede IP, em ATM ou Ethernet Splitter+filtro Modem ADSL Splitter+filtro Par simétrico Instalação de assinante (ATR-R) Central local (ATR-C)

PC Modem Rede de agregação Rede de agregação

ATR-C (ADSL transceiver unit, central office ATR-R (ADSL transceiver unit, remote terminal

Agregação ATM

• Nas soluções baseadas no ATM podem-se ter arquitecturas com circuitos

virtuais (VC, virtual circuits) extremo-a-extremo, ou arquitecturas baseadas na agregação de VC.

PVC: Permanent virtual circuits

Na solução extremo-a-extremo faz-se uso de um PVC (ATM) para interligar um utilizador a um ISP. Este PVC é comutado por vários comutadores ATM antes de atingir o ISP. Na solução agregada vários PVC são agregados num dispositivo agregador em vez de serem simplesmente comutados. Reduz-se assim o numero de PVC que são terminados no ISP.

S. Mervana, C. Le, “Design and Implementation of DSL-based Access Solutions,”Cisco Press DSLAM Switch Agregador Switch ATM VC extremo-a-extremo Agregação de VC

Very High-speed

DSL (VDSL)

•

O VDSL1 pode ser simétrico ou assimétrico.

1.5 km 1.6 Mb/s 13 Mb/s 0.3 km 6.4 Mb/s 54 Mb/s 1 km 3.2 Mb/s 26 Mb/s Alcance Débito (Ascendente) Débito (Descendente) 1.5 km 6.5 Mb/s 6.5 Mb/s 0.3 km 25 Mb/s 25 Mb/s 1 km 13 Mb/s 13 Mb/s Alcance Débito (Ascendente) Débito (Descendente) 0 .12 0.3 0.7 1 12 30 Sentido ascendente Voz (telefonia) Sentido descendente f₁ f2 RDIS Espectro Frequência (Hz) Assimétrico Simétrico

Plano de frequências para o VDSL com duplexagem DDF

O VDSL1 usa no percurso descendente uma banda que vai até 12 MHz. Por sua vez o VDSL2 usa uma banda com uma frequência máxima de 30 MHz, permitindo 100 Mb/s. O VDSL2 também

Rede ADSL

Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio 2008

x-DSL ( Largura de banda/distância)

Note-se que o ADSL só permite débitos de 8 Mb/s até distâncias da ordem dos 3 km e o ADSL 2+ só permite 24 Mb/s para distâncias inferiores a 0-8-0.9 km. Para distâncias superiores a 1.6 km, o ADSL2+ conduz a melhores resultados do que o VDSL2.

Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio 2008

Evolução dos Débitos no Acesso

Fonte: Heavy Reading (“The Race to the Home: FTTH Technology Option”, NetEvents Hong Kong)

A linha a azul representa a evolução do débitos do acessos sobre cobre usando: 1) modems, com débitos entre 1.2 kb/s (1990) e 56 kb/s (1996); 2) x-DSL, que permitiu evoluir os débitos até cerca de 2 Mb/s (2005).

A linha a verde extrapola a taxa de crescimento histórica: um factor crescimento de 2.29 ao ano. A linha a vermelho admite uma aceleração do crescimento a partir de 2004, para um factor de 3 ao ano.

Fibra Óptica: A Solução

•

Dentro de 3 a 5 anos débitos de 100 Mb/s no acesso será

algo trivial.

•

Se as taxas de crescimento de tráfego se mantiveram serão

de esperar, daqui a 10 anos, débitos no acesso de 1 Gb/s.

•

As tecnologias x-DSL, especialmente ADSL, estão a atingir

os limites: limitações de banda e assimetria.

•

A solução está na generalização da utilização de fibra

Arquitecturas de Rede

•

Ponto-a-ponto (P2P

)

Um porto OLT (conversão O/E+E/O) na central local por

cada cliente.

•

Ponto-Multiponto (P2MP)

Um porto OLT na central por cada N clientes, com N

tipicamente entre 8 e 64.

