Análise da Rede Óptica Passiva Baseada em Multiplexação por Divisão no Tempo como alternativa para acesso banda

larga no cenário brasileiro Rafael Jales Lima Ferreira1, Guilherme Enéas Vaz Silva12.

1Departamento de Ciência da Computação – Centro de Ensino Unificado de Teresina (CEUT) - Teresina – PI – Brasil

2Departamento de Sistemas de Informação – Faculdade das Atividades Empresariais de Teresina (FAETE) – Teresina – PI – Brasil

rafael_jales@hotmail.com, guilhermeeneas@yahoo.com.br

Abstract. This paper was analyzed an optical network architecture capable of meeting the growing demand of bandwidth required by access network users. The passive optical network based on time division multiplexing TDM-PON was investigated considering aspects such as transmitters power, number of users and distance. The analysis aims to facilitate the choice of next-generation optical access. Resumo. Neste artigo foi analisada uma arquitetura de rede óptica capaz de atender a crescente demanda de largura de banda exigida pelos usuários de redes de acesso. A rede óptica passiva baseada em multiplexação por divisão no tempo TDM-PON foi investigada considerando-se aspectos como potência de transmissores, número de usuários e alcance. A análise tem como objetivo facilitar a escolha da próxima geração de rede de acesso óptico considerando-se o cenário brasileiro.

1. Introdução Devido ao crescimento da internet com a sua nova variedade de serviços de vídeo, voz e dados na mesma rede, serviço denominado “triple play”, as redes de acesso, nos últimos anos, têm se tornado o maior problema (“gargalo”) das redes de telecomunicações. Podemos observar que a largura de banda exigida por usuários vem aumentando cada vez mais e as soluções aplicadas atualmente logo se tornarão ineficientes [Ilyas 2003].

Embora nos últimos anos as redes backbone tenham experimentado um crescimento considerável, pouco mudou na rede de acesso. A linha digital de assinante (Digital Subscriber Line – DSL) e o modem a cabo (Cable Modem – CM) são as soluções banda larga mais utilizadas atualmente [Kurose and Ross, 2003]. Originalmente elas foram implantadas aproveitando-se a infraestrutura das companhias telefônicas e de TV por assinatura e, dessa forma, chegaram no limite da sua capacidade de transmissão de dados. Inicialmente chamadas de redes de “última milha”, as redes de acesso passaram a ser chamadas de redes de “primeira milha”, de forma a exaltar a importância que tem ganho pela comunidade acadêmica [Kramer and Pesavento 2006]. Nesse contexto, as fibras ópticas surgem como uma boa alternativa para atender o aumento de demanda das redes de acesso. Devido à sua alta largura de banda, as fibras ópticas têm sido tradicionalmente

