estudo da aplicaÇÃo de conversores de comprimento …

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE CAMPINAS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, AMBIENTAIS E DE

TECNOLOGIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM

ENGENHARIA ELÉTRICA

EDSON JOSÉ GONÇALVES

ESTUDO DA APLICAÇÃO DE CONVERSORES DE COMPRIMENTO DE ONDA TOTALMENTE ÓPTICO

PARA REDE ÓPTICA ELÁSTICA

CAMPINAS 2019

EDSON JOSÉ GONÇALVES

ESTUDO DA APLICAÇÃO DE CONVERSORES DE

COMPRIMENTO DE ONDA TOTALMENTE ÓPTICO

PARA REDE ÓPTICA ELÁSTICA

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Elétrica do Centro de Ciências Exatas, Ambientais e de Tecnologias da Pontifícia Universidade Católica de Campinas como requisito para obtenção do título de Mestre em Gestão de Redes de Telecomunicações.

Orientadora: Prof.ª Dra. Indayara Bertoldi Martins Co orientador: Prof. Dr. Eric Alberto de Mello Fagotto

PUC-CAMPINAS 2019

Ficha catalográfica elaborada por Vanessa da Silveira CRB 8/8423 Sistema de Bibliotecas e Informação - SBI - PUC-Campinas

621.3 Gonçalves, Edson José. G635e Estudo da aplicação de conversores de comprimento de onda totalmente óptico para rede óptica elástica / Edson José Gonçalves. - Campi- nas: PUC-Campinas, 2019. 88. f.: il.

Orientador: Indayara Bertoldi Martins. Dissertação (Mestrado em Gestão de Redes de Telecomunicações) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro Ciências Exatas, Ambientais e de Tecnologias, Pontifícia Universidade Católica de Campinas, Campinas, 2019.

Incluem anexos e bibliografias.

1. Engenharia elétrica. 2. Fibras óticas. 3. Redes de computadores. 4. Sistemas de telecomunicação. I. Martins, Indayara Bertoldi. II. Pontifícia Universidade Católica de Campinas. Centro de Ciências Exatas, Ambien-tais e de Tecnologias. Programa de Pós-Graduação em Engenharia elé-trica. III. Título.

CDD - 22. ed. 621.3

Pontifícia Universidade Católica de Campinas

Centro de Ciências Exatas, Ambientais e de Tecnologias

Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Elétrica

Autor: GONÇALVES, Edson José

Título: Estudo da aplicação de conversores de comprimento de onda totalmente

óptico para rede óptica elástica

Dissertação de Mestrado Profissional em Gestão de Redes de

Telecomunicações

BANCA EXAMINADORA

Presidente e Orientadora Profa. Dra. Indayara Bertoli Martins

1º Examinador Prof. Dr. Marcius Fabius Henriques de Carvalho

2º Examinador Prof. Dr. André Luiz Aguiar da Costa

Campinas, 27 de junho de 2019.

Dedico aos meus pais José Gonçalves e Dyrce Maria (in memoriam),

à minha amada esposa Fada Litaiff, às minhas filhas Juliana Castro,

Mariana Castro e Marcelle Castro, e a todos os amigos e colegas

que contribuíram para conclusão de mais essa importante etapa de minha vida.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente, agradeço à minha querida esposa, Fada Litaiff, que foi o apoio fundamental para a realização desse trabalho e à minha querida família, em especial meus amados pais, as minhas filhas e meus irmãos, que foram essenciais para construção de valores e a integridade que preservo em meu caráter.

A Professora Doutora Indayara B. Martins pela orientação e todo o apoio, com braço forte e mão amiga, para realização do curso e deste trabalho.

E a todos os professores que ministraram as aulas para o curso de Mestrado Profissional em Gestão de Redes de Telecomunicações do Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Elétrica da PUC Campinas.

Aos companheiros de turma pela deliciosa convivência em sala de aula e fora dela e por compartilharem de valorosas visões e lições de vida e ao amigo Alberto Lotito.

A vida é como a matemática, criamos raízes que o mundo tenta subtrair de nós,

porém o que é somado de bom nos ajudará a ter a solução exata do que precisamos.

Ester Menezes

RESUMO

GONÇALVES, Edson José. Estudo da aplicação de conversores de comprimento de onda totalmente óptico para rede óptica elástica. 2019. Dissertação (Mestrado Profissional em Gestão de Redes de Telecomunicações) - Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Elétrica, Pontifícia Universidade Católica de Campinas, Campinas, 2019. No paradigma das Redes Ópticas Elásticas (EON), além do problema de roteamento e alocação de comprimento de onda (RWA), há também o problema do roteamento e alocação de espectro (RSA), uma vez que a alocação espectral adaptativa requer continuidade dos comprimentos de onda em cada rota. Caso contrário, conexões podem ser bloqueadas devido à alta fragmentação do espectro e/ou à indisponibilidade de comprimentos de onda. No entanto, estes problemas podem ser mitigados se houver a conversão de comprimento de onda nos nós da rede. As investigações deste trabalho estão relacionadas com a avaliação comparativa de parâmetros, tais como a taxa de erro de bit/símbolo (BER/SER) e a largura de banda alocada em uma EON convencional, sem a aplicação dos CCO, e em uma EON, com a aplicação de CCO. Estudos relacionados ao impacto desta aplicação, ou seja, do CCO em cascata em sistemas multicanais, avaliando a qualidade do sinal (BER/SER), são um dos principais pontos investigados. A utilização deste dispositivo (CCO) baseado na FWM em guia de fibra óptica altamente não linear (HNLF) já vem sendo investigada, tanto para a amplificação quanto para a conversão de comprimento de onda totalmente óptico para as redes que utilizam a multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM). Os resultados deste trabalho visam contribuir para a construção de um sistema completamente fotônico, livre de conversões opto-eletro-ópticas (O-E-O), mais flexível e adaptado para aplicar critérios de alocação de espectro em redes EONs. Os resultados foram obtidos por meio de simulações computacionais utilizando o VPItransmissionMaker™Optical Systems. Palavras-chave: Redes ópticas elásticas. Conversor totalmente óptico. Mistura de quatro ondas. Fibra óptica. Formatos de modulação avançados de sinais.

ABSTRACT

GONÇALVES, Edson José. Study of the Application of fully Optical Wavelength Converters for Elastic Optical Network. 2019. Dissertation (Master in Telecommunications Management Networks) - Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Elétrica, Pontifícia Universidade Católica de Campinas, Campinas, 2019. In the elastic optical networks (EON) paradigm, in addition to the RWA problem, there is also the problem of spectrum routing and allocation (RSA), since adaptive spectral allocation requires continuity of the lengths on each route. Otherwise, connections may be blocked due to high spectral fragmentation and / or wavelength unavailability. However, these problems can be mitigated if there is an optical wavelength conversion on the network nodes. The investigations of this work will be related to the comparative evaluation of parameters such as bit/symbol error rate (BER/SER) and the bandwidth allocated in a conventional EON, without the application of AWOC, and in an EON, with the application of AWOC. Studies relating to the impact of this application, i.e., of cascaded AWOC in multichannel systems, in multichannel systems (BER/SER), are one of the main points to be investigated. The use of this device AWOC – based in FWM in a highly non-linear optical fiber guide (HNLF) – has already been investigated, both for amplification and for the conversion of wavelengths totally optical for networks using wavelength division multiplexing (WDM). The results of this work aim to contribute to the construction of a completely photonic system, free of opto-electro-optical (O-E-O) conversions, more flexible and adapted to apply spectrum allocation criteria in EONs networks. The results obtained through computational simulations using VPItransmissionMaker™Optical Systems. Keywords: Elastic Optical Network, All-Optical Wavelength Converter, Four Wave Mixing, Optical Fiber, Advanced signal Modulation Formats.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1: CARACTERÍSTICA DE ATENUAÇÃO VS. COMPRIMENTO DE ONDA EM FIBRA ÓPTICA UTILIZADAS EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS. ........................................................... 27 FIGURA 2: ESTRUTURA BÁSICA DE UM SISTEMA WDM. ............................................................ 28 FIGURA 3: CLASSIFICAÇÃO 1R, 2 R, 3R E 4R DOS SINAIS......................................................... 31 FIGURA 4: REDE HIPOTÉTICA WDM/ROADM COM CONVERSÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA NO ROADM (F). ......................................................................................................................... 32 FIGURA 5: DIAGRAMA EM BLOCOS DE UMA UNIDADE WSS. ....................................................... 34 FIGURA 6: ALOCAÇÃO DE ESPECTRO PARA CANAIS DE GRADE FLEXÍVEL – REC. G 694.1ITU-T. .. 35 FIGURA 7: BLOQUEIO DE COMPRIMENTO DE ONDA DEVIDO À FALTA DE CONTINUIDADE E CONTIGUIDADE ESPECTRAL. ................................................................................................... 40 FIGURA 8: CONVERSÃO BASEADA EM FWM (CONSEQUÊNCIA DA AMPLIFICAÇÃO PARAMÉTRICA). 42 FIGURA 9:CONVERSÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA EM DOIS ESTÁGIOS DENTRO DA BANDA C. ... 43 FIGURA 10: CONVERSÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA ENTRE QUATRO NÓS DE REDE.................. 43 FIGURA 11: CONFIGURAÇÃO BÁSICA DA ARQUITETURA BACK TO BACK. ..................................... 45 FIGURA 12: RESULTADOS DA SER NA CONFIGURAÇÃO BACK TO BACK. ..................................... 46 FIGURA 13: RESULTADO DA SER NA CONFIGURAÇÃO BACK TO BACK VARIANDO A OSNR E POTÊNCIA DE RECEPÇÃO PARA O CANAL CH (N-1). .................................................................. 47 FIGURA 14: RESULTADO DA SER NA CONFIGURAÇÃO BACK TO BACK VARIANDO A OSNR E POTÊNCIA DE RECEPÇÃO PARA O CANAL CH N. ....................................................................... 48 FIGURA 15: RESULTADO DA SER NA CONFIGURAÇÃO BACK TO BACK VARIANDO A OSNR E POTÊNCIA DE RECEPÇÃO PARA O CANAL CH (N+1). ................................................................. 49 FIGURA 16: DIAGRAMA DO SETUP DO CONVERSOR. ................................................................. 50 FIGURA 17: MAPA TEMPORAL DE FREQUÊNCIA DO CONVERSOR PARAMÉTRICO. ......................... 51 FIGURA 18: RESULTADO DA SER DO CANAL CH (N): (A) 1ª CONVERSÃO, (B) 2ª CONVERSÃO, (C) 3ª CONVERSÃO, (D) 4ª CONVERSÃO E (E) 5ª CONVERSÃO. ............................................................. 53 FIGURA 19: RESULTADO DA SER DO CANAL CH (N-1): (A) 1ª CONVERSÃO, (B) 2ª CONVERSÃO, (C) 3ª CONVERSÃO, (D) 4ª CONVERSÃO E (E) 5ª O CONVERSÃO. ...................................................... 56 FIGURA 20: RESULTADO DA SER DO CANAL CH (N+1): (A) 1ª CONVERSÃO, (B) 2ª CONVERSÃO, (C) 3ª CONVERSÃO, (D) 4ª CONVERSÃO E (E) 5ª O CONVERSÃO. ...................................................... 59 FIGURA 21: ESPAÇAMENTO ENTRE CANAIS DE 37,5 GHZ; POTÊNCIA DE RECEPÇÃO (PRX): -15 DBM E OSNR: 26 DB/0,1NM. ......................................................................................................... 62 FIGURA 22: ESPAÇAMENTO ENTRE CANAIS DE 43,75 GHZ; POTÊNCIA DE RECEPÇÃO (PRX): -15 DBM E OSNR: 26 DB/0,1NM. ................................................................................................. 67 FIGURA 23: ESPAÇAMENTO ENTRE CANAIS DE 50 GHZ; POTÊNCIA DE RECEPÇÃO (PRX): -15 DBM E OSNR: 26 DB/0,1NM. ......................................................................................................... 72 FIGURA 24: REDE ÓPTICA DE REFERÊNCIA NFSNET. .............................................................. 85 FIGURA 25: REDE ÓPTICA DE REFERÊNCIA “GERMAN NETWORK”. ............................................. 86 FIGURA 26: REDE PAN-EUROPEIA (EUROPE OPTICAL NETWORK - EON) DEFINIDA NO PROJETO EUROPEU COST 266. ............................................................................................................ 86

