redes Ópticas passivas (pons) prof. dr. murilo a romero
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Redes Ópticas Passivas (PONs)Redes Ópticas Passivas (PONs)
Prof. Dr. Murilo A RomeroProf. Dr. Murilo A Romero
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 2USPUSP São Carlos
Estrutura da apresentação
Sumário:
1. Redes Ópticas Passivas: Princípios básicos e fundamentação técnico-econômica
2. Cenário Mudial
3. Arquiteturas Básicas: GPON e EPON.
4. Visão de Futuro:
4.1 Principais tendências evolutivas
4.2 Aspectos de WDM-PON
5. Conclusões e Agradecimentos
Objetivo: fornecer um panorama do estado da arte em redes ópticas passivas, apontando as tendências predominantes para a
sua evolução. Sempre que pertinente será contextualizada a produção científica da EESC/USP.
Murilo Araujo Romero, Ph.D.USPUSP São Carlos
Evolução das redes de comunicações:Redes Ópticas Passivas para FTTH (Fiber to the Home)
Public data networks
Public telephone network
Broadcasting networks
Wireless access networks
PSDNPSDN
CATV netCATV net
WirelessNet
WirelessNet
PSTNPSTN ADSLFTTC/VDSL
ADSLFTTC/VDSL
IMT-2000IMT-2000
PCN/PCSPCN/PCS
FTTHFTTH
NISDNNISDN
HFCHFC
BroadbandSubscriberNetwork
BroadbandSubscriberNetwork
BISDN
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 4USPUSP São Carlos
Evolução da Capacidade de Transmissão em Sistemas Ópticos em Backbone
Fonte:Bell Labs TechnicalJournal, Março 2002
Murilo Araujo Romero, Ph.D.USPUSP São Carlos
Contraste: Tecnologias para Redes de Acesso
(“Subscriber Loop”)
14.4-56 Kb/s14.4-56 Kb/s
Acesso Rádio – Wi-Fi, WiMax, LMDSAcesso Rádio – Wi-Fi, WiMax, LMDS
ADSL completoADSL completo
ADSL Lite ADSL Lite
RDSIRDSI
Modem “Dial-Up”Modem “Dial-Up”
Rede Óptica Passiva - PONRede Óptica Passiva - PON
14.4 kb/s14.4 kb/s 100 Mb/s100 Mb/s
1.5-45 Mb/s1.5-45 Mb/s
56Kb/s-10 Mb/s56Kb/s-10 Mb/s
2.5-8 Mb/s2.5-8 Mb/s
128Kb/s-1.5 Mb/s128Kb/s-1.5 Mb/s
56-128 Kb/s56-128 Kb/s
HFC/Cable modem HFC/Cable modem
Murilo Araujo Romero, Ph.D.USPUSP São Carlos
Requisitos típicos de largura de banda para várias aplicações
Aplicação
Sentido Downstream
VoIP 80 Kbps
Videofone 124 Kbps – 2Mbps
Jogos on-line 256 Kbps
TV (MPEG-2) 3-5 Mbps
TV (MPEG-4) 2-4 Mbps
HDTV (MPEG-2) 18-20 Mbps
HDTV (MPEG-4) 8-15 Mbps
Murilo Araujo Romero, Ph.D.USPUSP São Carlos
Esquemas de Última/Primeira Milha: Distância Coberta e Largura de Banda Disponível
8 Mbps8 Mbps
25 Mbps25 Mbps
50 Mbps50 Mbps
100 Mbps100 Mbps
4 Mbps4 Mbps
0,6 km 0,6 ~ 2km 2,0 ~ 3,4km
FTTHFTTH FTTHFTTH
FTTHFTTH FTTHFTTH FTTHFTTH
FTTHFTTH FTTHFTTH FTTHFTTH
ADSL2+
ADSL2+
VDSL2
VDSL2
ADSL2+
ADSL2+
ADSL2+
ADSL2+
ADSL2+
ADSL2+ FTTHFTTH
ADSL2+
ADSL2+
Murilo Araujo Romero, Ph.D.USPUSP São Carlos
Arquitetura de Redes Ópticas Passivas (PON) com Derivação VDSL
Anel Óptico
Ponto deComutação
FTTB: Fiber-to-the-buildingFTTC: Fiber-to-the-curbPON: Passive optical networkVDSL: Very-high-speed digital subscriber line
FTTB: Fiber-to-the-buildingFTTC: Fiber-to-the-curbPON: Passive optical networkVDSL: Very-high-speed digital subscriber line
Fibra Óptica
FTTB
FTTB
FTTB
FTTC
FTTCVDSL
VDSL
VDSL
As redes PON possibilitam migração suave para uma topologia FTTH (Fiber to the Home): 8 milhões de usuários no Japão, 2007, NTT e KDDI
Divisor ÓpticoPassivo
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 9USPUSP São Carlos
Cenário MundialEstimativa da Empresa de Consultoria OVUM para o Final de 2006:290 milhões de assinantes de banda larga
X-DSL = 68%
HFC/Cable Modem = 23%
FTTH (PON + Ethernet PtP) = 7%
Wireless = 3%
FTTH hoje: Ásia/Pacífico (87%); Europa (10%) e América do Norte (3%)
Previsão para 2010: 81 milhões de usuários
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 10USPUSP São Carlos
Motivadores Econômicos vs. Fatores Inibidores
• A CAPEX (Capital Expendinture) para FTTH se reduziu de
US$ 4.000,00 no ano 2000 para US$ 1.000,00 em 2005.
