PON: Redes Ópticas de Acesso de Baixo Custo Este tutorial apresenta os conceitos básicos e características da tecnologia de Redes Ópticas Passivas(Passive Optical Network - PON).

William Penhas Sanchez Engenheiro de Telecomunicações Pós-Graduado (Westminster University 2000) Engenharia de Sistema(DINF 1991), tendo atuado em várias áreas de telecomunicações como Redes (Ópticas, Elétricas e Wireless)Coordenação de Operação, Desenvolvimento, Gerencia e Segurança. Foi um dos pioneiros em tecnologiasPON (derivação passiva de fibra óptica) e processos de NGN (Next Generation Network). Ocupou várias posições de coordenação e administração no segmento de telecomunicações em vários paisesda Europa e Leste Europeu. Entre outras posições foi engenheiro de pesquisa do centro de pesquisasaplicadas da British Telecom - UK (BTexact) onde também trabalhou como coordenador sênior deplanejamento e operação de redes para Europa e Leste Europeu. Trabalhou também para o setor deeducação em Londres como conselheiro de novas tecnologias pela instituição City and Islington Corp. Fundou em 2001 a empresa www.ATMPON.net especializada em segurança digital e soluções específicaspara operadoras de telecomunicações e corporações com grande volume de tráfego de rede. Atualmente dedica-se também ao empreendimento www.OnGroove.com, especializado em broadcast streamem tempo real e atendimento de demandas de sons e imagens digitais via internet utilizando as tecnologiasDSB (Digital Sound Broadcast) e DVB (Digital Vídeo Broadcast).

Categoria: Redes Ópticas

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

Duração: 20 minutos Publicado em: 28/06/2004

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PON: O que é Uma rede PON (Passive Optical Network) consiste de equipamentos (OLT - Optical Line Terminal)localizados nas bordas dos anéis ópticos das redes de transporte SDH, conectados nos equipamentos ADM,de um lado, e pelo outro lado conectados em vários outros equipamentos (ONU - Optical Network Units ouONT - Optical Network Terminal) localizados em condomínios, gabinetes nas calçadas, sites e residências.Então percebemos que está tecnologia é uma solução de acesso de última milha (Last-Mile).

Figura 1 O sinal óptico é transmitido pelo OLT por uma única fibra. A essa fibra são feitas derivações através do usode divisores ópticos passivos (POS - Passive Optical Splitter) para conectá-la às ONU's e ONT's. Cada ONUe ONT transmite e recebe um canal óptico independente e prove para os usuários finaisl alocação dinâmicade banda entre 1Mbit/s e 1Gbit/s, para as aplicações de voz, dados e vídeo. Nos pontos de terminação das ONU's e ONT's os fluxos downstream e upstream são multiplexados na fibraóptica usando diferentes comprimento de onda e viabilizando transmissões simultâneas. Em 1995, grandes operadoras no mundo (NTT, BT, France Telecom, etc) e seus fornecedores deequipamentos iniciaram uma discussão para desenvolver uma solução de acesso completa para voz, dados evídeo. Na época duas opções lógicas surgiram para protocolo e planta física: ATM e PON. ATM porque éviável para múltiplos protocolos e PON porque é a opção mais viável, da perspectiva financeira, parasoluções de ´broadband´ óptica em larga escala. O modelo ATM e PON criou o comitê FSAN (Full ServiceAccess Network), o qual implementou o padrão ITU-T G.983 - Broadband optical access systems based onPassive Optical Networks (PON). Embora o FSAN tenha sido o comitê de padronização para fabricação de equipamentos para redes PON, abatalha atual no próprio comitê FSAN é pelo padrão de interoperabilidade (comunicação de equipamentosde diferentes fabricantes) dos equipamentos de redes PON. Tendo em vista que o comitê é formado em suamaioria por fabricantes de equipamentos, cada um tenta eleger o seu modelo de fabricação como padrãopara todos os fabricantes, diferentemente das interfaces Ethernet e SONET que se comunicam entre si,mesmo sendo de fabricantes diferentes. Já existem muitas aplicações PON em operação viabilizadas pelas operadoras NTT (Japão), DT (Alemanha),BT (Inglaterra) e BellSouth (Canadá). Alguns dos maiores parques instalados de PON são os backbones deTokyo e Osaka da NTT (Japão). Outras regiões no mundo também começam a se destacar no cenário PON,como é o caso na Korea, Taiwan, Singapura e China. Principalmente os paises asiáticos estão investindo altono conceito de transporte de vídeo e dados para residência por fibra óptica em redes PON. Também muitascompanhias privadas com alto volume de tráfego utilizam o conceito de PON's para viabilizar conectividadede baixo custo entre suas unidades de negócios.