usadas como meio físico para transmissão de dados em MANs e WANs [Dixit 2003]. Os elevados custos dos equipamentos ópticos não são um problema, já que estas redes chegam a conectar milhões de usuários. Com o surgimento de novos serviços e o aumento na demanda por largura de banda de clientes residenciais e empresas, a fibra óptica tem chegado cada vez mais próxima dos usuários. Tendo em vista que as redes de acesso geralmente conectam algumas dezenas ou centenas de usuários, a implantação da fibra nestas redes torna-se mais cara. As redes ópticas de acesso podem ser classificadas em duas categorias de acordo com a distribuição dos cabos ópticos: a arquitetura ponto-a-ponto e a ponto- multiponto. Na topologia física ponto-a-ponto, o número de fibras é igual ao número de usuários, o que torna mais difícil a instalação e manutenção, portanto, inapropriada para desenvolvimento em massa. Na arquitetura ponto-multiponto, diversos usuários compartillham uma fibra até um nó remoto (Remote Node – RN), a partir do qual cada cliente dispõe do seu próprio enlace óptico. O RN pode ser passivo ou ativo, dependendo se é eletricamente alimentado ou não. Se requerer suprimento de energia, a arquitetura é chamada de Rede Óptica Ativa (Active Optical Network – AON). Caso contrário, a arquitetura recebe o nome de Rede Óptica Passiva (Passive Optical Network – PON). As PONs foram inicialmente desenvolvidas na década de 80 [Stern 1988] como um método financeiramente viável de compartilhamento da infraestrutura de fibra para prover telefonia a empresas. PONs são mais vantajosas do que as AONs em termos de instalação, operação, manutenção da rede e possibilidade de upgrade [Effenberger 2007]. A planta externa de uma rede óptica passiva implica em menor gasto de capital já que não há componentes elétricos no campo, tais como switches Ethernet ou amplificadores. Gastos operacionais também são reduzidos na PON, tendo em vista que não há necessidade dos operadores proverem e monitorarem a energia elétrica no campo ou manterem baterias reservas. Adicionalmente, componentes elétricos são passíveis de falha, preocupação adicional que se deve ter com AONs. Desta forma, as redes de acesso estudadas neste trabalho serão as redes ópticas passivas. Nas PONs, o Terminal de Linha Óptica (Optical Line Terminal - OLT), localizado na central do provedor de serviço (Central Office – CO), é conectado a várias Unidades de Rede Óptica (Optical Network Units - ONUs) através de um ou vários divisores ópticos, splitters, que estão localizados dentro do RN. Atualmente, a solução de acesso óptico mais difundida no mundo é a PON baseada em multiplexação por divisão no tempo (Time Division Multiplexing – TDM-PON) [Mukherjee 2006], a qual combina a alta capacidade oferecida pelas fibras ópticas com o baixo custo na instalação e manutenção da infraestrutura passiva. Muitos países têm adotado a primeira geração de TDM-PONs, que fornece taxas de dados para downstream de até 1,25 Gbps [Abrams 2005]. Tendo isso em vista, este artigo busca mostrar o estado-da-arte das redes TDM-PON, que ainda são muito pouco exploradas no cenário brasileiro. Buscamos aqui fazer uma análise da rede levando-se em consideração aspectos como potência de transmissores, número de usuários e alcance. A continuação do artigo está organizada da seguinte forma: na seção 2 é feito um estudo sobre TDM-PON e na seção 3 discute-se sobre os Resultados encontrados na simulação. A rede foi analisada com auxílio do software OptiSystem 9, da empresa Optiwave. A seção 4 apresenta as conclusões obtidas.

2. TDM-PON Nos últimos anos as operadoras de telecomunicações tem mostrado um grande interesse em fornecer aos clientes residenciais diversos serviços que requerem grande largura de banda. Como exemplo, podemos citar TV em alta definição, jogos on line interativos, esquemas de vigilância on line, educação a distância, entre outros. Para isso, é necessário utilizar fibras ópticas. A Figura 1 mostra uma das configurações mais utilizadas para implementação de uma Rede Óptica Passiva: a topologia em árvore.

As redes ópticas passivas são compostas por fibras ópticas e diversos dispositivos ópticos e sistemas, como ONUs, OLTs, filtros, divisores passivos e lasers. Assim como podemos observar na ilustração abaixo.

Figura 1. Estrutura de uma rede óptica passiva

OLT: O Terminal de Linha Óptica está localizado na central, constituindo-se em porta de enlace entre a rede de acesso e a rede metropolitana. Ele controla e administra a transmissão das ONUs e utiliza um receptor que opera em modo rajada (rajadas são conjuntos de bits vindo de uma determinada ONU). Portanto, é preciso controlar os diferentes níveis de amplitude do sinal, já que as ONUs estão localizadas em distâncias diferentes do OLT (Kramer and Pesavento 2002). ONU: A função principal da Unidade de Rede Óptica é fornecer acesso aos usuários concentrando o tráfego até que possa transmiti-los. Quando o OLT envia mensagens em broadcast, as ONUs reconhecem apenas mensagens destinadas à ela e ignoram as demais. Outra funcionalidade importante é a conversão do sinal óptico em elétrico para os dispositivos padrões, como telefones, computadores e outros equipamentos de aplicação do usuário final (Santos and Rossi and César 2009). Dependendo da disposição das ONUs, podemos ter o chamado modelo FTTx, descrito abaixo e ilustrado na Figura 2.