• A substituição de cobre por fibra permite uma redução no OPEX
(Operation-and-Maintenance Expense) de US$ 125,00 assinante/ano.
• Fonte: IEEE/OSA JLT, Dezembro/2006 (obs: grande variabilidade em função dadensidade populacional).
• Inibidor: Políticas Regulatórias de LLU (“Local-Loop Unbundling”)
• Inibidor: As redes de acesso ainda não são predominantemente “video-cêntricas”
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 11USPUSP São Carlos
Arquitetura Básica: x-PON
HomeSwitch nodePON headend node Local
exchangeCabinet
Curb
FTTBus/FTTH
SW
SW
SW
SW
OLT
OLT
OLT
OLT
ONU
ONU
ONU
NTE
NTE
NTE
ONUNTE
SDH PON ADSL
VDSL
VDSL
UNI
FTTEx
FTTCab
FTTC/FTTBus
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 12USPUSP São Carlos
Padrões: GPON vs. EPON - Timeline
ANO
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008VE
LO
CID
AD
E D
E T
RA
NSM
ISS
ÃO
(M
bits
)
100
1000
ATM-PON – 54 Mbits/s
ATM-PON 155 Mbits/s
BPON622 Mbits/s
EPON1.25 Gbits/s
GPON2.5 Gbits/s
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 13USPUSP São Carlos
Padrões: GPON vs. EPON - Comparação
O padrão E-PON prevalece na Ásia, enquanto as empresas Verizon, AT&T, Qwest, BellCanada, France Telecom, DT, Telefonica e Telecom Italia estão optando pelo GPON.
ITEM G-PON (FSAN/ITU-T)
IEEE E-PON
Tráfego Full Service (Ethernet,
TDM, POTS) Ethernet Data
Frame Empregado
GEM Frame
(Camada GTC)
Ethernet Frame
Máximo Alcance
Físico
20 km 20 km
Split ratio (máximo)
64 32
Taxa de Transmissão
2.5 Gbits/s (down) e 1.25 Gbits/s (up)
1.25 Gbits/s (bidirecional)
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 14USPUSP São Carlos
Tendências de Evolução: Diminuição dos COs com redução deCAPEX e OPEX
OLT
ONUONU
ONUONU
BACKBONE METRO ACESSO
SPLITTER
~80 km ~20 km
TERMINALREMOTO
CENTRAL(FRONTEIRA)
OLT
ONUONU
ONUONU
BACKBONE METRO ACESSO
SPLITTER
~80 km ~20 km
TERMINALREMOTO
CENTRAL(FRONTEIRA)
OLT
ONUONU
ONUONU
BACKBONE
LR-PONMETRO/ACESSO
SPLITTER
≥100 km
CENTRAL(FRONTEIRA)
OLT
ONUONU
ONUONU
BACKBONE
LR-PONMETRO/ACESSO
SPLITTER
≥100 km
CENTRAL(FRONTEIRA)
(a)
(b)
OLT
ONUONU
ONUONU
BACKBONE METRO ACESSO
SPLITTER
~80 km ~20 km
TERMINALREMOTO
CENTRAL(FRONTEIRA)
OLT
ONUONU
ONUONU
BACKBONE METRO ACESSO
SPLITTER
~80 km ~20 km
TERMINALREMOTO
CENTRAL(FRONTEIRA)
OLT
ONUONU
ONUONU
BACKBONE
LR-PONMETRO/ACESSO
SPLITTER
≥100 km
CENTRAL(FRONTEIRA)
OLT
ONUONU
ONUONU
BACKBONE
LR-PONMETRO/ACESSO
SPLITTER
≥100 km
CENTRAL(FRONTEIRA)
(a)
(b)
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 15USPUSP São Carlos
ESQUEMA WDM-PON COM COMPRIMENTOS DE ONDA FIXOS
Cada ONU/ONT recebe um comprimento de onda dedicado e permanente. A topologia lógica é ponto-à-ponto.