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O grande desafio nos dias atuais é estender a transmissão óptica até o usuário final (residência e empresas)com uma solução viável do ponto de vista financeiro para os provedores de conectividade. Uma solução queviabilize financeiramente este desafio é composta pelo compartilhamento da enorme capacidade da fibraóptica entre os usuários e seus grupos, pela amortização adequada dos custos dos equipamentos através doganho de escala no atendimento das demandas (atuais e potenciais), pela flexibilidade e otimização do usoda fibra através da alocação dinâmica da banda, e pela diversificação dos serviços e viabilidade de criaçãode um mix de portifolio para balanceamento das opções ofertadas. A tecnologia PON oferece esse tipo desolução. A figura a seguir apresenta uma comparação entre uma rede convencional atual e a rede PON.

Figura 2

<- Modelos Atuais

<- Modelo PON

A rede PON tem uma arquitetura ponto-multiponto que permite que uma única fibra seja compartilhada pormúltiplos pontos finais (residências e empresas), não existindo elementos ativos entre o equipamento OLT eos elementos ONU's e outras OLT's (os divisores ópticos são elementos passivos) e com isto economizandoenergia, espaço em sites e manutenção de equipamentos eletrônicos. Como resultado da soma das características da rede PON temos um custo efetivo que representa uma fraçãopequena dos custos das arquiteturas ópticas atuais: ponto-a-ponto e anéis.

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PON: Características A derivação passiva de sinal óptico (splitting) significa custo baixo. Recentemente temos visto o sucesso datecnologia para o atendimento de demanda por banda através de arquiteturas WDM e outras tecnologias(core) ópticas. Porém, na camada de acesso não tivemos o mesmo sucesso tecnológico: o xDLS tem´resolvido´ momentaneamente o problema de velocidade de acesso em residências e empresas viabilizandolinks na modalidade de sub-taxas (menor que 2.048 Kbit/s), sendo que está é uma tecnologia de curto prazoe desenvolvida para a exploração (financeira) ao máximo dos pares metálicos já instalados nas redestelefônicas e que possibilita que as operadoras não tenham que investir em aumento de qualidade, valoragregado e aumento de garantia de serviços (SLA) compatíveis com os padrões que o acesso óptico deúltima milha (Last-mile) oferece. A figura a seguir apresenta a Banda de Operação de uma Rede PON.

Figura 3 Uma solução para este problema de acesso é estender a fibra óptica o mais perto possível do usuário final.Porém, a tecnologia padrão não viabiliza financeiramente está solução. As tradicionais opções baseadas emATM switching e IP routing em links dedicados ponto-a-ponto são inviáveis para pequenas e médiasempresas e para as residências em termos de custo operacional e complexidade. Uma solução de bom senso é o compartilhamento da enorme capacidade de banda da fibra óptica em grupose sub-grupos de usuários:

Isto habilita os provedores de acesso amortização de seus custos de equipamentos e operação, tendoem vista o ganho de escala para o atendimento de um grande numero de assinantes de serviços bemcomo o mix de portifolio.

A banda poderá ser utilizada de maneira mais eficiente e flexível por ser alocada dinamicamente.

O trafego em ´rajadas´ e a habilidade de alocação dinâmica de banda são importantes vantagens. Oprovedor de serviços poderá definir para cada assinante de seus serviços de acesso a banda que omesmo irá utilizar e basear seu SLA (Service Level Agreement) nesta alocação de banda emonitoração do QoS (Quality of Service) real e individual de cada link (serviço) contratado.

A solução PON fornece redes que têm um baixo custo de implementação e operação e oferecem conexõespor fibra óptica compartilhada para condomínios, sites e residências (Fibra até Condomínios - FTTB, Fibraaté a calçada - FTTC e Fibra até residências - FTTH). Uma rede PON é uma rede óptica ponto-multiponto que viabiliza o compartilhamento de uma única fibraóptica entre diversos pontos finais (usuários). Não existem elementos ativos entre o equipamento doprovedor de acesso (OLT) e o CPE (Customer Premises Equipment) instalado junto ao equipamento de