Arquitecturas de Rede(II)

•

P2P

•

P2MP

O ponto de derivação pode ser activo ou passivo

Fibra de alimentação

ONU: Optical Network Unit (designação IEEE) ONT: Optical Network Terminal (designação ITU-T )

AOLT (Optical Line Terminal) proporciona uma interface entre a componente óptica da rede e a rede do operador. Pode incluir interfaces 1GbE, 10 GbE, STM-N (SDH).

A ONU/ONT é um dispositivo que termina a componente óptica do lado do cliente. As ligações ao equipamento deste é feita usando Ethernet sobre par simétrico, x-DSL, ou cabo coaxial.

Ponto-a-Ponto

•

Duas fibras (Ex: IEEE 802.3z 1000BASE-LX

Uma fibra por cada direcção de transmissão (10 km @ 1 Gbps)

•

Uma fibra

Fonte: Cisco SFP Optics forGigabit Ethernet Applications 1. 25 Gbps 1. 25 Gbps Débito (linha) -3 a -9 -3 a -9 Potência Óptica Tx (dBm) 10 1490 1310 1000 Base-BX10-U 10 1310 1490 1000 Base-BX10-D Distância (km) Rx_lambda (nm) Tx _lambda (nm) Norma

Ponto-Multiponto

•

Estrela Activa (

Ethernet Activa

)

O ponto de derivação é um nó activo, normalmente um switch Ethernet , que é usado para agregar tráfego proveniente de diferentes ONUs/ONTs: Ethernet comutada+ ponto-a-ponto.

•

Estrela Passiva (

PON

)

O ponto de derivação é passivo, ou seja é constituído por um

splitter/combinador óptico passivo: Passive Optical Network

Soluções em Fibra (FTT-x)

• Na arquitectura FTTH (fibre to the home) a fibra óptica vai até às

intalações do assinante, e deste modo a ONU realiza as funções da NT( Network Termination).

• Na arquitectura FTTC (Fibre To The Curb) ou FTTB (Fibre to the

Building) cada ONU serve entre 10 a 100 casas, ou edifício ( <300 m

do assinante). Neste caso há uma rede de distribuição adicional entre a ONU e a NT, em cobre (par simétrico, ou par coaxial) ou via rádio.

• A solução FTTCab ( Fibre To The Cabinet) a ONU está mais afastada

do assinante (<1.5 km), requerendo também uma rede de distribuição adicional.

• Outra arquitectura alternativa, designada rede óptica passiva ou PON

(Passive Optical Network), usa um repartidor óptico passivo para dividir o sinal proveniente da OLT por várias ONUs.

Perdas nas Curvas

• Na presença de curvas a fibra óptica está sujeita a perdas radiativas.

Estas perdas podem ser significativas se o raio de curvatura for inferior a poucos centímetros (cerca de 3 cm).

• Este problema é importante nas soluções FTTH/FTTB e levou ao

desenvolvimento de fibras quase insensíveis às curvas, à custa do aumento da complexidade da estrutura da fibra.

Fonte: Ming-Jun Li,” Bend-insensitive optical fibers simplify

fiber-to-the-home installations”, Optoelectronics & Optical Communications, 21 Abril 2008, SPIE.

Fibra insensível a curvas Fibra padrão

Vantagens das Fibras Insensíveis a Curvas

O desenvolvimento de fibras tolerantes a curvas permitiu reduzir a dimensão dos armários de rua e veio facilitar significativamente a extensão da fibra óptica até à casa dos utilizadores.

Redes Ópticas Passivas para FTT-x

OLT: Optical Line Termination ONT: Optical Network Termination

FTTEx: Fibre-to-the-Exchange

FTTCab/N: Fibre-to-the-Cabinet /Node FTTC: Fibre-to-the-Curb FTTB: Fibre-to-the-Building FTTH: Fibre-to-the-Home 8 Mbit/s@3 km 24 Mbit/s@0.9 km 55 Mbit/s@0.3 km 100 Mbit/s@0.2 km VDSL2

Tipos de PONs

•

Como todos os ONUs partilham a mesma fibra de alimentação

e o mesmo porto na OLT, é necessário usar

técnicas de

acesso múltiplo

para evitar colisões na comunicação

cliente-central.