LISTA DE TABELAS TABELA 1: REQUERIMENTO DE BANDA PARA ALOCAÇÃO DE UM SINAL EM 56 GBPS (VALORES TEÓRICOS). ........................................................................................................................... 38 TABELA 2: PARÂMETROS DE TOPOLOGIA DE REDE. .................................................................. 44 TABELA 3: CARACTERÍSTICAS DO BOMBEIO E FIBRA ÓPTICA. .................................................... 51 TABELA 4: RESULTADOS REFERENTE AO BLOQUEIO. ............................................................... 87

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

4G 4ª Geração de tecnologia de celular

5G 5ª Geração de tecnologia de celular

AOWC All-Optical Wavelength Conversion

BER Bit Error Ratio

BPNN Back Propagation Neural Network

BWC Broadband Wavelength Converter

CCO Conversor de Comprimento de Onda Totalmente Óptico

CD/C Colorless Directionless and/or Contentionless

CDC-F Colorless, Directionless, Contentionless, Flexible Grid

CHRON Cognitive Heterogeneous Reconfigurable Optical Netework

CW Continuous Wave

DFG Difference Frequency Generation

DPSK Differential Phase Shift Keying

DSF Dispersion-Shifted Fiber

DSP Processamento Digital de Sinais

EDFA Amplificador à fibra óptica dopada com érbio

EON Rede Óptica Elástica

FEC Forward Error Correction

FOPA Fiber Optical Amplifier Parameter

FSU Unidade de slot de frequência

HNLF Fibra óptica altamente não linear

IoT Internet das coisas

IP Internet Protocol

IPoWDM IP sobre WDM

M-QAM M-ary Quadrature Amplitude Modulation

M-QPSK M-ary Phase Shift Keying

M2M Máquina-a-máquina

MF Multicore Fiber

MMF Fibra óptica multímodo

MSC MultiCast Switch

NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted Fiber

OEO opto-eletro-óptica

OFDM Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais

OOK-NRZ On-Off Keying - Nonreturn-to-Zero

OOK-RZ On-Off Keying - Return-to-Zero

OPA Optical Parametric Amplifiers

OSA Analisador de Espectro Óptico

OSNR Optical Signal Noise Ratio

OT Optical Transponder

OTTM Onion Tidal Traffic Model

PD-RSA Pre-Detour RSA

PDK-RSA Pre-Detour K-shortest paths RSA

PDM-QAM Polarization-Division Multiplexing - Quadrature Amplitude Modulation

PM-8QAM Polarization Multiplexed - Eight Symbol Quadrature Amplitude

Modulation

PM-QPSK Polarization Multiplexed - Quadrature Phase Shift Keying

RMSA Roteamento, Modulação e atribuição de espectro

ROADM Multiplexador Add/Drop Óptico Reconfigurável

RSA Roteamento e atribuição de espectro

RWA Roteamento e atribuição de comprimento de onda

SDM Multiplexação por divisão do espaço

SER Taxa de erro de símbolo

SLA Service Level Agreement

SLICE Spectrum-Sliced Elastic Optical

SMF Fibra óptica monomodo

SOA Amplificador óptico semicondutor

SPM Self-phase Modulation - Auto Modulação de Fase

VNI Visual Networking Index

WC Conversor de comprimento de onda

Wi-Fi Wireless Fidelity

WSS Wavelength-Seletive Switch

XGM Cross-Gain Modulation - Modulação Cruzada de Ganho

XPM Cross Phase Modulation - Modulação Cruzada de Fase

FWM Mistura de quatro ondas

FPF Filtro passa-faixa

QoT Qualidade de transmissão

LISTA DE SÍMBOLOS

γ Coeficiente não linear da fibra óptica ε Eficiência espectral α Atenuação óptica ω Frequência angular Comprimento de onda

c velocidade da luz

SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 15

1.1. Objetivos e procedimentos ....................................................................................................... 19 1.2. Motivação ................................................................................................................................. 19 1.3. Organização do trabalho .......................................................................................................... 20

2. TRABALHOS RELACIONADOS ................................................................................................. 21 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................................... 25

3.1. Breve histórico sobre comunicações por fibras ópticas ........................................................... 25 3.2. Redes WDM ............................................................................................................................. 27 3.3. Transição para redes ópticas elásticas – EON ........................................................................ 33 3.4. Conceitos e definições EON ..................................................................................................... 36 3.5. Conversores de comprimento de onda totalmente óptico para EONs ..................................... 39

4. PROCEDIMENTOS E CONDIÇÕES DE SIMULAÇÃO DO MODELO ....................................... 45 4.1. Configuração do transmissor no modo back to back ............................................................... 45 4.2. Configuração do transmissor para diferentes níveis de OSNR e potência de recepção......... 46 4.3. Implementação do conversor de comprimento de onda na banda C, considerando sinais de

transmissão em uma EON ..................................................................................................... 49 5. RESULTADOS ............................................................................................................................. 52

5.1. Simulações e discussão ........................................................................................................... 52 5.2. Gráficos de potência de diagrama de constelação .................................................................. 61

6. CONCLUSÃO ............................................................................................................................... 77 7. TRABALHO PUBLICADO ........................................................................................................... 79 8. REFERÊNCIAS ............................................................................................................................ 80 APÊNDICE ............................................................................................................................................ 85

Apêndice A: Bloqueio .................................................................................................................... 85

C a p í t u l o 1 . I n t r o d u ç ã o | 15

1. INTRODUÇÃO

Atualmente há um crescimento exponencial da quantidade de dados

diversos, que trafegam nas redes de comunicações digitais, devido principalmente

ao aumento dos serviços de dados on-line, bem como o desenvolvimento de novas

arquiteturas de redes de acesso banda larga via cabo, fibra óptica ou sem fio

(celular 4G/5G) (DELOITTE DEVELOPMENT LLC, 2017; NOKIA, 2013).

Espera-se que o tráfego da rede na nuvem, mais que dobre a cada dois

anos e que os novos serviços e aplicativos que serão transportados por ela, exijam

requisitos de latência muito baixos, além dos demais requisitos já exigidos, tais

como segurança dos dados, confiabilidade na entrega de dados, resiliência da rede

em caso de falhas, entre outras (CISCO, 2015). Assim é desejável que a

infraestrutura destas redes da próxima geração, sejam inteligente, flexível,

escalável, automatizada, autônoma, ágil, otimizada, programável, adaptável, tendo

um baixo consumo de espectro e de energia (CIENA, 2019; YIN, 2010),

disponibilizando serviço de rede, onde e quando for necessário aos seus clientes.

Há décadas, as redes de fibra óptica constituem a infraestrutura física

básica dos grandes provedores de redes globais e, graças principalmente, à sua

alta capacidade, vêm sustentando as comunicações digitais (RAMASWAMI;

SIVARAJAN; SASAKI, 2010). Estas redes são responsáveis por estimular o

crescimento da demanda por dados, com a interligação das redes de acesso, metro

e longas distâncias e mais recentemente também de Data Centers, disponibilizando

capacidades e taxas variadas, através de seus sistemas de multiplexação por

divisão de comprimento de onda (WDM), oferecendo mais de uma centena de

canais, cada um podendo carregar taxas de dados de 10, 100, 200 e em breve 400

Gb/s e 1 Tb/s (FUJITSU NETWORK COMMUNICATIONS INC., 2013); (HUAWEI

TECHNOLOGIES CO., LTD., 2017), somando um agregado da ordem de Tb/s.

As principais inovações tecnológicas em sistemas de comunicações

ópticos, nos últimos 30 anos estão relacionadas principalmente aos desafios,

envolvendo problemas fundamentais de transmissão e transporte do sinal, em

função dos efeitos lineares e não-lineares da fibra óptica em sistemas WDM

(RAMASWAMI; SIVARAJAN; SASAKI, 2010; AGRAWAL, 2012; AZODOLMOLKY;

MIROSłAW, 2008).


Com os avanços da eletrônica, a transmissão coerente em sistemas

ópticos foi viabilizada com o processamento de sinais digitais, solucionando alguns

problemas como por exemplo a dispersão cromática e a dispersão por modos de

polarização, que foram, a partir de então, compensados eletronicamente. Logo, os

sistemas se tornaram mais complexos, devido à variedade e quantidade de

parâmetros neles ajustáveis, tais como: diversidade de métricas de roteamento, de

formatos de modulação, de taxas de transmissão, de esquemas de codificação,

entre muitos outros (WINZER; ESSIAMBRE, 2006; TORNATORE; NAG;

MUKHERJEE, 2010).

Para o futuro, um dos desafios chave em sistemas de comunicações

ópticos é o de entender como ajustar e combinar esses parâmetros de forma eficaz,

em função dos requisitos e das necessidades dos aplicativos e dos serviços que

serão transportados dentro das redes ópticas (CIENA, 2019). Nesta direção, a fim

de moldar as próximas gerações de redes inteligentes, adaptáveis e de alta

velocidade, pesquisas combinarão técnicas de Big Date, aprendizado de máquina,

teoria de grafos, óptica coerente programável com o desenvolvimento de

dispositivos totalmente fotônicos em uma camada “fotônica” reconfigurável e aberta

(CIENA, 2019; NOKIA BELL LABS, 2017; YING et al., 2017).

Dispositivos totalmente ópticos ou fotônicos já são vistos como uma

potencial solução para a evolução dos atuais e para os futuros cenários de redes

ópticas, oferecendo amplos benefícios em custo e velocidade (FAGOTTO;

MIRANDA; TOBAR, 2013; YING et al., 2017). Em particular, os dispositivos

totalmente ópticos baseados nas não linearidades de terceira ordem, tais como

ganho estimulado Raman, mistura de quadro ondas (FWM), auto modulação de

fase (SPM), modulação de fase cruzada (XPM), conjugação de fases, e absorção

de dois fótons (TPA) (RAMASWAMI; SIVARAJAN; SASAKI, 2010; AGRAWAL,

012; RADIC; MOSS; EGGLETON, 2008; MARCONI et al., 2017), oferecendo uma

alternativa interessante.

Estes fenômenos físicos gerados pelo termo da terceira ordem da

susceptibilidade elétrica têm sido a base para as aplicações em dispositivos de

processamento de sinais completamente ópticos, tais como monitoramento do

desempenho óptico (OPM), amplificação paramétrica (PA), reamplificação e

reformatação (2R) e reamplificação, reformatação e re-temporização óptica (3R),


conversores comprimentos de onda totalmente ópticos (CCOs), "bufferização"

óptica, demultiplexação e outros, tendo eles importância chave para a transmissão

dos sinais (RADIC; MOSS; EGGLETON, 2008; BOYD, 2008).

Um outro desafio na área de redes ópticas trata-se da questão do

consumo espectral na banda C e da evolução das taxas de transmissão dos sinais

ópticos. Tradicionalmente, o espectro do sinal em uma rede óptica WDM é alocado

considerando uma grade fixa de frequência de acordo com o padrão ITU-T

(International Telecommunication Union, Telecommunication Standardization

Sector ) (ITU-T, 2012). A largura espectral de um canal é especificada e portanto,

já padronizada para os dispositivos do sistema, tais como os filtros e os

multiplexadores. Assim sendo, a taxa e o formato de modulação do sinal transmitido

devem ser compatíveis com as especificações de operações destes dispositivos.