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aplicação do usuário. Desta forma, esta solução provê uma clara economia nos custos de operação,manutenção e implementação. Também a solução PON pode ser implementada por uma fração dos custosdas redes ópticas ponto-a-ponto tradicionais. Os elementos básicos de uma rede PON são: OLT (Optical Line Terminal): esteequipamento viabiliza os serviços para osusuários finais e controla a qualidade doserviço (QoS) e o SLA, entre outras tarefas.A OLT é o elemento de realiza amultiplexação dos diferentes usuários nafibra óptica. A primeira geração de PONsoperava de forma muito semelhante aoTDM (Time Division Multiplexing) onde abanda era deterministicamente alocada parao usuário: uma vez que a banda fossealocada era impossível à utilização destabanda por outro usuário. Com a evoluçãodas gerações de PON's, a alocação de bandase tornou dinâmica. A reutilização da bandanos métodos de operação através daalocação dinâmica considera o perfil dotrafego. O método de alocação e operaçãoconsidera também as políticas de QoS eSLAs configuradas para cada usuário final.

Figura 4

ONU (Optical Network Terminal): Esteequipamento é simples e converte o sinalóptico das OLT para as portas padrões dosequipamentos de aplicação do usuário final:ATM, Ethernet, IP, etc.

Figura 5 A tecnologia PON foi projetada para evitar os altos custos de conexões ópticas ponto-a-ponto para cada site,condomínio, residência, etc. A alta capacidade de banda de um sinal ótico de uma única fibra é enviada paraum ou mais divisores passivos (splitters) e retransmitido para múltiplos equipamentos ONU's. Cada ONUtransmite e recebe sinais em um canal próprio e com banda dinamicamente alocada e QoS e SLAsindividuais. A inteligência´ de operação da OLT avalia os QoS e SLAs individuais e a disponibilidade dosegmento PON que ele opera, e então é aplicada a alocação dinâmica de banda bem como a viabilidade docompartilhamento deste segmento PON.

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PON: Topologia de Rede A topologia PON é extremamente flexível e se adapta facilmente de acordo com a necessidade de suaoperacionalização. A derivação passiva de fibra óptica viabiliza muitas opções de configuração de planta. Atualmente as aplicações PONs em operação operam com até 64 ONUs por cada OLT. As opções detopologias de redes PONs são: Topologia ANEL: Em uma topologia de rede em anel, duas ONUs sãoconectadas a uma OLT criando dois segmentos PONs:PON-A e PON-B. A partir da primeira ONU do segmentoPON (A ou B) são conectadas as outras ONUs de maneiraserial formando um barramento óptico. Então cada ONU dobarramento funciona como um derivador ótico ativo(splitter 1:1) ou um elemento passante como no SDH. Aofinal dos barramentos as ultimas ONUs da topologia sãoconectadas entre si e então fecham um anel óptico a partirde dois segmentos PONs (barramentos). As grandesvantagens desta topologia são: a redundância da rede e apossibilidade de configuração do custo métrico de tráfego,onde é possível indicar a direção mais rápida para otráfego, seja ela no sentido leste ou oeste.

Figura 6

Figura 7

Topologia ÄRVORE: Em uma topologia de rede em árvore as ONUs sãoconectadas a uma OLT por um único segmento PON.A partir dessa OLT conecta-se um segmento de fibraóptica denominado ´Deep Fiber , que então recebe umderivador passivo (splitter). O primeiro derivador deveter, no mínimo, um fator de derivação de 1:2 ou sejaum ´splitter´ cria dois sub-segmentos de fibra. Na figuraao lado o fator de derivação é de 1:3, ou seja, um´splitter´ criou três sub-segmentos de fibra. A maior vantagem desta topologia é quando as ONUsestão relativamente distantes da OLT e/ou estãoconcentradas a partir de uma certa distancia onde nãoexistem ONUs intermediarias. Neste caso podemoslançar, por exemplo, 15 km de segmento de fibra ´deepfiber´ e somente começar a derivação deste segmento apartir desta distância de 15km.

Topologia BARRAMENTO:

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Em uma topologia de rede em barramento (BUS) as ONUssão conectadas a uma OLT através de um segmento de fibraóptica ´deep fiber , que então recebe vários derivadorespassivos com o fator de derivação de 1:2, ou seja, um´splitter´ cria dois sub-segmentos de fibra como na figura aolado. Um dos sub-segmentos obtidos serve de conexão para aONU e o outro serve como caminho passante para o próximo´spliter´. A utilização desta topologia se aplica de forma contrária atopologia em árvore, já que entre a OLT e a ultima ONUexistem varias outras ONUs com distância relativamentecurta entre uma e outra ONU. Esta topologia é útil paraaplicações de abordagem nas ruas ('Fiber To The Curb'), ondecria-se o segmento ´deep fiber´ e então instala-se pequenosgabinetes de distribuição nas calçadas ou postes onde estarãoos derivadores e/ou ONUs distribuindo conectividade viafibra óptica, cabo coaxial ou wireless para os usuários finais.