• Fibra até a residência (Fiber to the Home – FTTH), • Fibra até o prédio (Fiber to the Building – FTTB), • Fibra até o meio fio (Fiber to the Curb – FTTC) e • Fibra até o armário (Fiber to the Cabinet - FTTCab)

Figura 2. Esquemas FTTx (FTTH, FTTB, FTTC e FTTCab) sendo empregados como uma rede convergente de vídeo, voz e dados

Nos dois últimos casos, FTTC e FTTCab, a ONU recebe alternativamente a denominação de terminal de rede óptica (Optical Network Terminal – ONT). Com a ilustração acima, podemos perceber também claramente a PON utilizada como a rede convergente de vídeo, voz e dados, triple-play, sendo mais baratos ao usuário do que se fossem adquiridos separadamente. Divisor Óptico Passivo (Splitter): É um dispositivo passivo capaz de combinar e dividir o sinal óptico: No sentido downstream este dispositivo irá dividir o sinal de entrada e o direciona para todas as portas de saída que estão ligadas com as ONUs, assim como mostramos na Figura 3, ou seja, a transmissão irá ocorrer em modo broadcasting, sendo que cada ONU recebe toda a informação provida pelo OLT e filtra os dados que lhes são destinados, como pode ser visto na figura abaixo . Precauções relativas à segurança, tais como a criptografia, devem ser tomadas para garantir que usuários mal intencionados não tenham acesso a toda informação da rede. A faixa de comprimento de onda utilizada nesse sentido de tráfego varia entre 1480nm a 1500nm.

Figura 3. Esquema de downstream de uma rede TDM-PON

!

"#$%&' ()*+ ,-.%/0'- "112 3"1145 "1165 "117 / "117'89 -/:;< /0=&/$';<- ><0<%0' &/;/ ><:?/&$/:@/ ;/ ?A;/<5 ?<B / ;';<- CDEF

'@G H<I/ =<& $&%=<- ;/ =/-.%#-';<&/- / =/J' =&K=&#' #:;L-@&#') M< >'=A@%J< N O/BP-/ %0'

':QJ#-/ 0'#- =&<O%:;' -<8&/ @<=<J<$#'- &/>/:@/- ;/&#?';'- ;' RS1,M,15 '- .%'#- %@#J#B'0

@&'?'0/:@< ;/ ;#<;<- !"#$%# "'8&TPUG&<@ '@&'?G- ;' #:I/VW< ;< -#:'J ;/ XY,) Z #&'()"%$

Z=@#YT-@/0 O<# ' O/&&'0/:@' ><0=%@'>#<:'J %@#J#B';' :< /-@%;<) "#:'J0/:@/5 < >'=A@%J< [

'=&/-/:@' '- ><:>J%-\/- <8@#;'-)

Já no sentido upstream, cada ONU terá uma janela temporal pré-determinada e, durante este intervalo, poderá usar toda a largura de banda provida pelo canal óptico. O splitter, atuando como um combinador de potências, será responsável por combinar as sequências de dados e mandar as informações de todos os usuários ao CO. O esquema descrito está ilustrado na Figura 4. O OLT é responsável por alocar as janelas temporais de cada usuário, com intuito de evitar colisões no tráfego de upstream. De forma complementar, as ONUs devem negociar com o OLT quando elas podem transmitir seus dados, levando-se em consideração as diferentes distâncias que podem haver entre elas. A faixa de comprimento de onda utilizada no upstream varia entre 1260nm e 1360nm.

Figura 4. Esquema de upstream de uma rede TDM-PON

As tecnologias TDM-PON mais utilizadas atualmente são: Broadband PON (BPON) [ITU G.983], conhecida anteriormente como ATM-PON; Ethernet PON (EPON) [IEEE 802.3ah]; e Gigabit PON (GPON) [ITU G.984].