As grades fixas não permitem a alocação de sinais em altas taxas, e a modificação

do tamanho de uma grade obviamente é possível, entretanto, esta opção requer a

mudança da regulamentação de uma infraestrutura coexistente, tornando-se um

grande problema para a indústria e os sistemas legados.

Assim, devido a esta cadeia de problemas surgiu o conceito de alocação

de espectro flexível, nascendo assim as EONs, em que a grade fixa é subdividida

em slots espectrais bem mais finos, normalmente múltiplos de 6,25GHz (GERSTEL

et al., 2012).

A proposta de uma arquitetura EON é identificada através de vários

estudos (GERSTEL et al., 2012; VÍCTOR LÓPEZ; VELASCO, 2016) , como uma

boa solução para economizar banda espectral, em comparação com a tradicional

multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), permitindo a

possibilidade dos sistemas transmitirem sinais em taxas de transmissão acima de

400 Gb/s.

No paradigma atual das EONs, um dos maiores desafios é encontrar

estratégias para solucionar a contenção por comprimento de ondas e assim

oferecer continuidade e contiguidade deles para a transmissão de um sinal durante

todo o seu caminho de transporte. Nestas redes, além do problema de roteamento

e a alocação de comprimento de onda (RWA), que é similar para redes ópticas

WDM, há também o problema do roteamento e alocação do espectro (RSA), uma

vez que a alocação espectral adaptativa requer continuidade e contiguidade dos


comprimentos de onda em cada rota. Isso é sumamente importante e caso

contrário, as conexões podem ser bloqueadas devido à indisponibilidade de

comprimentos de onda e/ou à alta fragmentação do espectro (VÍCTOR LÓPEZ;

VELASCO, 2016; PAGÈS; PERELLÓ; SPADARO, 2012).

Na literatura existem algumas possíveis soluções que visam reduzir a

probabilidade de bloqueio em EONs e iremos apresentá-las mais detalhadamente

no próximo capítulo. Uma delas é através da aplicação de algoritmos de roteamento

que adotam métricas específicas normalmente baseadas em algoritmos genéticos

para encontrar rotas disponíveis para o transporte do sinal, reduzindo o desperdício

espectral (LE- CHOWICZ; WALKOWIAK, 2016; PAGÈS; PERELLÓ; SPADARO,

2012). Outra solução é através das técnicas de desfragmentação espectral em que

algoritmos são acionados em determinados momentos, visando o rearranjo da

alocação espectral do sinal de forma contínua (YIN et al., 2013; ZHANG et al., 2013;

PROIETTI et al., 2012).

Recentemente vem sendo proposto também para as EONs, a

multiplexação por divisão espacial (Space-Division Multiplexing - SDM), na qual

diferentes sinais são transmitidos em diferentes núcleos de uma fibra multinúcleo,

ou em diferentes grupos modais, no caso das fibras de poucos modos (few-

modefiber - FMF). Nesse caso, esta técnica pode ser utilizada em conjunto com

uma métrica de chaveamento, visando escalonar núcleos, quando o caminho

escolhido pelo roteamento apresentar contenda de comprimento de onda em algum

dos trechos do caminho adotado (JATOBA-NETO et al., 2017) .

A implementação de conversores de comprimentos de onda totalmente

ópticos (CCOs) também é vista como uma possível solução para mitigar ou

solucionar a probabilidade de bloqueio devido à falta de continuidade espectral na

rota de transporte de um sinal em redes ópticas em geral, tanto para sistemas WDM

e principalmente para as EONs.

Assim, inspirados nos trabalhos citados acima e nos paradigmas de

redes ópticas, neste trabalho, focaremos no estudo da aplicação de um conversor

de comprimento de onda totalmente óptico baseado na mistura de quatro ondas

configurado para Redes Ópticas Elásticas. Por meio de simulações serão

investigadas questões físicas pertinentes do dispositivo (CCO) que podem impactar


a eficácia do funcionamento da camada de rede e de transporte. A seguir serão

listados os objetivos específicos deste trabalho.

1.1. Objetivos e procedimentos

O principal objetivo deste trabalho é o de investigar o impacto das

penalidades adicionadas ao sinal com a introdução de conversores de comprimento

de onda totalmente ópticos (AOWC) baseados na amplificação paramétrica através

da mistura degenerada de quatro ondas (FWM) em HNLF, nas Redes Óticas

Elásticas.

Assim os principais procedimento realizados são:

a) Criar o modelo de simulação representando um conversor de

comprimento de onda totalmente óptico (CCO) paramétrico baseado em mistura de

quatro ondas (FWM) para as redes ópticas elásticas (EONs);

b) Avaliar o impacto da aplicação de CCOs em cascata, simulando os

requisitos de uma rede EON, avaliando a degradação da qualidade do sinal, através

da taxa de erro de símbolo (SER), a cada conversão;

c) Avaliar a qualidade do sinal convertido em cascata para as EONs em

função de parâmetros tais como potência do sinal recebido, relação sinal/ruído

óptico (OSNR) e largura espectral ocupada.

1.2. Motivação

A premissa que serve de motivação para o presente trabalho reside em

um tema (CIENA, 2019; NOKIA BELL LABS, 2017) que se encaixa com os desafios

do mercado atual desta área, como já foi argumentado na contextualização deste

capítulo. Este trabalho contribui para melhorar a utilização da banda espectral

disponível através das EONs além de reduzir as perdas de dados através da

aplicação de conversores, que impactarão na redução da probabilidade de bloqueio

dos dados em uma rede óptica.

Como já argumentado, atualmente existe um aumento na demanda por

capacidade nas redes por parte dos usuários finais que desejam acessar as

informações de dados, vídeo e aplicativos em alta definição quando e onde

quiserem. Com a adoção da Internet das Coisas (IoT) (MANCINI, 2018) e da

tecnologia 5G (BOYUAN et al., 2018; DELOITTE DEVELOPMENT LLC, 2017)


estima-se um agravamento ainda maior nesta demanda por capacidade e

velocidade (CIENA, 2019). Assim, todo estudo que proporcionar melhor velocidade

de transmissão, utilização eficiente de banda para a alocação de mais sinais de

informação e redução da probabilidade de bloqueio, impactará positivamente no

mercado de telecomunicações e consequentemente, na melhoria dos serviços

oferecidos mundialmente.

1.3. Organização do trabalho

O presente trabalho está constituído de seis capítulos e está organizado

da seguinte forma: o Capítulo 1 que é o presente capítulo, introduz e contextualiza

o problema, apresentando algumas tendências e soluções de mercado. Neste

capitulo é brevemente descrita a proposta com a motivação e seus objetivos.

O Capítulo 2 apresenta as propostas de trabalhos relacionados na

investigação de formas mais detalhadas de conteúdos ligados à temática de

conversores de comprimentos de onda totalmente óptico, com o intuito de melhorar

o conhecimento sobre o que tem sido estudado e publicado para este assunto.

O Capítulo 3 corresponde à fundamentação teórica, na qual são

abordados conceitos relacionados às redes ópticas, fazendo-se um histórico

evolutivo dos principais marcos dessas redes e apresentando a forma como

surgiram as redes ópticas elásticas (EON). Realiza-se também a fundamentação

teórica dos conversores ópticos, em particular os baseados no efeito de mistura de

quatro ondas (FWM).

O Capítulo 4 é descrito a proposta e o método utilizado para a obtenção

dos resultados. Nele serão apresentados os modelos das simulações

implementadas, com as devidas especificações utilizadas.

No capítulo 5 são apresentados e comentados os resultados obtidos.

Finalmente, no capítulo 6 são realizadas as conclusões e considerações mais

relevantes do trabalho e possíveis trabalhos futuros.

C a p í t u l o 2 . T r a b a l h o s R e l a c i o n a d o s | 21

2. TRABALHOS RELACIONADOS

O estado da arte em redes ópticas procura enfocar, de maneira

estruturada e relevante, o conhecimento acumulado e atualizado das tecnologias

nelas empregadas.

Neste capítulo faremos uma revisão de trabalhos atuais e relevantes

considerando a temática do efeito da aplicação de conversores de comprimento de

onda totalmente óptico no sinal transmitido em uma EON. O tema trata-se de

trabalhos relativamente novos (QIU et al., 2017), embora, o uso da técnica de

conversão tenha sido proposto há cerca de vinte anos atrás (RAMASWAMI;

SIVARAJAN; SASAKI, 2010; YAN et al., 2018).

O processo de migração das redes tradicionais WDM para EON tornou-

se um tema interessante devido principalmente as questões dos sistemas poderem

transmitirem dados em altas taxas, sem a necessidade de troca dos equipamentos

de um sistema com padrões já estabelecidos. Questões referente ao melhor

consumo espectral de banda através da alocação do espectro do sinal óptico de

forma flexível, da atribuição de formato de modulação adaptável à distância de

transmissão permitida para um determinado tipo de sinal, também vem

corroborando para esta migração (INFINERA INC., 2014; FUJITSU NETWORK

COMMUNICATIONS INC., 2013; LÓPEZ; VELASCO, 2016).

Tendo sido primeiramente apresentada por Jinno, Hidehiko e Kozicki

(2009) este novo conceito de rede óptica que surge como uma estratégia

promissora, por ser apontada como alternativa as redes tradicionais que utilizam a

multiplexação por comprimento de onda (WDM); em resposta às restrições de

banda e taxa que utilizam grades fixas que foram padronizadas pelo ITU-T (ITU-T,

2012) e também a problemas de contenda específicos de roteamento e atribuição

de comprimento de onda (RWA). Entretanto, no cenário de EON, o

aprovisionamento de banda elástica apresenta desafios em projetá-la e,

periodicamente, atualizá-la devido ao espectro alocado para uma conexão poder

ser adaptado para acompanhar as variações da taxa de transmissão que se façam

necessária (JINNO; HIDEHIKO; KOZICKI, 2009; LÓPEZ; VELASCO, 2016).

Todavia, o processo de migração das redes tradicionais WDM para EON torna-se

interessante pelo uso de espectro flexível, atribuição de formato de modulação

adaptável à distância, acomodando as taxas de transmissão de 100 Gbps


comumente utilizadas em sistemas de longa distância (backbone), e dos chamados

supercanais com taxas de 400 Gbps e 1 Tbps (INFINERA INC., 2014; FUJITSU

NETWORK COMMUNICATIONS INC., 2013; LÓPEZ; VELASCO, 2016).

No paradigma atual das redes ópticas na camada de rede e de

transporte, um dos maiores desafios é encontrar estratégias para solucionar a

contenção dos comprimentos de onda e assim oferecer continuidade da

transmissão do sinal durante todo o seu caminho de transporte entre origem e

destino. Nas EONS além do problema de roteamento e a alocação de comprimento

de onda (RWA), que é similar para redes ópticas WDM, há também, o do

roteamento alocação do espectro (RSA) (VYAS; PRAKASH, 2018; CHATTERJEE;

SARMA; EIJI, 2015), uma vez que a alocação espectral adaptativa requer

continuidade e contiguidade dos comprimentos de onda em cada rota. Isso é

sumamente importante e em casos contrários, as conexões podem ser bloqueadas

devido à indisponibilidade de comprimentos de onda e/ou à alta fragmentação do

espectro (PAGÈS; PERELLÓ; SPADARO, 2012; LÓPEZ; VELASCO, 2016).

A probabilidade de bloqueio na rede EON vem estimulando estudos e

pesquisas no campo da conversão totalmente óptica de comprimentos de onda

(XIE et al., 2017; NG, 2010).