Figura 8

Uma planta típica de uma rede PON em operação contempla um misto de topologias de acordo com aestratégia de implantação e com grande flexibilidade de arquitetura. A figura abaixo ilustra uma aplicação típica de ganho de escala no atendimento e mix de portifolio comtopologia flexível em redes PONs.

Figura 9

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Redes PON: Padrões e Recomendações Em 1995 se iniciou a discussão sobre um serviço que agregasse voz, vídeo e dados em uma solução completade acesso. Nascia então o comitê FSAN (Full Service Access Network). Desde então o padrão FSAN éaceito para a arquitetura e o desenvolvimento dos equipamentos, topologias e aplicações para redes PON. A maior questão no momento em relação às redes PON não é sua viabilidade operacional ou financeira,itens que já se mostraram viáveis sobre várias perspectivas (Financeira, Clientes, Operação eDesenvolvimento). A grande questão é a interoperabilidade entre equipamentos de fabricantes diferentes,uma vez que o comitê FSAN ainda não viabilizou um padrão de construção para a industria. Este fato porémnão torna as redes PON inviáveis, tendo em vista que o conselho FSAN tem, em sua maioria, membros daindústria e forte inclinação para finalizar este padrão. Alguns dos padrões mais importantes para os elementos de uma rede PON são apresentados na tabela aseguir:

ITU-T

Código Título

G983.x (FSAN) This document describes enhancements to G.983.1 and G983.2 Amendment 1 toaccommodate an optional, improved security mechanism and a 1244.16 Mb/sdownstream line-rate.

Código Título

GR-499-CORE GR-312-CORE provides a description of the characteristics and features neededforoperation of a DS1 Interface Connector.

ANSI

Código Título

T1E1.403.1999 Supplement to T1.403-1999 - Network and Customer Installation Interfaces - DS1Electrical Interface (Supplement to T1.403-1999)

IEEE

Código Título

802.1d Concept of MAC Bridging - Bridge LANs

802.3 Congestion Management Study Group Documents

IETF

Código Título

RFC 1483 Multiprotocol Encapsulation over ATM Adaptation Layer 5

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ATM Fórum

Código Título

ATM UNI 3.1 44.736 DS3 Mbps Physical Layer 100 Mbps Multimode Fiber Interface Physical Layer155.52 Mbps SONET STS-3c Physical Layer 155.52 Mbps Physical Layer.

FCC

Código Título

FCC Part 15 This part sets out the regulations under which an intentional, unintentional, or incidentalradiator may be operated without an individual license.

O comitê FSAN e seus colaboradores são hoje uma boa referência de padrões implementados e em processode implementação na arquitetura e desenvolvimento das redes PON.

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PON: Considerações Finais As redes PON têm custo efetivo menor que as redes ponto-a-ponto no acesso óptico de ultima milha, porémisto significa muito mais do que custo atrativo. A rede PON é uma maneira de estender a fibra o mais pertopossível do usuário final, gerar muitas outras ondas de demanda por serviços e atender demandas potenciaisaté então não viáveis tendo em vista sua necessidade por banda. Mais do que competir com xDSL, modens e distribuição local multiponto (LMDS), a rede PON irácomplementar e viabilizar ainda mais estas tecnologias servindo como um importante elemento de transitoentre os Metro anéis e o acesso de última milha. Os segmentos onde as redes PONs estão operando com sucesso são descritos a seguir:

DSL e DSLAM: Uma rede PON abastece o ´loop´ digital local (DLC) das operadoras em pequenosgabinetes (DSLAM) instalados em calçadas nas ruas, como os de distribuição e concentração de linhastelefônicas.

Híbridos de Fibra e cabo Coaxial: A rede PON habilita a televisão a cabo (CATV) penetrar com fibranas redes, cortando o número de usuários por nó de 250-500 para 25-50. Isto possibilita as empresaster serviços bi-direcionais e simétricos e aplicações interativas de banda larga. Então com poucosusuários nas linhas de cabo coaxial, elimina-se o custo de amplificadores elétrico.