•

TDM/PON

: O acesso múltiplo opera no domínio do tempo

(

), ou seja não é permitido a

duas ONUs transmitirem no mesmo instante.

•

WDM/PON

: O acesso múltiplo opera no domínio do

comprimento de onda (

Access)

,

ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no

PON vs P2P: dimensão das condutas

•

Exemplo: rede FTTH com 20 000 clientes (

)

•

Solução GPON com 1:64: 3 cabos de alimentação, cada cabo

com 144 fibras e com um diâmetro de 13.5 mm.

•

Solução P2P: 28 cabos, cada cabo com 720 fibras e com um

diâmetro de 25 mm

P2P

A solução P2P requer uma conduta com uma área cerca de 20 vezes superior à PON

Sempre que o espaço disponível nas condutas seja um bem escasso a solução a adoptar deverá ser a PON. Nos outros casos a P2P deverá ser tida em conta no projecto

Cabo de 13.5 mm

Cabo de 25 mm

Arquitectura TDM-PON

• A ligação descendente (OLT-ONU) é feita no comprimento de onda de

1490± 10 nm e a ascendente (ONU-OLT) no comprimento de onda de 1310 ±50 nm.

• As variantes da TDM-PON mais usadas são a GPON (Gigabit PON) e

EPON (Ethernet PON). A primeira opera a um débito de linha agregado de 2.488/1.244 Gbps e a segunda a 1.25 /1.25 Gbps. Laser Receptor Laser Receptor Laser Receptor Laser Receptor Repartidor/ combinador OLT Nó de repartição ONU 1 ONU N 1310/1490 nm mux/demux 1490 nm 1310 nm ONU k As ONUs operam ao débito de linha agregado

O comprimento de onda de 1.55 μm, também é usado para soluções de vídeo “overlay”, como seja por exemplo televisão em RF.

Max de 10 ou 20 km

A componente de rede entre a OLT e ONU designa-se ODN (Optical

Dimensionamento Físico da PON

•

Estrutura de uma PON

•

Balanço de potências

potência média emitida

r

P sensibilidade do receptor, M_smargem de funcionamento, A_xperdas extra (conectores, duplexores, etc.),

A_r perdas de derivação, perdas devidas à dispersão, AΔP_i(D_λL) _dperdas de inserção dos acopladores

(dB) log ) ( log 10 ₁₀ N A ₂N A_r = + _d x r a sc sc s P M L A A Pmax≤ − +α + + Valor máximo da potência média emitida

sc

P potência de sobrecarga, M_scmargem de funcionamento para a potência máxima

Na ONU e na OLT terão de se usar duplexores de

comprimento de onda para agregar/separar os

diferentes comprimentos de onda.

Funções da OLT e ONU/ONT na EPON

• Como acontece na generalidade das PONs a OLT funciona como o

controlador de rede.

• Todas a comunicações têm lugar entre a OLT e as ONUs, ou seja não há

interacção directa entre as ONUs. Cada ONU é identificada pelo seu LLID

(Logical Link Identifier).

• Funções da OLT:

Processo de descoberta: Verifica se uma nova ONU se juntou ou abandonou a rede.

Controlo de registo: Controla o registo das novas ONUs adicionadas à rede.

Gestão de banda: Atribui a cada ONU uma banda apropriada no canal ascendente.

Processo de alinhamento (ranging) e sincronismo: Calcula o atraso temporal entre a OLT e cada ONU; gera mensagens de sincronismo (time-stamped) de modo a garantir que as ONUs e a OLT tenham uma referência temporal comum.