Existem algumas possíveis soluções na literatura, as quais visam reduzir

a probabilidade de bloqueio em EONs pela falta de continuidade e contiguidade

espectral nos enlaces. Uma delas é através da aplicação de algoritmos de

roteamento que adotam métricas específicas normalmente baseadas em

algoritmos genéticos para encontrar rotas disponíveis ao transporte do sinal,

reduzindo o desperdício espectral (PAGÈS; PERELLÓ; SPADARO, 2012;

LECHOWICZ; WALKOWIAK, 2016). Neste contexto, em Jia et al. (2016) é proposto

um algoritmo RSA dinâmico que pode alcançar um melhor desempenho usando

uma rede neural de propagação reversa (Back Propagation Neural Network- BPNN)

para prever as informações de cada conexão futura (JIA et al., 2016). Já em Yan et

al. (2018) propõem a utilização do modelo matemático OTTM (Onion Tidal Traffic

Model - OTTM), baseado em redes de acesso e metropolitanas, em que tem-se o

uso de dois algoritmos para o aumento da eficiência da largura de banda o PD-RSA

(pre-detour RSA - PD-RSA) e o PDK-RSA (Pre-Detour K-shortest paths RSA - PDK-

RSA) que apontou a redução de até 26% da taxa de probabilidade de bloqueio

(YAN et al., 2018).


Uma outra solução também mencionada na literatura, é através das

técnicas de desfragmentação espectral em que algoritmos são acionados em

determinados momentos, visando o rearranjo da alocação espectral do sinal de

forma contínua (YIN et al., 2013). Nesta, a desfragmentação é necessária porque

após sucessivas criações e exclusões de circuitos nos enlaces da EON, utilizando

janelas de frequências (Frequency Slot Unit - FSU), parte dessas FSUs ficam

isoladas e alocadas de forma descontinuada no espectro, o que leva a uma baixa

eficiência espectral e aos bloqueios devido à falta de banda (SHI et al., 2013). Pode-

se citar no caso do uso de grades flexíveis para aplicação em sistemas DWDM,

dentro dos padrões da recomendação G.694.1 do ITU-T (ITU-T, 2012), proposto

por Buchali e Klekamp (2014) o uso do BWC (Bandwidth Wavelength Conversion -

BWC) incorporado as chaves seletoras de comprimento de onda (WSS) nos

ROADMs, trabalhando em taxas de n x 12,5 GHz (n=l,2,3... ) para a

desfragmentação deste tipo de rede (BUCHALI; KLEKAMP, 2014). No artigo Zhu

et al. (2015) é mostrado as vantagens do controle e gerenciamento de EON

empregando o recurso de redes definidas por software (SD-EONs) para a

desfragmentação on-line (ZHU et al., 2015). Neste contexto, uma análise da

desfragmentação periódica na EON sob condições dinâmicas de tráfego deve ser

realizada para minimizar a probabilidade de bloqueio e a baixa eficiência espectral

(ϵ) (COMELLAS; VICARIO; JUNYENT, 2018).

Atualmente, grandes esforços vêm sendo realizados por pesquisadores

no desenvolvimento de um CCO para redes ópticas, que vem adquirindo sua

maturidade. Por exemplo, em Filion et al. (2016), foi demonstrado

experimentalmente a conversão de comprimento de onda baseado em um

Semiconductor Optical Amplifier (SOA) de três sinais (25 GBd Nyquist- 16QAM)

(FILION et al., 2016). Em Wang et al. (2018) foi proposto um esquema de

posicionamento de conversores ópticos e esquema de designação de comprimento

de onda para melhorar a utilização da rede sob restrições práticas, tal como o

impacto da cascatabilidade de conversões (WANG et al., 2018). Em Tan (2016) foi

proposto um estudo experimental sobre o impacto da conversão de um sinal,

considerando a necessidade de múltiplas conversões no caminho em Redes

Wavelength Division Multiplexing (WDM). Para EONs, um CCO foi proposto por

Marconi et al. (2017) um modelo de simulação de um conversor paramétrico

totalmente óptico, baseado na mistura de quatro ondas, considerando um guia de


onda de vidro telúrio. Neste trabalho foi possível a transmissão de sinais livres de

erros em uma banda espectral ultra larga, porém, não foram analisados alguns

parâmetros pertinentes ao contexto de redes tais como as múltiplas conversões em

cascata (MARCONI et al., 2017).

Nesta direção, a implementação de conversores comprimentos de onda

totalmente ópticos (CCOs), singularmente com uso de fibras ópticas altamente

linear (HNLF), estão surgindo como uma boa alternativa de baixo custo e é vista

como uma possível solução para mitigar ou solucionar a probabilidade de bloqueio

devido à falta de continuidade espectral na rota de transporte de um sinal em redes

ópticas em geral, tanto para sistemas WDM e em particular para uma EON que é o

real cenário futuro para redes.

Em geral, a ideia fundamental de todos os artigos estudados neste

capítulo é, basicamente, a busca de técnicas e estratégias que visam minimizar o

impacto de bloqueio nas redes EON e a baixa eficiência espectral garantida mínima

penalidade do sinal transmitido. Trata-se de uma necessidade sumamente

importante devido ao aumento dos serviços e especialmente crescimento do

tráfego IP sobre as redes ópticas (CISCO, 2015; ECI TELECOM, 2017).

C a p í t u l o 3 . F u n d a m e n t a ç ã o T e ó r i c a | 25

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Este capítulo é focado nas redes WDM e EONs, em que é explicado

de forma simplificada a configuração da arquitetura de cada tecnologia de rede

e o processo de transição entre elas.

3.1. Breve histórico sobre comunicações por fibras ópticas

No curso da história das telecomunicações, observou-se que a fibra

óptica possuía um grande potencial para o tráfego de informações com altas taxas

de transmissão.

As redes ópticas são constituídas por sistemas de comunicação que

utilizam as fibras ópticas para transmissão de voz, dados, vídeo e outras mídias,

tendo como principal característica a largura de banda maior do que as utilizadas

em sistemas de rádio frequência e nos sistemas baseados em fios de cobre.

Basicamente, a fibra óptica é composta de sílica de formato cilíndrico e flexível;

sendo que as primeiras conexões, usando estes sistemas, surgiram no final da

década de 1970 e foram utilizadas para transmitir sinais de telefonia a uma taxa de

aproximadamente 6,0 Mbits/s em distâncias em torno de 10 km (KEISER, 2014).

Entretanto, as fibras ópticas apresentavam um grande problema:

a perda devido à sua atenuação imposta ao sinal, na ordem de

1x103 dB/km (KAPRON; KECK; MAURER, 1970). Houve um avanço em 1970,

quando as perdas das fibras foram reduzidas para valores abaixo de 20 dB/km na

região de comprimentos de onda de 1 m. Em 1979, foi exibida uma fibra

monomodo (SMF) com atenuação, para janela de 1550 nm, na ordem de 0,2

db/km (CORNING INC., 2014) o que praticamente viabilizou o seu uso comercial.

Além da atenuação, outros fatores são limitantes do uso das fibras como os efeitos

não lineares e a dispersão cromática (AGRAWAL, 2014; KEISER, 2014).

Dentre as diversas vantagens oferecidas pelo uso das fibras ópticas em

sistemas de comunicações, sobre outros sistemas, pode-se citar: a leveza, a

flexibilidade e suas dimensões físicas comparadas ao cabo metálico de cobre, um

longo alcance de transmissão e o fato de ser praticamente imune às influências

eletromagnéticas.

Outro aspecto interessante foi considerando o espectro de perda em

uma fibra do tipo monomodo (SMF) em função do comprimento de onda. Desta


consideração foi elaborada a divisão por bandas da seguinte forma: Banda O

(Original Band – Banda Original); Banda E (Extended Band – Banda Extendida); as

bandas usadas comercialmente para o WDM, Banda S (Short Wavelenght Band –

Banda de Comprimento de Onda Curtos) de 1460 nm a 1530 nm; Banda C

(Conventional Band – Banda Convencional) com a região espectral de 1530 nm a

1565 nm; Banda L (Long Band – Banda Longa) com a região espectral de 1565 nm

a 1625 nm e a Banda U (Ulta-Long Band – Banda Ultra-Longa) com a região

espectral de 1625 nm a 1675 nm. Esta padronização para as redes ópticas, foi

idealizada para acomodar, principalmente, o WDM denso (DWDM), por meio das

recomendações G.692 e G.694.1 da Seção de Normatização de Telecomunicações

(ITU-T, 1998; ITU-T, 2012).

Os atributos e características das fibras ópticas evoluíram ao longo dos

anos para acomodar diferentes sistemas e tecnologias, com intuito de otimizar o

desempenho geral da rede de telecomunicações. Na era emergente de redes

elásticas ou flexíveis, as fibras ópticas continuarão a desempenhar um papel

fundamental na determinação do alcance e da capacidade do sistema (DOWNIE et

al., 2016). A Figura 1 mostra a atenuação das fibras ópticas em função do

comprimento de onda para uma fibra padrão SMF (Single Mode Fiber - G.652) Rec.

ITU-T G.652, vê-se que a transmissão em sistemas ópticos, comercias, emprega

regiões do espectro chamadas de bandas (O, S, C e L) onde a atenuação

observada é baixa na ordem de 0,2 dB/km, nas bandas S,C e L. Tem-se o uso dos

amplificadores a semicondutores (SOA) na banda O e do amplificador dopado com

érbio (Er) para as bandas C e L.


Figura 1: Característica de atenuação vs. comprimento de onda em fibra óptica utilizadas em sistemas de comunicações ópticas.

Fonte: Adaptado de Felipe Rudge Barbosa. Disponível em: <http://www.dsif.fee.unicamp.br/~rudge/pdf/>. Acesso em: 06 jul. 2019.

3.2. Redes WDM

O sistema de multiplexação por divisão de comprimento de

onda (WDM), de maneira simples, pode ser visto como um conjunto de canais

ópticos cada um usando diferentes comprimentos de onda, mas todos partilhando

um único meio de transmissão (AGRAWAL, 2014). É usado desde o início da

década de 1990, tendo como primeiro protótipo, o Lambdanet (GOODMAN et al.,

1990), implementado pela Bell-Core. A primeira rede WDM foi o Rainbow-1 e 2

(HALL, et al., 1996), desenvolvidas em 1991 e 1996 respectivamente, ambos

implementados pela International Business Machines (IBM).

A Figura 2 ilustra a estrutura básica de um sistema WDM com seus

principais elementos: os optical transponders, componentes que convertem os

sinais dos usuários em comprimentos de ondas com suas respectivas

frequências; a unidade multiplexadora, que multiplexa os comprimentos de onda; a

fibra óptica como meio de transmissão; o demultiplexador que separa os sinais; os

transponders de recepção, que geram os sinais aos seus respectivos clientes, além

da estrutura de amplificação óptica baseado no amplificador de fibra óptica dopada

com érbio (EDFA).


Figura 2: Estrutura básica de um sistema WDM.

Fonte: produzido pelo autor.

O uso do WDM possibilitou o início de uma revolução na área das

telecomunicações que resultou na duplicação da capacidade de sistemas a cada

seis meses, aproximadamente, permitindo que, em 2001, sistemas ópticos

operassem a uma taxa de bits de 10 Tbps. Entretanto, o projeto de tais sistemas

requer atenção a muitos detalhes, mais especificamente, aos efeitos não lineares

que devem ser controlados para garantir que não limitem o desempenho do

sistema (AGRAWAL, 2014). Apesar das restrições e penalidades aplicadas ao

sistema, o WDM ainda é a principal tecnologia para o transporte de altas taxas de

transmissão através do core das principais redes de telecomunicações calçadas no

uso de fibras ópticas (RAMASWAMI; SIVARAJAN; SASAKI, 2010). Mas, apesar de

serem considerados sistemas com alta capacidade de transmissão e com

capacidade de conversão de comprimentos de onda, apresentam taxas de

transmissão fixas e baixa granularidade (MARINCIC; ACIMOVIC-RASPOPOVIC,

2001).