3. Resultados A ferramenta utilizada nas simulações foi o software OptiSystem 9 da empresa Optiwave Systems Inc. [OptiSystem 2011]. Este software nos permite visualizar os sinais que são introduzidos em um analisador de BER (Bit Error Rate), obtendo-se assim a taxa de erro do sinal. No estudo de sistemas de telecomunicações, a BER é o percentual de bits com erros em relação ao número total de bits recebidos em uma transmissão, geralmente expressa como dez elevado a uma potência negativa. O analisador BER permite que o usuário calcule e visualize a BER de um sinal elétrico automaticamente. Apesar de a BER ser o principal parâmetro para a análise da qualidade de um canal digital, esta pode ser complementada no diagnóstico de problemas por outros parâmetros, tais como, fator Q, razão de extinção do sinal, potência óptica dos canais, entre outros. O software inclui ainda um analisador de diagrama de olho, como podemos observar na Figura 5. Observe que no exemplo mostrado, o “olho está bem aberto”, indicando a boa qualidade na transmissão do sinal. Mais informações sobre o diagrama de olho podem ser encontradas em [Agrawal 1997].

Figura 5. Diagrama de Olho calculado pelo analisador do OptiSystem

Na rede simulada, o OLT é conectado a 32 ONUs através de um divisor óptico passivo. Nele é utilizado um laser DFB (Distributed FeedBack) com comprimento de onda 1490nm, modulação NRZ (não retorno a zero), sendo que ao gerador de sequência de bit pseudo-randômico (PRBS) foram atribuídos 28 bits. Na ONU, para o upstream, um laser semelhante em 1310nm. A distância entre o OLT e a ONU é de 20Km. Os valores de atenuação e dispersão na fibra bidirecional para a banda de 1550nm foram de 0,2 dB/Km e 16,75 ps/(nm.km), respectivamente. Para a banda de 1310nm, utilizada para o upstream, a atenuação e dispersão foram 0,5 dB/Km e 0 ps/(nm.km), respectivamente. Foram utilizadas as taxas de bit de 1,25Gbps, 2,5Gbps e 10Gbps. Como já explicado, redes TDM-PON compartilham a largura de banda no tempo, dessa forma enviando-se 1,25Gbps para 32 ONUs tem-se como taxa individual 40Mbps. O splitter localizado no RN possui perda por inserção de 1,5dB (valor compatível com dispositivos disponibilizados no mercado [Furukawa 2011], [Neophotonics 2011]). Esse dispositivo divide a potência no sentido downstream, tornando o requerimento da potência enviada pelo OLT elevado, como pode ser observado na Figura 6. Para obter-se uma taxa de erro de 10-12 (valor típico recomendado atualmente para transmissão livre de erro) com a taxa de 1,25Gbps, a potência enviada no transmissor do OLT necessita ser pouco menor que -1dBm, enquanto que para obter-se essa mesma taxa de erro a 2,5Gbps a potência no OLT deve ser cerca de 0,5dBm. De forma previsível, uma maior taxa requer uma maior potência.

Figura 6. Varredura de potências no sentido downstream para uma rede TDM-PON em 20Km.

A Figura 7 ilustra como é tratada a questão do compartilhamento de tempo no sentido upstream, onde cada um dos 32 canais recebe uma janela temporal, e o splitter, atuando como um combinador de potência, é o responsável por juntar toda a informação e enviá-la ao OLT. De forma a verificar os resultados encontrados, foi realizado o orçamento de potência, que está mostrado na Tabela 1 (para melhor entendimento do orçamento, recorra à Fig. 3). Considerando uma potência transmitida pelo OLT é de -1,59 dBm, a potência que entra no splitter, no sentido downstream é de -5,59 dBm, resultado da atenuação sofrida em 20 km de fibra (0,2 dB/Km). A potência de saída no splitter será de -22,14, valor medido devido à perda de inserção do dispositivo é de 16,5dBm, sendo 15 dB devido aos acopladores e mais 1,5 devido a perda intrínseca do dispositivo (gerada pelos conectores, por exemplo).