Arquitectura da EPON (P2MP)

A sub-camada PCS é responsável pela codificação 8B10B, como no caso da GbE. Isto implica que embora à EPON corresponda um fluxo de informação bidireccional a 1 Gbit/s, a transmissão é feita no meio óptico a um débito de símbolo de 1.25 Gbaud/s. Como opção, esta sub-camada também pode implementar um código do blocos RS(255,239).

A sub-camada PMA é responsável por converter um fluxo de bits paralelo proveniente da sub-camada PCS num fluxo série.

A sub-camada PMD é responsável por definir as características ópticas do transceptor e pela ligação à fibra através do MDI.

A principal diferença entre a EPON e a Ethernet P2P é a presença da sub-camada MPMC. Esta sub-camada é responsável por executar um protocolo de acesso múltiplo que regula o acesso das diferentes ONUs ao canal ascendente.

Formato da Trama (IEEE 802.3)

• A estrutura da trama EPON é idêntica à da Ethernet (IEEE 802.3),com

excepção do campos preâmbulo/SFD

.

• A trama começa com o SLD (Start LLID delimiter), que é delimitado de

ambos os lados por 2 bytes com um padrão fixo. Segue-se o LLID e um campo CRC para proteger os campos SLD e LLID.

FCS Dados+ Enchimento (Pad) Compri mento / Tipo Endereço de fonte Endereço de destino S F D Preâmbulo 7 1 6 6 2 46-1500 4 octetos 0x5555 2 bytes SLD 1 byte 0x5555 2 bytes LLID 2 bytes CRC 1 byte 8 bytes Modo 1 bit ID 15 bits

O primeiro bit do campo LLID (Logical Link

Indentifier) é um bit que indica o modo como

o tráfego é enviado: difusão (1) ou unicast (0). No processo de difusão a mesma trama é enviada para todas as ONUs. Os 15 bits restantes são capazes de suportar 32 768 diferentes ONUs lógicas.

Protocolo MPCP

• O protocolo MPCP é usado pela EPON para regular o fluxo de tráfego

e foi desenvolvido pelo grupo IEEE802.3ah. Usa dois tipos de mensagens REPORT/GRANT.

• O MPCP é responsável por funções tais como auto-descoberta,

registo de ONUs, alinhamento para as novas ONUs adicionadas à rede.

• O MPCP proporciona ainda um plano de controlo para coordenar a

transmissão ascendente, o qual fiscaliza a ocupação das filas de espera nas ONUs e atribui largura de banda para transmissão ascendente a cada ONU em função dessa ocupação.

• A atribuição da banda é feita usando um algoritmo DBA (Dynamic

Bandwidth Assigmnent), o qual usa as mensagens GRANT e

Operação da EPON (descendente)

• No sentido descendente as tramas Ethernet transmitidas pelo OLT

passam através de um repartidor (splitter) 1:N e chegam a cada ONU.

• Todas as tramas são difundidas pela OLT para todas as ONUs, as

quais extraiam as tramas que lhe são destinadas com base na

etiqueta LLID. Note-se que a LLID só está presente dentro de EPON. Antes de enviar as tramas para o cliente a LLID é eliminada pela ONU.

Laser OLT 3 2 1 2 3 2 1 2 _{ONU 2} ONU 3 3 2 1 2 ONU 1 3 2 1 2 Trama Ethernet 1 2 3 2

Cada ONU extrai a trama que lhe é destinada usando a etiqueta LLID , e rejeita todas as outras tramas recebidas. Repartidor (Splitter) Óptico 0& LLID=1 0& LLID=3

Operação da EPON (Ascendente)

• No sentido ascendente há o problema da contenção. Duas tramas

que cheguem simultaneamente ao OLT colidem. Para ultrapassar esse problema usa-se o protocolo MPCP.