Em geral, os sistemas de redes ópticas WDM utilizam os canais

localizados, principalmente, nas bandas C e L que são as regiões de comprimentos

de onda coberta por amplificadores do tipo EDFA (KEISER, 2014) e que

apresentam na região de 1550 nm, uma região de baixa perda (RAMASWAMI;

SIVARAJAN; SASAKI, 2010). Essas bandas são espaçadas em grades fixas de

100, 50 e 25 GHz de acordo com a ITU-T, uma das divisões da União Internacional

de Telecomunicações (ITU) responsável por coordenar padronizações

relacionadas às telecomunicações (ITU-T, 2012).


Os primeiros sistemas comerciais WDM funcionavam a taxas de 2,5 a

10 Gbps por canal, utilizando sinais modulados em formato NRZ. Então, na década

de 2000 foram propostos os sistemas de 40 Gbps. No entanto, na sua introdução,

encontraram-se vários problemas na propagação do sinal e uma saturação rápida

da banda C, devido à baixa eficiência espectral gerada pelo padrão de modulação

limitado a um bit por símbolo. Entretanto, com uma forte pesquisa em sistemas

ópticos, em 2007 o laboratório americano Bell Labs realizou a primeira transmissão

acima de 100 Gbps aumentando a capacidade das redes WDM (NOKIA BELL

LABS, 2006) porém utilizando transmissão coerentee combinado com modulação

avançada de sinais.

Em seu roteamento, podemos classificar as redes WDM em roteamento

fixo (fixed routing) que consiste na escolha da mesma rota fixa; roteamento fixo-

alternativo (fixed-alternate routing) que é uma abordagem que considera múltiplas

rotas fixas como alternativa e o roteamento adaptativo (adaptive routing) onde a

rota do nó de origem até o nó de destino é escolhida dinamicamente em função do

estado da rede. Neste contexto, o uso da conversão de comprimento de onda pode

aumentar as opções de roteamento, ao resolver os conflitos de alocação, o

problema RWA e RSA. Porém deve-se observar o custo e o uso da forma

fracionada nos nós de rede (JUE, 2009).

Deve-se observar que qualquer que seja a natureza da rede, WDM ou

EON, ela deverá apresentar ferramentas e processos eficientes que possam

assegurar a continuidade e contiguidade dos serviços em casos de falhas por meio

de processos de restauração, com a criação de um novo caminho óptico na rede

ou sua proteção com uso de reserva de banda.

Em sua arquitetura, as redes WDM estão divididas em três categorias

de redes: As redes opacas, translúcidas e transparente (AZODOLMOLKY et al.,

2011). As redes opacas necessitam de conversão do tipo OEO (optoeletrônica)

dos canais ópticos de entrada em sinais elétricos para a realização de

processamento usando uma matriz eletrônica. Uma das principais desvantagens

dos conversores optoeletrônicas é que todos os comprimentos de onda devem ser

terminados e reprocessado quando um único ou poucos comprimentos de onda

são terminados nesse destino específico (SENIOR; JAMRO, 2009). Ao final do

processamento eletrônico, o sinal é novamente convertido para óptico e enviado

a um canal de saída usando o mesmo comprimento de onda ou não.


Nas redes translúcidas são utilizados nós de regeneração dispostos

estrategicamente com o propósito de regenerar o sinal para conseguir o equilíbrio

entre o custo do projeto e o desempenho de serviços. Este pode ser comparado ao

de uma rede de comutação totalmente eletrônica, porém com um uso menor destes

nós (SHEN; TUCKER, 2007).

Nas redes transparentes, por sua vez, o sinal é transportado totalmente

no domínio óptico a partir do nó de origem até o de destino, sem o uso

de conversão opto-eletro-óptica (O-E-O), sendo transparente aos formatos de

modulação e as taxas de transmissão do sistema. Neste tipo de arquitetura

observa-se as restrições ou limitações de conversão e continuidade dos

comprimentos de onda na rede. Todavia, estes sinais são passivos de regeneração

óptica, pois evita que a degradação acumulada ao longo do canal não afete a

qualidade da transmissão (QoT - Quality of Transmission). A regeneração é o nome

empregado à técnica utilizada para reproduzir o sinal original após as perdas

impostas pelo canal de transmissão, sendo classificada da seguinte forma:

1. 1R – Reamplificação (domínio óptico em função da atenuação).

2. 2R - 1R+R - Reamplificação + Reformatação (domínio elétrico).

3. 3R - 2R+R - Reamplificação + Reformatação + Resincronização

(domínio óptico em função da dispersão).

4. 4R - 3R+R - Reamplificação + Reformatação + Resincronização +

Realocação do comprimento de onda (domínio óptico requer conversão

de comprimento de onda).

A Figura 3 ilustra esta classificação. O primeiro campo, representa

o pulso do sinal (s(t)) e o segundo representa o ruído (r(t)) inseridos na transmissão.

No segundo campo, tem-se a reamplificação do sinal mais o ruído 1R, no estágio

2R o sinal é amplificado e reformatado, no estágio 3R o sinal pode ser corrigido no

caso de algum jitter através do processo de ressincronização e no estágio 4R, além

dos demais estágios, o sinal pode ser realocado em outro comprimento de onda

evitando conflitos de alocação em nós de rede que usam o mesmo comprimento

de onda.


Figura 3: Classificação 1R, 2 R, 3R e 4R dos sinais.


Outro fator importante para as redes WDM, principalmente nas redes

transparentes, está relacionado à alocação e roteamento do comprimento de onda

(RWA) que consiste em selecionar um caminho óptico e alocar comprimentos de

onda disponíveis para cada conexão entre a origem e o destino da informação

(ZANG; P. JUE; MUKHERJEE, 2000). O problema do RWA pode levar à perda

de informação devido à falta de contiguidade e continuidade do sinal. Basicamente,

o problema do RWA consiste em atribuir rota e comprimento de onda a cada

solicitação de conexão utilizando os recursos mínimos da rede (TEJAKOGANTI;

SIDHU, 2014), o que leva a perda de comunicação devido à falta de contiguidade

e continuidade do sinal, como citado acima no uso do 4R.

A Figura 4 mostra uma rede WDM com problema de roteamento de

comprimento de onda (RWA), levando à necessidade de conversão

do comprimento de onda em elemento de rede ROADM. Isso ocorre pelo fato do

comprimento de onda entre os ROADMs (E) e (B) já estar ocupado pelos ROADMs

(F) e (B), o que implica na conversão de comprimento de onda entre estes dois nós

de rede em função do RWA para que a informação não seja perdida.

Diante do problema do RWA, a literatura aponta que a probabilidade de

bloqueio é um parâmetro importante na avaliação do desempenho da rede. Na

atribuição de comprimento de onda em redes WDM, uma maior atenção é dirigida

a redes que trabalham sob restrições de continuidade onde o comprimento de onda

deve ser utilizando em toda a rota. Para minimizar o impacto do desempenho, são

aplicados algoritmos ao RWA tornando-o mais eficiente (LÓPEZ; VELASCO,

2016). Outra opção é o uso da conversão do comprimento de onda, que é definida

como um processo pelo qual o comprimento de onda do sinal é alterado sem


alteração dos dados transportados (SENIOR; JAMRO, 2009; AGRAWAL, 2014).

Além disso, os conversores devem ser capazes de suportar os sistemas legados

de modulação e os novos formatos que incorporam as modulações de fase.

Figura 4: Rede hipotética WDM/ROADM com conversão de comprimento de onda no ROADM (F).


Os sistemas WDM tradicionais, de grades fixas, provavelmente não

permitirão a alocação de sinais em altas taxas (LÓPEZ; VELASCO, 2016), a menos

que os formatos de modulação avançados evoluam e agreguem mais bits, sem

afetar a qualidade do sinal medido por sua BER/SER. A modificação do tamanho

de uma grade é obviamente possível, entretanto, esta opção requer a mudança da

regulamentação de uma infraestrutura coexistente, tornando-se um grande

problema para a indústria e os sistemas legados. Essa perspectiva considera o

abandono das grades fixas padronizadas pela ITU-T, passando para um plano de

alocação de espectro flexível ou elástico, também conhecido como redes ópticas

elásticas (EON) ou gridless.

Muitos trabalhos estão acontecendo para assegurar a compatibilidade e

desenvolver regras de design que podem ser necessárias para garantir a operação

de diferentes taxas de bits simultaneamente na mesma rede (LÓPEZ; VELASCO,


2016). Entretanto, vê-se aproximando rapidamente o limite de capacidade física da

fibra óptica padrão, sendo importante fazer um melhor uso dos recursos da rede

óptica para acomodar a crescente demanda de tráfego para suportar a Internet e

os serviços futuros (JINNO; HIDEHIKO; KOZICKI, 2009).

3.3. Transição para redes ópticas elásticas – EON

As redes tradicionais WDM contêm vários sistemas e protocolos

legados, o que dificulta a sua escalabilidade e ajustes dentro de um prazo que

atenda às necessidades dos usuários e de novos serviços. Nessas redes, percebe-

se, em grande escala, a execução de etapas manuais de configuração, operação

e manutenção. Nesse contexto, a pouca automação dificulta a capacidade de

acomodar uma demanda crescente e imprevisível de tráfego e serviços. Mesmo

assim, estudos recentes mostram que os volumes de tráfego esperados para curto

e médio prazo é de poucos Tbps do tráfego total, não sendo suficiente para justificar

a implantação imediata das redes flexíveis (EON) (LÓPEZ; VELASCO, 2016). Logo,

a mudança da rede tradicional WDM para uma rede flexível vem sendo realizada

de forma gradual.

A largura de banda continua aumentado nos sistemas WDM e essas

redes baseadas em Multiplexadores Add/Drop Óptico Reconfiguráveis (ROADMs)

(INFINERA INC., 2014; NOKIA, 2017) oferecem mais dinamismo e permitem mais

flexibilidade na adição de novos comprimentos de onda ou de redirecionamento,

bem como na restauração de tráfego na ocorrência de uma falha, além de

monitorar, controlar o gerenciamento de balanceamento de energia entre os canais

(LÓPEZ; VELASCO, 2016). Dessa forma, vemos que o ROADM se apresenta como

uma chave na transição entre as redes de grade fixas e elásticas.

Desde a sua introdução nos anos 2000, o ROADM tem evoluído através

de três principais gerações: Wavelenght blockes (primeira geração); Two-degree

(segunda geração) e Multi-degree utilizando a chave seletiva de comprimento de

onda WSS (terceira geração) até a nova geração de ROADM chamada de Nova

Geração (NG) ROADM (Colorless, Directionless e Contenetionless – CDC)

(FUJITSU INC., 2014). O ROADM, essencialmente, é constituído de amplificadores

ópticos, MUX/DEMUX, transponder e muxponder com capacidade de comutação

de óptica, permitindo a caracterização de um nó de rede ou nó de transporte óptico

completo e flexível.


A Figura 5 mostra a estrutura mais elaborada de um sistema WDM

utilizando o multiplexador Add/Drop óptico reconfigurável (ROADM) e com a

presença da chave seletiva de comprimento de onda (WSS) para grade fixa e EON.

O trabalho de roteamento dos comprimentos de ondas na saída é baseado na

atenuação dos canais indesejados, permitindo a saída dos sinais de interesse nas

"N" portas de saída. Embora a WSS tenha sido especificada para grades fixas

(fixed grid), tecnologias mais recentes como: LCoS (Liquid Crystal on Sillicon) ou

DLP (Digital Light Process) WSS, Flex OCMs (Optical Channels Monitor) e Raman

Amplification (FUJITSU INC., 2014) permitiram o fatiamento do espectro

viabilizando o uso de ROADMs Elásticos. Dessa forma, a WSS foi a tecnologia que

vem viabilizando o surgimento das arquiteturas flexíveis de rede (INFINERA INC.,

2014; BUCHALI; KLEKAMP, 2014), tornando-se a solução mais utilizada para esta

aplicação, por ser rentável e escalável.