Wireless de banda larga: Tento em vista as limitações de distancia de sistemas LMDS e MMDSoperando em ´picocell´e ´multicell´ uma rede PON abastece a conexão entre rádio-base e a borda dosMetro anéis a um custo efetivo muito baixo.

No longo prazo as redes PONs são vistas como a tecnologia que irá viabilizar as conexões das residênciascom fibra óptica (Fiber To The Home). Alguns dos benefícios de uma rede PON incluem:

Provê acesso em fibra óptica com um custo de manutenção menor que o par metálico, permitindo àsoperadoras repassar está redução para suas margens operacionais e com isto reduzindo o custo para osseus usuários finais.

Transmite as informações em um único par de fibras para 64 elementos reduzindo em escala os custosde uma transmissão padrão ponto-a-ponto.

O uso da interface óptica é otimizada pela OLT porque uma única fibra óptica atende 64 localidades.Uma redução de 64 para 1 no número de interfaces utilizadas em relação ao tradicional ponto-a-ponto.

A alocação de banda para o usuário e feita remotamente, habilitando ao provedor de acesso oprovisionamento rápido e fácil de seus serviços.

Mantém a arquitetura das redes dos usuários intacta. As ONUs convertem o tráfego óptico para osprotocolos já existentes nas redes dos usuários (IP, Ethernet, SDH, etc), não havendo a necessidade demudanças e/ou adaptações.

Reduz os pontos de falhas em relação aos sistemas ponto-a-ponto. As redes PONs utilizam elementos

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passivos e reduzem o número de elementos elétricos na rede.

O que falta para as redes PON estarem mais presentes no mercado:

Como toda nova tecnologia, existem necessidades de: pessoal especializado, pessoal treinado efornecedores bem qualificados.

A execução de "Field Trials" bem aplicados para validar a solução do fornecedor. Esse teste deoperabilidade de ser realizado pelo lado que irá adquirir a tecnologia e não deve ser deixado parafornecedor sugerir todas as etapas e itens dos testes.

Planejamento adequado sobre redes PONs. Uma rede PON somente será viável se o investidorrealmente desejar um ganho de escala grande em curto prazo na capacidade de atendimento e novosserviços de baixo custo, bem como uma estratégia agressiva de marketing para escoar este ganho deescala de serviços e mix de portifolio em curto espaço de tempo.

Real conhecimento da tecnologia e suas possibilidades de redução de custo e variação de portifolio.

Planos práticos e realizáveis para exploração de mercado baseado em redes PONs.

O futuro das Redes PON aponta para uma convergência das OLTs e Routers em uma mesma caixaviabilizando as EPONs (Ethernet Passive Optical Network) e utilizando o sistema de 'cell switching' doATM, porque este sistema já opera em nível 2 e 3 (Datalink e Network Layer). Está convergência iráviabilizar o roteamento e o chaveamento da ordem de giga/tera bits em POPs (Point Of Presence)transportando voz, vídeo e dados IP para as bordas e para dentro dos anéis metropolitanos de transporte. Referências ANSIAmerican National Standards Institute, órgão americano responsável pelo desenvolvimento de padronizaçãopara telecomunicações. ITUThe International Telecommunication Union, órgão europeu responsável pelo desenvolvimento depadronização para telecomunicações. ATM FórumATM Fórum, órgão responsável pelo treinamento, promoção e implementação do ATM, de acordo com ospadrões e recomendações internacionais. IETFThe Internet Engineering Task Force, órgão responsável pelo desenvolvimento de padronização para aInternet (RFC). FSANThe Full Service Access Network (FSAN) Group, órgão responsável pelo desenvolvimento de padronizaçãopara as redes PON IEEEInstitute of Electrical and Electronics Engineers, orgão cuja finalidade é promover o desenvolvimento e

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aplicação das tecnologias relativas à engenharia e tecnologia da informação, e das ciências correlatas. FCCFederal Communications Commission, orgão regulador das Telecomunicações nos Estados Unidos.

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PON: Teste seu Entendimento 1. Qual alternativa representa um componente de uma rede PON:

Fibra compartilhada;

Rede física;

Alocação dinâmica de banda;

Qos e SLAs individuais;

Todas as anteriores. 2. Qual item abaixo descreve uma rede PON:

Rede ponto-a-ponto;

Rede ponto-multiponto;

Rede ponto-multiponto wireless;

Rede de topologia única. 3. As ONUs podem converter os sinal ópticos das OLT para os protocolos:

Frame-Relay;

Token Ring;

Ethernet;

OSPF.

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