Tabela 1. Orçamento de Potência para splitter de 32 portas

Potência transmitida pela OLT

Potência na saída da fibra

Potência na saída do splitter

BER na ONU

-1,59 dBm -5,59 dBm -22,14 dBm 9,00x10-6

Figura 7. Visualizador Óptico no Domínio do Tempo (OTDV) na saída (a) da ONU1, (b) da ONU12 e (c) do splitter

A estrutura da rede no sentido upstream é a mesma do sentido downstream descrito anteriormente, no qual cada ONU vai estar conectado a uma porta do splitter, que irá enviar as informações para o OLT. Cada ONU vai possuir um laser semelhante ao da OLT, operando em um mesmo comprimento de onda de 1310nm, cada laser irá transmitir em um slot de tempo diferente assim como observamos na Figura 7, onde a ONU 1 envia em um intervalo de tempo x, enquanto a ONU 10 envia em um outro intervalo de tempo y. Com isso podemos analisar na Figura 8, na qual as curvas mostram as taxas de erro para as potências enviadas pelas ONUs com diferentes taxas de transmissão. Em 622 Mbps, por exemplo, a taxa de erro 8,07x10-12 é obtida com uma potência em torno de 5,5 dBm. Já a uma taxa de 155 Mbps para obter uma taxa de erro de 1,95x10-12 é necessário um potência de 2,5 dBm. Dividindo-se a taxa de 622Mbps entre 32 usuários, a taxa individual fica pouco menor do que 20Mbps, valor inferior ao downstream. Entretanto, a imensa maioria dos serviços requer uma taxa de upstream menor do que a de downstream, e, dessa forma, a demanda seria satisfeita. O padrão ITU-T G.984 define algumas classes de redes PON de acordo com a perda na fibra, potência enviada, sensibilidade do receptor e BER estipulada. Elas são chamadas de Classe A, Classe B e Classe C. Vamos analisar o comportamento da rede em cada uma dessas.

Figura 8. Taxas de erro como função da potência no sentido upstream

A potência máxima de um transmissor no OLT a uma taxa de 1,25 Gbps definida para a Classe A é de 1dBm. Para avaliar o alcance da rede TDM-PON, fez-se uma varredura de distâncias com os lasers do OLT operando a 1 dBm. Já a uma taxa de 2,5Gbps a potência máxima é de 4 dBm. Os resultados estão mostrados na Figura 9.

Figura 9. Varredura de distâncias para potências de 1dBm e 4dBm

Podemos observar na Figura 9, considerando o valor da BER a 10-12 e a uma taxa de 2,5 Gbps, por exemplo, pode-se alcançar uma distância de aproximadamente 25 Km. As simulações foram feitas considerando-se o sentido downstream. Agora analisaremos uma rede de Classe B, onde sua potência máxima utilizada é de 9 dBm, a uma taxa de dados e 2,5 Gbps. Como podemos ver na Figura 10, para uma taxa de erro de 10-12 e uma potência de 4 dBm conseguimos obter uma distancia de 50 Km, que por sinal é maior do que a distância obtida na rede de classe A. Já a uma taxa de dados de 1,25 Gbps a potência máxima de um rede classe B é de 6 dBm.

Figura 10. Varreduras de distancias para potência de 6 dBm e 9dBm.

Já em uma rede de classe C as potências utilizada são: - 9 dBm a uma taxa de dados de 1,25 Gbps, no sentido downstream. - 7 dBm a uma taxa de dados de 2,5 Gbps, no sentido downstream. De acordo com a Figura 11, a uma taxa de 1,25 Gbps e operando a uma potência de 9 dBm, a uma taxa de erro de 10-12, em um rede de classe C, conseguimos alcançar uma distância de 55 Km. O gráfico foi construído para o downstream, dessa forma é importante ressaltar que para o upstream deve-se levar em consideração que o valor da atenuação é maior (banda de 1300nm), logo o alcance seria reduzido. Pode-se observar que os efeitos não lineares não influenciaram no comportamento dos canais.

Figura 11. Varreduras de distâncias com potências de 7dBm e 9dBm.