• Para sincronizar as diferentes ONUs o protocolo MPCP baseia-se

num esquema TDMA (Time Division Multiple Access) . Assim, a cada ONU é alocado um time-slot, com capacidade para transportar várias tramas Ethernet. Laser OLT _{ONU 2} ONU 3 ONU 1 Trama Ethernet 1 2 3 2 Combinador 3 3 3 3 3 2 2 1 1 2 2 3 3 3 Time-slot

Cada ONU armazena em memória as tramas recebidas dos

utilizadores até que o seu time-slot chegue. Nesta altura envia todas as tramas armazenadas em rajada, à velocidada máxima do canal. Se não houver tramas em número suficiente para encher um time-slot são enviados caracteres de 10 bit sem informação. Os esquemas de alocação de time-slots podem ser

estáticos ou dinâmicos. Neste último caso a dimensão do time-slot é ajustada em função da fila de espera na ONU.

0& LLID=1

Todas as tramas enviadas por uma ONU devem ser etiquetadas com o seu próprio LLID.

Algoritmo DBA

• O conjunto dos N time-slots correspondentes aos N ONUs designa-se por

ciclo. A duração de um ciclo é denominada por T. A duração de cada

time-slot (janela de transmissão) é variável, sendo atribuída pelo DBA em função

da ocupação das filas de espera da ONU.

• A cada ONU é atribuída uma janela de transmissão máxima de W_{i, max} (em

bytes). O tempo de ciclo máximo, correspondente a N ONUs, é dado por

∑

τ τg: intervalo de guarda (segundos),

D: Débito binário na linha

Os time-slots estão organizados sequencialmente, com um intervalo de guarda de modo a evitar colisões na OLT devido a flutuações no RTT (round-trip time). Este é dado por 2d/v, onde d é a distância entre a OLT e a ONU e v é a velocidade de propagação na fibra. Este tempo é calculado pela OLT através das mensagens Report/Grant.

Na figura uma OLT atribui permissão Gate a uma ONU logo após a recepção do seu Report. No ciclo seguinte essa ONU já vai transmitir na janela de transmissão atribuída pela OLT.

Fonte: João Santos,

GPON vs EPON

Débito médio por ONU

10/20 km 10/20 km Máximo alcance 1:32 ; 1:16 (típica) 1:64 Derivação máxima 1250 Mb/s (1 Gb/s Eth) 155, 622, 1244, 2448 Mb/s

Débito de linha ascendente

1250 Mb/s (1 Gb/s Eth ) 1244, 2448 Mb/s

Débito de linha descendente

IEEE 802.3ah ITU-T G984

Norma

EPON GPON

A eficiência refere-se à fracção do débito usada para transporte de dados. A menor eficiência da EPON resulta de tempos de guarda maiores e um maior cabeçalho dedicada para correcção de erros e outras funções (8B/10B). No cálculo do débito médio considerou-se um utilização completa e sem bloqueio da PON.

Soluções WDM-PON

•

Nas PON baseadas em WDM (Wavelength Division

Multiplexing

) a cada ONU é atribuído um comprimento de onda

(lambda).

•

Tal como no caso do P2P cada ONU opera ao débito binário

individual (e não agregado) e a privacidade da ligação está

garantida sem necessidade de encriptação, como acontece na

TDM-PON.

•

As redes WDM-PON baseiam-se quer no DWDM (Dense-WDM),

quer no CWDM (Coarse-WDM).

•

As soluções DWDM operam na janela de 1550 nm e as

principais variantes são: 1) broadcast & select; 2) wavelength

Arquitectura DWDM-PON:broadcast &

select

• Na arquitectura broadcast & select a banda de lambdas usada é

difundida para todas as ONUs, para posteriormente cada ONU seleccionar o seu lambda próprio usando um filtro óptico.

• No sentido ascendente cada ONU emite no seu comprimento de onda

próprio, as quais são combinadas passivamente no nó de repartição. Matriz de Lasers Matriz de Receptores Laser Receptor Laser Receptor Laser Receptor Repartidor/ combinador OLT Nó de repartição ONU 1 ONU N ONU k A electrónica de cada ONU opera ao débito individual da ONU λ₁, λ₂, ... ,λ_N λ_N+1, λ _N+2 ..,λ _2N λ₁, λ₂, ... λ_N, Filtro λ_N+1 λ_N+k λ _2N λ₁, λ₂, ... λ_N, λ₁, λ₂, ... λ_N,

Arquitectura DWDM-PON:wavelength

routing

• O derivador óptico é substituído por um encaminhador óptico tipo

AWG (Arrayed Waveguide Grating).