Figura 5: Diagrama em blocos de uma unidade WSS.

Fonte: MIYAMOTO, Y.; KAWAMURA, R. Space division multiplexing optical transmission technology to support the evolution of high-capacity optical transport networks. NTT Technical Review, v. 15, n. 6, 2017. Disponível em: <https://www.ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr201706fa1.pdf&mode=show_pdf>. Acesso em: 06 jul. 2019.

No uso de WSS’s, a grade de frequência definida pela

recomendação ITU-T G694.1 suporta uma variedade de espaçamentos de canais.

Para espaçamentos de canal de 12,5 GHz em uma fibra, as frequências de canal

permitidas (em THz) são definidas por: 193,1 (frequência do canal central) + n ×

0,0125 onde n é um número inteiro positivo ou negativo incluindo o zero. Para


espaçamentos de canal de 25 GHz, as frequências de canal permitidas (em THz)

são definidas por: 193,1 + n × 0,025 onde n é um número inteiro positivo ou

negativo incluindo o zero. Para espaçamentos de canal de 50 GHz, as frequências

de canal permitidas (em THz) são definidas por: 193,1 + n × 0,05 onde n é um

número inteiro positivo ou negativo incluindo o zero. Para espaçamentos de canal

de 100 GHz ou mais em uma fibra, as frequências de canal permitidas (em THz)

são definidas por: 193.1 + n × 0.1 onde n é um inteiro positivo ou negativo também

incluindo o zero. A Figura 6 apresenta a alocação de três canais conforme a

recomendação G694.1, sendo dois de 50 GHz e dois de 75 GHz (ITU-T, 2012).

Figura 6: Alocação de espectro para canais de grade flexível – Rec. G 694.1ITU-T.

Fonte: adaptado Rec. G 694.1 ITU-T.

Dentro do seu grau de escalabilidade, observa-se que a próxima geração

de ROADMs será usada, principalmente, em sistemas de detecção do tipo

coerente, onde, os ROADMs dos tipos “sem cor e sem direção” (CD

- Colorless/Directionless), que não têm os canais e direções permanentemente

configurados, não necessitarão de vários amplificadores ópticos (EDFAs).

Entretanto, os bloqueios de comprimento de ondas poderão causar custos

operacionais significativos devido à necessidade de desenvolvimento de software

para o roteamento e atribuição de novos comprimentos de onda.

Os ROADM, do tipo “sem cor, sem direção e sem contenção/bloqueio”

(CDC - Colourless/Directionless/Contentionless), são propostos para solucionar o

bloqueio de comprimentos de onda e juntamente com a WSS apresentam-se como

uma solução na transição para a EON. Porém, deverão ser considerados uma

integração fotônica do EDFA, o uso de uma matriz multicast (MCS - MultiCast

Switches) e o compartilhamento dinâmico do laser de bombeio (pump) como forma

de reduzir o custo e o consumo de energia.


Por fim, as implantações dos ROADMs CDC-F (“sem cor, sem direção,

sem contenção/bloqueio e de grade flexível” o ROADM CDC-F (CDC-F - Colorless,

Directionless, Contentionless, Flexible Grid), começaram em 2016 e trarão para

pelos menos os próximos 10 anos, uma mudança nas novas redes ópticas com

base em ROADMs. A seguir, relacionados, estão destacados os principais

benefícios do ROADM CDC-F (NOKIA, 2017; HUAWEI TECHNOLOGIES CO.,

LTD., 2017; INFINERA INC., 2014; FUJITSU INC., 2014).

ROADM CDC-F:

1. Opções de proteção e restauração de camada óptica mais avançadas e

eficientes.

2. Suporte para novas modulações de maior capacidade.

3. Suporte para supercanais mais espectralmente eficientes.

4. Menor custo efetivo por Tbps de transporte óptico.

5. Custos operacionais reduzidos através da eliminação de operações

manuais.

6. Maior velocidade de implantação de serviços.

7. Planejamento simplificado de rede.

3.4. Conceitos e definições EON

Nesta seção serão definidas algumas variáveis e parâmetros

assinalados como importantes para este trabalho. Primeiramente, serão definidas

a largura de banda do sinal, alocação total de espectro, requisições de conexões e

a eficiência espectral.

Tradicionalmente, os espectros de sinal na rede óptica WDM são

alocados como grade fixa de frequência de acordo com um ITU-T 694.1 e opera na

faixa de 1530 a 1565 nm, conhecida como banda C (ITU-T, 2012).

A proposta de uma EON também conhecida como rede óptica de rede

flexível, é caracterizada por atribuir sinais de largura de banda variável (JINNO;

HIDEHIKO; KOZICKI, 2009) dentro do espectro que é dividido em unidades

pequenas, nomeadamente como unidades de frequência (FSU) tipicamente de

12,5 GHz (GERSTEL et al., 2012). Usando um número diferente de FSUs

contíguas, diferentes larguras espectrais podem ser obtidas dependendo dos

requisitos de transmissão do sinal, como o formato de modulação e a taxa de bits.


Atualmente, o EON foi identificado como uma boa solução para economizar largura

de banda espectral e, espera-se que essas arquiteturas de rede possam acomodar

canais com taxas de 10 Gbps a 1 Tbps.

Na alocação de espectro, a largura de banda do sinal ocupado (∆fs) está

relacionada à sua taxa de transmissão (TR) e ao tipo de modulação. Para alocar

um sinal dentro de uma grade espectral (fixa ou elástica), uma banda de guarda

(∆fGB) deve ser considerada, assim a banda espectral do sinal total é dada pela

equação (1):

GBs fTRMLog

f += *1

2

onde M significa um número de símbolos, característico de cada formato de

modulação.

Para sistemas multicanais, a alocação total de espectro deve ser

calculada para cada canal independentemente, e em ordem, é obtida usando a

seguinte equação (2) e inclui todos os sinais:

GBi

N

i i

st fTRMLog

f += =

*1

1 2

onde o índice i representa um canal específico e N é igual ao número total de canais

no sistema.

Como descrito anteriormente, a otimização do consumo de espectro

pode ser alcançada com a alocação de sinal em slots de espectro mais fino,

conhecida como unidades de slot de frequência (FSU), assim, para obter os slots

requeridos RS é utilizada na seguinte equação (3):

GS

fTRMLog

RS

GBi

N

i i

+==

*1

1 2

onde GS é o tamanho da grade.

Por exemplo, para alocar a largura de banda do sinal, sem considerar o

espaço necessário para compensar as deficiências físicas, ela é calculada dividindo

a taxa de bits de transmissão pelo número de bits por símbolo, específico para cada

modulação de sinal, multiplicado por dois, pois banda alocada é duas vezes a

largura de banda do sinal mais uma banda de guarda equivale a 28 Gbaud, então

(2)

(1)

(3)


a largura de banda do sinal alocado é igual a 56 GHz mais a banda de guarda). A

eficiência espectral é outro parâmetro relacionado à alocação da banda do espectro

e é definido como a razão entre a taxa de dados e a banda espectral ocupada. É

quantificado em uma unidade de bits por segundo por Hertz (b / s / Hz). Isso

significa quanto espaço de grade está sendo usado (por exemplo, (56 Gb / s QPSK,

alocado em uma grade fixa de 50 GHz, terá uma eficiência espectral de 1,01 bits /

s / Hz; o que é considerado de baixa eficiência espectral).

Na Tabela 1 os valores teóricos de exigência de largura de banda e

alocação considerando grades de 100, 50, 25 GHz (padrão ITU) e slots de 12,5

GHz (flexible grid), uma taxa de transmissão de 56 Gbps e formato de modulação

QPSK, 2 bits por símbolo são apresentados. Por meio dessas análises, pode-se

observar que a grade WDM ITU desperdiça muito mais largura de banda do que o

necessário para o sinal a ser alocado. A banda desperdiçada do parâmetro (Wb1;

Wb2, Wb3, Wb4) denota a largura de banda desperdiçada nas grades fixas e

flexível; é importante observar que esse resultado considera apenas a quantidade

de largura de banda necessária para inserir bits na faixa de espectro alocada.

Tabela 1: Requerimento de banda para alocação de um sinal em 56 Gbps (valores teóricos).

Nr. de

canais

∆fst (GHz)

Grade ITU-T Grade flexível

25 Wb1 50 Wb2 100 Wb3 12,5 Wb4

1 75 19 100 44 100 44 62,5 6,5

3 175 7 200 32 200 32 175 7

9 525 21 550 46 600 96 512,5 8,5

17 975 23 1000 48 1000 48 962,5 10,5


A largura de banda real necessária para alocar um sinal em EONs foi

investigada em vários estudos experimentais e de simulação, é dependente de

vários parâmetros que caracterizam o sinal e sistema, como o tipo de modulação,

taxa de transmissão, número de canais, OSNR adicionado, sendo que todos

impactam o sinal nas camadas físicas e de transporte.


Na próxima seção, vamos nos concentrar para apresentar soluções de

camada física aplicada ao problema de camada de transporte em EONs. Falamos

mais especificamente sobre a implementação de conversores de comprimento de

onda com o objetivo de reduzir ou eliminar o problema de continuidade e

contiguidade durante o roteamento das informações.

3.5. Conversores de comprimento de onda totalmente óptico para EONs

Após a explanação dos conceitos e fundamentos teóricos relevantes

para o entendimento de redes WDM e EON, chega-se a esta seção que tem por

objetivo analisar a proposta do conversor no contexto de uma rede óptica elástica.

Como já comentado anteriormente é evidente que as EONs trazem

benefícios relacionados a melhor utilização espectral, entretanto o seu modo de

alocação espectral pode afetar a qualidade da transmissão do sinal devido as

penalidades e limitações na camada física (AZODOLMOLKY; MIROSłAW, 2008).

Além dos problemas da camada física há também os da camada de rede/transporte

relacionados ao roteamento do sinal, mais especificamente a alocação de

comprimentos de ondas (RWA) e espectro (RSA) (LÓPEZ; VELASCO, 2016) ou

ainda quando o tipo de modulação de cada conexão pode ser escolhido de forma

adaptativa (RMSA). Frisando mais vez, na alocação adaptativa existe a

necessidade de continuidade e contiguidade do espectro do início ao fim do

caminho que o sinal vai percorrer e em caso contrário ocorrerá o bloqueio do sinal.

Como exemplo de contenda de ocupação nos comprimentos de onda ao

longo de uma conexão, temos cinco nós de rede, em que o sinal do cliente é

injetado no Nó 1 (um) com destino ao Nó de rede cinco. O sinal do cliente pode

ocupar os seguintes caminhos ópticos: Nó 1 →Nó 2 →Nó 3 com comprimento de

onda 1 ou Nó 1 → Nó 4 → Nó 3 também com 1 ou ainda Nó 1 → Nó 3 com

comprimento de onda 2, conforme ilustra a Figura 7. As frequências e os

respectivos comprimentos de onda estão representados ao longo das

interconexões dos Nós de rede, porém ao chegar no Nó três, os comprimentos de

onda 1 e 2 estão ocupados na interconexão dos Nós 3 e 5. Dessa forma, se não

houver a conversão de comprimentos de onda, a informação proveniente do Nó de

origem será perdida.


Figura 7: Bloqueio de comprimento de onda devido à falta de continuidade e contiguidade espectral.