4. Conclusão A fibra óptica certamente será a solução para as redes de acesso e este trabalho fornece subsídios para evidenciar isso. Dentre as possibilidades com fibra, as redes ópticas passivas reúnem vantagens que as tornam mais viáveis do que as redes ópticas ativas. Neste trabalho foi abordado a tecnologia de rede de acesso TDM-PON, solução óptica mais difundida no mundo atualmente. Ela oferece como vantagem proporcionar taxas de tráfego ascendente e descendente mais altas do que em relação a DSL e modem a cabo, o que garante a capacidade de suportar uma maior variedade de serviços. Aspectos relativos a taxas de transmissão, potência nos transmissores e distância foram analisados com o auxílio da ferramenta OptiSystem. Incluímos no trabalho uma discussão a respeito da rede PON em suas várias classes, algo pouco explorado na análise desse tipo de redes. O artigo buscou elucidar, de forma ampla, características das redes TDM-PON como forma de incentivo a sua implantação. Alguns países asiáticos têm adotado outra alternativa de redes PON: as redes baseadas em Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM-PON). Acreditamos, entretanto, que o Brasil deve investir primeiramente em uma alternativa que consiga suprir a atual demanda da Internet. Futuramente, com a infraestrutura óptica bem consolidada para redes de acesso, na qual sugerimos a tecnologia TDM-PON, o país poderia investir em uma migração suave para redes ópticas mais robustas, como por exemplo a WDM-PON. Um argumento concreto para a implantação inicial das redes TDM-PON é que elas são capazes de suprir a atual demanda a um custo viável (item decisivo para estímulo às empresas de telecomunicações).

Referências Agrawal, G. P. Fiber-Optic Communication Systems, Joinery & Sons, Inc, second

edition, 1997. Biswanath Mukherjee, Optical WDM Networks, Springer – Verlag New York, Inc.,

Secaucus, NJ, 2006. F. Effenberger, D. Cleary, O. Haran, G. Kramer et al., "An Introduction to PON

Technologies", IEEE Communications Magazine, março de 2007. ITU G.984 Recommendations. ITU G.983 Recommendations. IEEE Standard 802.3ah. J. Halpern and G. Garceau, Fiber: Revolutionizing the Bell’s Telecom Net- works. New

York: Bernstein/Telcordia Technologies Study, May 2004. K. Iwatsuki and J.-i. Kani, "Applications and Technical Issues of Wavelength-Division

Multiplexing Passive Optical Networks With Colorless Optical Network Units [Invited]," J. Opt. Commun. Netw., vol. 1, N. 4, Setembro de 2009.

Kramer, Glen; Pesavento, Gerry. Ethernet Passive Optical Network (EPON): Building a Next-Generation Optical Access Network, IEEE Communications Magazine, vol. 40, pp. 66-73, fevereiro de 2002.

Mark Abrams, Philippe C. Becker,Y. Fujimoto, Vincent O’Byrne, and David Piehler, "FTTP Deployments in the United States and Japan - Equipment Choices and Service Provider Imperatives," J. Lightwave Technol. 23, 2005.

Mohammad Ilyas, Hussein T. Mouftah: “The Handbook of Optical Communication Networks”, CRC Press, 2003.

NeoPhotonics, www.neophotonics.com. Acesso em: 9 de março de 2011. OptiSystem 9, http://www.optiwave.com. Acesso em: 7 de agosto de 2011. Santos a. F; rossi s. M; césar a. C. Algoritmo de Alocação Dinâmica de Banda para

Rede Óptica de Acesso GPON, XXVII Simpósio Brasileiro de Telecomunicações, ISBN 978-85-89748-05-6, Blumenau – SC, de 29 de setembro a 02 de outubro de 2009.

Sudhir Dixit, “IP Over WDM: building the next-generation optical internet”, Wiley-Interscience, New York, NY, 2003.

The Furukawa Electric, http://www.furukawa.co.jp. Acesso em: 9 de março de 2011. X. Cheng et al., “Characterization of Fabry-Pérot laser diodes injection locked by

spectrum sliced ASE noise in WDM-PON,” Opt. Fiber Technol., vol. 15, pp. 161-164, Março de 2009.

10Gb/s Ethernet Passive Optical Network, IEEE P802.3av Task Force. Disponível em IEEE Standard 802.3ah.