RoteadorA
WG
ONTTx, 33
Rx, 1
WDM
ONT
Tx, 64
Rx, 32
WDM
1
33
64
32
OLT
MU
XTx, 1
1 ... 32Tx, 32
33 ... 64
Rx, 33
DE
MU
X
Rx, 64
WDM
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 16USPUSP São Carlos
ESTRATÉGIA DE MIGRAÇÃO: DO GPON PARA WDM-PON
•A migração do G-PON agregando um dispositivo de 3 portas paracombinar/separar os comprimentos de onda usados em TDM-PON (legada) e WDM-PON. É também possível implementar esquemas híbridosTDM-WDM, com o uso de filtros ópticos.
COOLT
TDM-PON (legada)
Tx,Rx, 2
MU
X
Tx,Rx, 17
20 km
RN
WC1 WC2
RoteadorA
WG
Divisor
1
1
1
2 17
2
17
8
ONTs
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 17USPUSP São Carlos
ESQUEMA WDM-PON COM COMPRIMENTOS DE ONDA FIXOS
• Requer fontes ópticas multi-comprimento de onda e AWGs com estabilidade térmica Já existem sistemas em operação na Coréia do Sul com 100 mil usuarios.
FONTE: “WDM-PON Experiences in Korea”, JON, Maio 2007
Murilo Araujo Romero, Ph.D.USPUSP São Carlos
TOPOLOGIA BUS CWDM
980/1595 mux
Er: L3
Circulator 2
DCF
3Circulator 1
1 2
3
980/1550 nm mux
Er: L1
980 nm Pump Laser
L band
S/Cbands
980/1595 nmmux
2 1
S/C mux
Er: L2
S/C mux
980/1550 nm muxes
SC/L mux
SC/L muxin
out
980 nm Pump Laser
DP-EDFA
Rx1 Rx2 Rx3 Rx n-1
Rx nMUX
Drop1 Drop2 Drop3 Drop n
Rx1 Rx2 Rxi Rx n-1
Rx nMUX
Drop1 Drop2 Dropi Drop n
Tx1
Tx2
Tx3
Txn
.
.
.
Tx1
Tx2
Tx3
Txn
.
.
.
16 CWDM channels
Fiber
• Amplificador multibanda S-C-L para sistemas CWDM: Tese de doutorado de J.B. Rosolem (Engenheiro do CPqD), EESC/USP, 2005 “S-C-L Triple Band Double-Pass Erbium-Doped Silica Fiber Amplifier with an Embedded DCF Module for CWDM Applications”, IEEE/OSA JLT, Outubro 2006.
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 19USPUSP São Carlos
Distância Máxima de Transmissão
6 5 4 2 1 3 7 8 9 13 14 15 11 16 12 100
20
40
60
80
100
120
140
1310 1350 1390 1430 1470 1510 1550 1590 1630
Wavelength (nm)
Max
link
leng
th (
km)
Attenuation Limitation - amplification - STD A-B
Attenuation Limitation - amplification - STD C-D
Attenuation Limitation - no amplification - STD A-B
Attenuation Limitation - no amplification - STD C-D
Dispersion Limitation STD
Dispersion Limitation STD with DCF 700 ps/nm
Drop/Insert Channels Sequence Order
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 20USPUSP São Carlos
Experimento de Transmissão
1.E-13
1.E-12
1.E-11
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
1.E-03
-21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13Received Power (dBm)
B E
R
DP-EDFA + DCF 700 ps/nm + 82 km STD
DP-EDFA + 82 km STD
BKB
(b)
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 21USPUSP São Carlos
Técnicas de Múltiplo Acesso “Upstream”: TDMA x WDMA
• TDMA: Designa “time-slots” específicas para cada ONU operando
no sentido upstream.