Em redes ópticas, o sinal pode transmitir de ponta a ponta no domínio

óptico, sendo transportado pelos caminhos de luz (light path) estabelecidos entre

os dois ou todos os nós na rota. Para cada conexão, o nó remetente procura a

melhor rota possível e aloca um comprimento de onda disponível naquele

momento, tarefa a ser conhecida como (RWA) (RAMASWAMI; SIVARAJAN;

SASAKI, 2010). Sempre que possível, um caminho de luz usa o mesmo

comprimento de onda de transmissão para conexão ponta a ponta. Muitas vezes,

a disponibilidade do mesmo comprimento de onda em todos os enlaces (links) e

segmentos na rota tem-se uma restrição conhecida como restrição de continuidade

de comprimento de onda (LÓPEZ; VELASCO, 2016). Essa restrição aumenta a

probabilidade de bloqueio de chamadas, reduzindo o desempenho da rede.

No entanto, isso pode ser evitado ou mitigado com a implementação de

conversores de comprimento de onda totalmente ópticos nos nós da rede

(MARCONI et al., 2017). Este dispositivo pode permitir a tradução do comprimento

de onda de um sinal óptico, independentemente de sua taxa de dados ou formato

de modulação. Ele tem sido bem estudado como uma das tecnologias capacitadas

para melhorar a eficiência de redes ópticas baseadas em comutação de camada

óptica. Utilizando a ampla largura de banda e a velocidade de resposta ultra-rápida

das interações não lineares em dispositivos fotônicos, os conversores de

comprimento de onda totalmente ópticos são capazes de converter o comprimento

de onda de um sinal óptico de forma transparente para a taxa de dados ou o formato


de modulação do sinal (FILION et al., 2016). Em apêndice 1, foi anexado um estudo

de simulação referente a porcentagem de bloqueio para algumas topologias de

redes reais, com e sem o conversor nós das redes. A implementação do conversor

tem um grande impacto na redução do bloqueio.

Além do mais, o CCO ajuda a eliminar os conversores de comprimento

de onda que dependem de um processo de conversão óptico-elétrico-óptico (OEO).

Para usá-lo na plenitude de suas vantagens, um conversor de comprimento de

onda óptico precisa ter mais recursos para ser prático em sistemas ópticos reais,

como independência do formato de modulação, operação de banda larga e

cascateamento (NGUYEN et al., 2016).

Durante o processo de transporte de dados em uma topologia de rede,

o comprimento de onda que transporta o sinal pode ser convertido algumas vezes

para chegar ao seu destino. Esta conversão impede que o sinal seja bloqueado na

camada de transporte, mas também pode trazer penalidades na qualidade do sinal

na camada física.

O efeito de conversão em cascata está diretamente ligado aos atributos

de alta eficiência de conversão na qual a qualidade do sinal é mantida enquanto o

sinal sofre uma sequência de conversões de comprimento de onda através das

redes (NGUYEN et al., 2016). Embora muitos esforços tenham sido feitos para

melhorar a eficiência de conversão em diferentes dispositivos fotônicos, as fibras

ópticas altamente não-linear (HNLFs) oferecem uma boa eficiência em termos de

conversão e largura de banda operacional entre os dispositivos fotônicos.

No presente trabalho, um conversor paramétrico degenerado baseado

em FWM foi utilizado e implementado usando um guia de fibra óptica do tipo HNLF.

Neste contexto, faremos uma breve explanação sobre o funcionamento do

conversor paramétrico.

De modo geral, o conversor paramétrico é baseado na transferência de

parte da energia de um ou mais sinais de alta potência, conhecido como sinal de

bombeio, para um ou mais sinais gerados em comprimentos de onda distintos dos

sinais de origem. Essa característica do conversor paramétrico permite que um

sinal (ou vários sinais) gere um novo sinal através do processo FWM, tal processo

caracteriza-se como um efeito paramétrico degenerado. A origem de FWM deriva

de um processo não linear, em que quatro ondas ópticas interagem umas com as

outras como consequência da susceptibilidade de terceira ordem, sendo importante


que a condição de fase-casada seja satisfeita, no caso de um único bombeio, a

conservação de energia determina quanto da frequência de bombeio λp e do sinal

da frequência λs serão acoplados para uma fibra óptica, gerando um novo sinal

óptico na frequência λid = 2λp ± -λs.

A configuração do conversor paramétrico utilizada neste trabalho é a de

um único sinal de bombeio no caso degenerado no qual o comprimento de onda de

bombeamento, λp = 2π c / ω1, deve estar próximo ao comprimento de onda de

dispersão zero, λ0 = 2π c / ω0, que λp > λ0 (em nm), como mostrado na Figura 8.

Nessa situação, após a propagação do bombeamento e sinais de teste em λp e λs,

respectivamente, pela geração da fibra óptica, o sinal idler (λid) ocorre em ωi = 2ωS

- ωP (λi = 2π c / ωi), devido ao processo FWM.

Figura 8: Conversão baseada em FWM (Consequência da amplificação paramétrica).


Para que ocorra a conversão dentro da banda Convencional (banda C)

é necessário que o CCO possua dois estágios de conversão no processo

degenerado de FWM. Onde inicialmente, o primeiro estágio converta o

comprimento de onda para fora da banda C e na sequência o segundo estágio

translade, novamente, o comprimento de onda para dentro da faixa da banda

Convencional. Desta forma, os sinais de bombeio utilizados são intencionalmente

diferentes para produzir uma diferença de comprimento de onda (Δ ). A Figura 9

ilustra os estágios de conversões descrito anteriormente.


Figura 9:Conversão de comprimento de onda em dois estágios dentro da banda C.


Este dispositivo a ser aplicado no contexto da rede óptica, portanto, é

importante permitir que ele considere conversões em cascata. Diversos estudos já

foram realizados considerando diferentes topologias de rede, o número médio de

saltos gasto para encaminhar uma informação para o seu endereço de destino.

Este é um parâmetro importante para avaliar as penalidades adicionadas no sinal

durante o processo de conversão e quantas vezes o sinal pode ser convertido.

Normalmente, se um sinal gasta um determinado número médio de saltos (h) para

chegar ao seu destino, o número máximo de conversões que pode realizar é de (h-

1). Assim, como podemos ver na Tabela 2, para vários tipos de topologias de rede

usada como referências de estudo, o número médio de saltos é de cerca de 3, o

que significa que, na pior situação, um sinal pode ser convertido 2 vezes. A Figura

10 mostra em diagrama de blocos uma conversão genérica de comprimento de

onda entre quatro nós de rede.

Figura 10: Conversão de comprimento de onda entre quatro nós de rede.



Tabela 2: Parâmetros de topologia de rede.

Topologia de rede Média do número de saltos

(hops)

Máximo de conversão

em cascata

German Network 2,8088 3-1=2

Pan-European

Network

2,327 3-2=2


C a p í t u l o 4 . P r o c e d i m e n t o s e c o n d i ç õ e s d e s i m u l a ç ã o d o m o d e l o | 45

4. PROCEDIMENTOS E CONDIÇÕES DE SIMULAÇÃO DO MODELO

Neste capítulo serão apresentados os procedimentos e condições de

simulação considerando a aplicação de conversor paramétrico baseado em FWM

no contexto de uma rede EON. Para este projeto foi utilizado o

VPItransmissionMaker™Optical Systems (Version 9.9) disponibilizado no

laboratório de Engenharia Elétrica da PUC Campinas. As simulações seguiram as

seguintes etapas:

4.1. Configuração do transmissor no modo back to back

Esta etapa teve como objetivo principal validar somente o transmissor

da simulação, onde foi configurado o transmissor considerando sinal com

modulação multiníveis QPSK ou 4 QAM e taxa de transmissão de 56 Gbps. Para

esta validação o transmissor foi conectado diretamente ao receptor, arquitetura

também conhecida como back to back. Foram utilizadas as seguintes frequências:

frequência central (CH N:190,0 THz) e as frequências superiores e inferiores foram

ajustadas conforme o espaçamento do canal, o qual foi variado de 37,5 GHz, 43,75

GHz e 50 GHz respectivamente. O parâmetro utilizado para mensurar a qualidade

do sinal foi a taxa de erro de símbolo (SER). Na Figura 11 é apresentado o modelo

de referência de uma da arquitetura back to back e para os canais CH (N-1), CH N

e CH N+1, podemos observar na Figuras 12 os resultados da simulação, onde

percebemos uma melhora na resposta direta da SER a partir da frequência de

43,75 GHz até 50 GHz.

Figura 11: Configuração básica da arquitetura back to back.



Figura 12: Resultados da SER na configuração back to back.


4.2. Configuração do transmissor para diferentes níveis de OSNR e

potência de recepção

Nesta etapa, após a validação da etapa (A), foi realizada a variação dos

espectros dos três canais em questão e análise da SER em função dos níveis de

potência óptica no receptor e da OSNR.

Nas Figuras 13, 14 e 15 são apresentadas os resultados da resposta da

taxa de erro de símbolo dos canais CH (N-1), CH N e CH (N+1) em função da

variação do espaçamento espectral, da relação OSNR compassado entre 16 a 26

dB/0,1 nm e considerando os seguintes níveis de potência óptica de recepção,

comumente praticada em sistemas comerciais, de zero e -15 dBm.

Nesse cenário, observamos uma melhora no desempenho do sistema

com o aumento da banda dos três canais, diretamente correlacionado com os níveis

de potência óptica da recepção.


Figura 13: Resultado da SER na configuração back to back variando a OSNR e potência de recepção para o canal CH (N-1).



Figura 14: Resultado da SER na configuração back to back variando a OSNR e potência de recepção para o canal CH N.



Figura 15: Resultado da SER na configuração back to back variando a OSNR e potência de recepção para o canal CH (N+1).


4.3. Implementação do conversor de comprimento de onda na banda C,

considerando sinais de transmissão em uma EON

Nesta última etapa, consolidando as etapas de simulação, temos a

implementação da conversão em cascata considerando os sinais EON.

Inicialmente, no primeiro estágio ocorre a conversão dos canais CH (N-

1), CH N e CH (N+1) para fora da banda convencional; os canais são acoplados de

forma óptica, juntamente com o sinal do primeiro bombeio e, logo após, são

direcionados para uma fibra do tipo HNLF. Na saída da fibra HNLF do primeiro

estágio, os sinais são filtrados por um filtro passa-faixa (FPF) tendo a finalidade de

eliminar o bombeio (fp1) dos sinais convertidos fora da banda C. Na sequência um

novo estágio de conversão é implementado, assim os sinais convertidos no primeiro

estágio são acoplados para um segundo estágio que conjuntamente com o sinal do

segundo bombeio (fp2) são aplicados na fibra HNLF, onde finalmente serão

transladados para a banda C e filtrados por mais um filtro passa-faixa para eliminar


a frequência de bombeio (fp2). A Figura 16 ilustra o modelo do conversor em

cascata utilizado na simulação computacional. Enquanto, na Tabela 3 encontram-

se as configurações e as características das frequências de bombeio e da fibra

óptica altamente não linear (HNLF).

Figura 16: Diagrama do setup do conversor.


Na simulação em cascata, os resultados das simulações mostram que à

medida que o número de conversões aumenta, comprova-se que o sistema

apresenta um padrão determinado de frequência de saída dos sinais convertidos

(fcn) igual a seguinte equação: 𝑓𝐶𝑁 𝑖 = ∗ 𝑓𝑝 − ∗ 𝑓𝑝 − (𝑓𝐶𝑁 𝑖 − ) 4

onde fCn é o valor da frequência convertida e (i) o número de loops realizados pelo

sinal, as frequências fp1 e fp2 são sinais de bombeio e o canal central (CH N)

fixado em 1556.83 nm (192.58e12Hz) e 1556.63 nm (192.63e12 Hz) considerando

potências de Pp1 e Pp2 fixadas em 350 mW e 250 mW.


Tabela 3: Características do bombeio e fibra óptica.