• O encaminhador envia os diferentes comprimentos de onda para os

diferentes ONUs. A utilização do AWG vai eliminar as perdas de derivação da solução broadcast & select.

Matriz de Lasers Matriz de Receptores Laser Receptor Laser Receptor Laser Receptor Repartidor/ combinador OLT Nó de repartição ONU 1 ONU N ONU k

Permite suportar mais de 80 lambdas o que corresponde a mais de 40 ONUs, com débitos individuais por ONU até 10 Gb/s λ₁, λ₂, ... ,λ_N λ_N+1, λ _N+2 ..,λ _2N λ₁ Splitter λ_N+1 λ_N+k λ _2N λ_N, λ_k combinador AWG

CWDM-PON

• Usa componentes de baixo custo com os lambdas espaçados de 20

nm. Na segunda e terceira janela (1280-1600 nm) só são suportados 16 canais, ou seja 8 ONUs

• Exemplo de uma rede CWDM (Coarse-WDM) com 4 lambdas por cada

direcção e 10 Gb/s por canal

(

TDM-PON vs WDM-PON

WDM-PON: Prós e Contras

• Suporta todos os serviços (Ethernet, TDM, ATM, etc.) de modo

transparente.

• Suporta débitos por ONU muito elevados (até 10 Gb/s).

• Requer um número elevado de interfaces ópticas na OLT (16 no caso

do CWDM-PON, e várias dezenas no caso da DWDM-PON).

• Requer interfaces ópticas coloridas na ONU, já que cada ONU

processa lambdas diferentes ( problema CAPEX/OPEX).

• A variante DWDM requer lasers DFB muito estáveis devido ao

espaçamento entre canais ser reduzido e por isso muito caros.

Prós

WDM-PON: Cenários de Aplicação

•

A variante DWDM conduz a soluções muito caras, não

compatíveis com os requisitos de baixo custo da rede de

acesso.

•

A variante CWDM conduz a redes de dimensões reduzidas e

por isso de fraco interesse prático.

•

A WDM-PON não se afigura como alternativa viável, pelo

menos a curto prazo, para aplicações de acesso óptico

domésticas.

•

As redes híbridas metro-acesso são o cenário de aplicação

Mercado FTTH/B por tecnologia (previsão

2011)

FTTH Market by Technology, Dec 2011

23% 50% 1% 26% GPON EPON Other PON Active

Fonte: Heavy Reading report, FTTH Worldwide Market & Technology Forecast, 2006-2011, June 2006

A tecnologia EPON será dominante nos países asiáticos.

A tecnologia GPON será dominante nos EU e Europa.

Penetração das soluções FTTH e FTTB em

2008

Fonte:Fiber-to-the-Home Council, Fev. 2009

Portugal: Investimentos anunciados

desenvolvimento de redes de nova geração (RNG) e comprometeu-se a investir 400 milhões de euros na construção de redes de fibra óptica abertas.

O compromisso de investimento da

DSTELECOM vai abranger mais de 50 municípios, o que corresponde a cerca de 30 por cento da população nacional, frisou hoje o presidente executivo do grupo DST, José Teixeira, à margem da conferência "Portugal em Fibra Óptica", organizada pela Associação Portuguesa para o

Desenvolvimento das Comunicações (APDC). (Plano de investimento a cinco anos)

Portugal: Protocolo sobre as RNG

“Este protocolo pretende antecipar a meta para 2009 da ligação de uma rede de fibra óptica a 1.5 milhões de utilizadores ”???

1.5 milhões de casas passadas com fibra corresponde a uma taxa de penetração de cerca de 30%