-São necessárias informações precisas do retardo de propagação para
cada ONU para garantir a sincronia OLT-ONU.
-É fundamental o uso de “burst-mode receivers”: dificuldades para
operação 10 Gbits/s.
-A capacidade do canal pode ser dividida de forma DESIGUAL entre
as ONUs: Dynamic Bandwidth Allocation (DBA).
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 22USPUSP São Carlos
Atraso Médio de Quadro vs. Tráfego Total: 16 ONUs e 1 a 4 s
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
10-3
10-2
10-1
100
Atr
aso
méd
io d
e qu
adro
(s)
Carga total do sistema (Gbps)
1 2 3 4
cada : 1 Gbps8 ONUs não-WDMtaxa garantida 120 Mbps8 ONUs WDM,Tráfego ONU não-WDM:10 a 120 MbpsTráfego ONU WDM:20 a 240 MbpsTráfego Poissoniano: intervalo entre chegadas de quadros e duração dos quadros: distribuição exponencial
Dissertação de Mestrado de C. Arbieto, EESC/USP, 2006, “Alocação Dinâmicade Largura de Banda em Redes EPON” Orientador:A.C. César.
Murilo Araujo Romero, Ph.D.USPUSP São Carlos
Receptor Óptico Sintonizável para WDMA
RfVg1
Vg2
Vg3
Vg4
amplificador TZ
circuitos dechaveamento
fotodetetores
demultiplexadoróptico
não- reconfigurável
fibra óptica
FE1
RfVg1
Vg2
Vg3
Vg4
amplificador TZ
circuitos dechaveamento
fotodetetores
demultiplexadoróptico
não- reconfigurável
fibra óptica
RfVg1
Vg2
Vg3
Vg4
amplificador TZ
circuitos dechaveamento
fotodetetores
demultiplexadoróptico
não- reconfigurável
fibra óptica
FE1
Receptor Óptico Proposto
Implementação FE1
Tese de Doutoramento de S.K. Manfrin, encerrada, colaboração com a Univ. Roma, Tor Vergata
Murilo Araujo Romero, Ph.D.USPUSP São Carlos
Resultados
0,1 1 100
5
10
15
S 51on
[dB
]
freqüência [GHz]
Canal 1, FE2: (Ch 1) saída chaveada, (Ch 2) sinal de entrada de1 GHz e (Ch 3) sinal de controle de aproximadamente 10 MHz. Base de tempo do osciloscópio de 5 ns/div.
Resposta em Frequência
Trabalhos apresentados na European Microwave Week de 2001 (versão 4 x 1) e 2002 (versão 16 x 1)“An Improved Electronic Selector Circuit for WDM Optical Receivers in Packet-Switched PON Networks”, Microwave and Optical Technology Letters, Setembro 2004.
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 25USPUSP São Carlos
CONCLUSÕES
• Redes Ópticas Passivas (PONs), são a plataforma ideal para implementação de esquemas FTTH/FTTP.
• No momento, o padrão EPON (IEEE) é dominante mas o padrão GPON vêm ganhando terreno rapidamente no eixo EUA/Europa.
• Tendências para os próximos 5 anos: - upgrade de ambos os padrões para 10 Gbits/s, já em estudo.
- Aumento da distância coberta e taxa de divisão óptica, com provável necessidade da introdução de amplificadores ópticos: busca-se consolidar os equipamentos terminais empregados, com redução de CAPEX e OPEX.
- Coexistência progressiva das redes TDM-PON legadas com esquemas WDM-PON.
Murilo Araujo Romero, Ph.D. 26USPUSP São Carlos
CONTATO
Prof. Dr. Murilo A. RomeroUniversidade de São PauloEscola de Engenharia de São CarlosAv. Dr. Carlos Botelho 1465São Carlos - SP - 13564-250
Endereço Eletrônico: muriloa@sel.eesc.usp.brTelefone: (16) 3373-8140
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