Parâmetros (ud) HNLF 1 HNLF 2

Comprimento (km) 3,0

Índice de refração 1,47

Atenuação (α) (dB/km) 0,83

Comprimento de onda de zero

dispersão (nm) 1555,35

Dispersão (ps/nm.km) 0,015

Slope (ps/nm2/km) 0,017

Coeficiente de não linear (W-1km-1) 9,1

Bombeio P1 e P2 (nm) 1556,83 1556,63

Bombeio P1 e P2 (W) 35e-02 25e-02

Largura de linha (Hz) 100e3


Outro aspecto importante durante este processo de conversão é a

existência de uma banda limitada de conversão associada a característica da fibra

HNLF e que a quantidade de conversão é diretamente proporcional ao tamanho

desta banda. Na Figura 17 esboça-se o deslocamento da frequência nos intervalos

de tempo t1, t2 e t3 de conversão ao longo de uma banda do conversor, sendo o

limite delimitado pela proximidade da frequência do sinal com a do bombeio.

Figura 17: Mapa temporal de frequência do conversor paramétrico.


C a p í t u l o 5 . R e s u l t a d o s | 52

5. RESULTADOS

Neste capítulo serão apresentados os resultados referentes a qualidade

do sinal considerando as condições de utilização de banda espectral em uma rede

óptica elástica, utilizando a conversão de comprimento de onda totalmente óptico

através do processo de mistura de quatro ondas utilizando uma fibra altamente não

linear.

5.1. Simulações e discussão

Conforme citado no capítulo anterior, consideramos a transmissão de

três canais com alocação espectral variável, entre 37,5 GHz e 50 GHz com passos

de 6,25 GHz, carreando sinais de uma sequência de bits pseudo-aleatórios

modulados em QPSK e com uma taxa de transmissão de 56 Gbps.

A seguir, apresentamos os resultados obtidos por meio de simulação

computacional considerando a conversão do sinal em modo cascata considerando

alocação espectral dentro de uma EON. Primeiramente, foram executadas

simulações variando a potência óptica de recepção e a relação sinal/ruído óptico

(OSNR) dos canais CH (N), CH (N-1) e CH (N+1).

Nas Figuras 18 a 20 são apresentados os resultados da SER em função

da OSNR, espaçamento de canais e número de conversões sequenciais

realizadas.


Figura 18: Resultado da SER do canal CH (N): (a) 1ª conversão, (b) 2ª conversão, (c) 3ª conversão, (d) 4ª conversão e (e) 5ª conversão.

(a) Fonte: produzido pelo autor.


(b) Fonte: produzido pelo autor.

(c) Fonte: produzido pelo autor.


(d) Fonte: produzido pelo autor.

(e) Fonte: produzido pelo autor.


Figura 19: Resultado da SER do canal CH (N-1): (a) 1ª conversão, (b) 2ª conversão, (c) 3ª conversão, (d) 4ª conversão e (e) 5ª o conversão.



Figura 20: Resultado da SER do canal CH (N+1): (a) 1ª conversão, (b) 2ª conversão, (c) 3ª conversão, (d) 4ª conversão e (e) 5ª o conversão.





Ao analisarmos os resultados das medidas de taxa de erro de símbolo

em função da OSNR em cascata, verificamos que, assim como na arquitetura back

to back, a taxa de erro de símbolo está diretamente relacionada com a potência

óptica percebida no receptor óptico, com a OSNR e a banda espectral dos três

canais simulados. Ou seja, à medida que o valor da potência óptica de recepção

diminui de 0 para -15 dBm, observamos uma maior penalidade que é impacta na

taxa de erro de símbolo (SER) de todos os canais.

5.2. Gráficos de potência de diagrama de constelação

Nesta seção é apresentada os espectros referentes aos sinais de

entrada e após as conversões, do estágio 1 e 2, e os diagramas de constelação

para o sinal físico gerado e convertido nas simulações realizadas com o conversor

paramétrico adotado neste trabalho. A Figura 21 ilustra (a) o resultado do espectro

óptico de cinco conversões, utilizando um espaçamento entre canais de 37,5 GHz

com uma potência de recepção de -15 dBm e OSNR de 26 dB/0,1 nm e (b) o

diagrama de constelação das respectivas conversões para uma frequência de

referência de 190e12 Hz.


Figura 21: Espaçamento entre canais de 37,5 GHz; Potência de recepção (Prx): -15 dBm e OSNR: 26 dB/0,1nm.

(a)

Fonte: Produzido pelo autor.

(b) Fonte: Produzido pelo autor.


(a) Fonte: Produzido pelo autor.



Dando sequência, A Figura 22 ilustra (a) o resultado do espectro óptico

de cinco conversões, utilizando um espaçamento entre canais de 37,5 GHz com

uma potência de recepção de -15 dBm e OSNR de 26 dB/0,1 nm e (b) o diagrama

de constelação das respectivas conversões.

Figura 22: Espaçamento entre canais de 43,75 GHz; Potência de recepção (Prx): -15 dBm e OSNR: 26 dB/0,1nm.






E finalmente, a Figura 23 ilustra (a) o resultado do espectro óptico de

cinco conversões, utilizando um espaçamento entre canais de 37,5 GHz com uma

potência de recepção de -15 dBm e OSNR de 26 dB/0,1 nm e (b) o diagrama de

constelação das respectivas conversões.


Figura 23: Espaçamento entre canais de 50 GHz; Potência de recepção (Prx): -15 dBm e OSNR: 26 dB/0,1nm.



C a p í t u l o 6 . C o n c l u s ã o | 77

6. CONCLUSÃO

Neste trabalho foi abordado o histórico das redes ópticas de grade fixa,

a transição das redes de grade fixa para grade flexível, os aspectos dos principais

formatos de modulação empregados nas redes ópticas, o princípio do efeito da

mistura de quatro ondas, visão geral do processo de conversão de comprimentos

de onda totalmente óptico e o uso do conversor paramétrico baseado em fibra

HNLF. Além do processo de testes e avaliação de desempenho do conversor de

comprimento de onda totalmente óptico de dois estágios utilizando a simulação

computacional.

Nesse cenário, estudamos experimentalmente a conversão de

comprimento de onda de um sistema EON com três canais, CH (N-1), CH N e CH

(N+1) operando a 56 Gbps utilizando sinais com modulação QPSK, dentro da

banda C, em grade flexível, usando o método degenerado de

amplificação/conversão paramétrica por meio do processo de mistura de quatro

ondas (FWM) através de uma fibra óptica altamente não linear (HNLF), onde

mensuramos e avaliamos o desempenho dos canais utilizando a taxa de erro de

símbolo (SER) para os níveis de potência de recepção óptica de 0 dBm e –15 dBm

consorciado com a OSNR variando de 16 a 26 dB/0,1 nm.

Através dos processos de simulações foi possível validar o

funcionamento do dispositivo do conversor óptico baseado em dois estágios de

conversão considerando transmissão de sinais no contexto de uma EON, onde são

alocados em conjunto de slots de frequências (FSUs) de 6,25 GHz. A quantidade

máxima de conversões é limitada pela banda de operação da fibra definida pelo

coeficiente de não linearidade da HNLF. Para este estudo foi considerada cinco

conversões, pois como se trata de simulações com alto grau de processamento de

dados e havia a restrição de desempenho computacional para realização de

simulações de mais alto nível.

Ressaltando que o uso de conversores de comprimento de onda

totalmente óptico apresenta-se como uma alternativa viável no que tange,

principalmente, ao problema de roteamento e alocação espectral, à transparência

e à diminuição da latência devido à conversão quando comparado aos sistemas de

conversão opto-eletro-óptica (O-E-O). Isto impactará diretamente nas capacidades

das futuras redes ópticas, onde vislumbra uma demanda exponencial do

C a p í t u l o 6 . C o n c l u s ã o | 78

crescimento de tráfego. Dessa forma, a expectativa que este estudo contribua para

a otimização das conversões totalmente óptica em redes EON.

Para trabalhos futuros pretende-se analisar mais quantidade de canais

convertidos e quantidade de conversões para toda a banda disponível para a

conversão.

| 79

7. TRABALHO PUBLICADO

Analysis of Multichannel Signal Transmission using a flexible spectral allocation

method in Elastic Optical Networks

• Setembro 2018.

• DOI: 10.1109/SBFoton-IOPC.2018.8610951.

• Conference: 2018 SBFoton International Optics and Photonics Conference

(SBFoton IOPC).

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8. REFERÊNCIAS

AGRAWAL, G. Nonlinear Fiber Optics. 5. ed. Rochester: Academic Press, 2012.

AGRAWAL, G. Sistemas de Comunicação por Fibra Óptica. 4. ed. Rio de Janeiro: Elsevier Brasil, 2014.

AZODOLMOLKY , S. et al. Experimental Demonstration of an Impairment Aware Network Planning and Operation Tool for Transparent/Translucent Optical Networks. Journal of Lightwave Technology, Piscataway, Nova Jersey, 2011.

AZODOLMOLKY, S.; MIROSłAW, K. A survey on physical layer impairments aware routing and wavelength assignment algorithms in optical networks. Elsevier: Amesterdã, 2008.

BARNETT, T. J. Cisco Visual Networking Index (VNI) Update Global Mobile Data Traffic Forecast. CISCO: California, 2017.

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APÊNDICE

Apêndice A: Bloqueio

Neste apêndice é apresentado um breve estudo referente ao parâmetro

de bloqueio (%) para três topologias bem conhecidas que são: NSFNET,

GERMANY e EUROPEAN OPTICAL NETWORK. Com este estudo pode-se

justificar parcialmente, o benefício da aplicação dos conversores de comprimento

de onda nos nós de uma rede óptica, impactando na redução do bloqueio dos

serviços que nela trafegam.

Para mensurar o bloqueio foi desenvolvido por alunos do grupo de

“Sistemas Fotônicos e Internet Avançada da Pontifícia Universidade Católica”,

ferramentas de simulação de redes baseada na linguagem C++1, em que foi

possível montar os seguintes cenários:

1. Cada nó da rede gera fluxo de tráfego para todos os outros nós da rede;

2. o número total de pacotes gerados por cada nó: 100.000;

3. algoritmo de roteamento adotado: Basic;

4. algoritmo para escolha do wavelength adotado: First Fit.

Figura 24: Rede óptica de referência NFSNET.

Fonte: Adaptado, disponível em: <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NSFNET_14nodes.s vg>. Acesso em: 30 mai. 2019.

1 Disponível em: <https://github.com/victorcesaroni/IniciacaoCient2018>. Acesso em: 30 mai. 2019.

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Figura 25: Rede óptica de referência “German Network”.

Fonte: Adaptado de Betker, 2003.

Figura 26: Rede Pan-europeia (Europe Optical Network - EON) definida no projeto europeu COST 266.

Fonte: Adaptado de Betker, 2003. Rede óptica de referência NFSNET. Disponível em: <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NSFNET_14nodes.s vg>. Acesso em: 30 mai. 2019.

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De acordo com os resultados referente ao bloqueio nota-se, o que já era

esperado que com a implementação do conversor no nó de uma rede reduza a

porcentagem de bloqueio de chamadas. Conforme apresentado na Tabela 3:

Tabela 4: Resultados referente ao bloqueio.

Wavelengths

Bloqueio (%)

Germany European Optical Network

Sem

conversor

Com

conversor

Sem

conversor

Com

conversor

1 49,4 49,3 49,4 49,3

5 17,3 15,5 17,3 15,5

10 12,7 8 12,7 8

15 12,6 5,2 12,6 5,2

20 12 3,6 12 3,6

25 12,3 2,6 12,3 2,6

30 11,8 1,9 11,8 1,9

Fonte: Produzido pelo autor.

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estudo da aplicaÇÃo de conversores de comprimento …

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