redes Ópticas passivas (pons) prof. dr. murilo a romero

Redes Ópticas Passivas (PONs)Redes Ópticas Passivas (PONs)

Prof. Dr. Murilo A RomeroProf. Dr. Murilo A Romero

Murilo Araujo Romero, Ph.D. 2USPUSP São Carlos

Estrutura da apresentação

Sumário:

1. Redes Ópticas Passivas: Princípios básicos e fundamentação técnico-econômica

2. Cenário Mudial

3. Arquiteturas Básicas: GPON e EPON.

4. Visão de Futuro:

4.1 Principais tendências evolutivas

4.2 Aspectos de WDM-PON

5. Conclusões e Agradecimentos

Objetivo: fornecer um panorama do estado da arte em redes ópticas passivas, apontando as tendências predominantes para a

sua evolução. Sempre que pertinente será contextualizada a produção científica da EESC/USP.

Murilo Araujo Romero, Ph.D.USPUSP São Carlos

Evolução das redes de comunicações:Redes Ópticas Passivas para FTTH (Fiber to the Home)

Public data networks

Public telephone network

Broadcasting networks

Wireless access networks

PSDNPSDN

CATV netCATV net

WirelessNet

WirelessNet

PSTNPSTN ADSLFTTC/VDSL

ADSLFTTC/VDSL

IMT-2000IMT-2000

PCN/PCSPCN/PCS

FTTHFTTH

NISDNNISDN

HFCHFC

BroadbandSubscriberNetwork

BroadbandSubscriberNetwork

BISDN


Evolução da Capacidade de Transmissão em Sistemas Ópticos em Backbone

Fonte:Bell Labs TechnicalJournal, Março 2002


Contraste: Tecnologias para Redes de Acesso

(“Subscriber Loop”)

14.4-56 Kb/s14.4-56 Kb/s

Acesso Rádio – Wi-Fi, WiMax, LMDSAcesso Rádio – Wi-Fi, WiMax, LMDS

ADSL completoADSL completo

ADSL Lite ADSL Lite

RDSIRDSI

Modem “Dial-Up”Modem “Dial-Up”

Rede Óptica Passiva - PONRede Óptica Passiva - PON

14.4 kb/s14.4 kb/s 100 Mb/s100 Mb/s

1.5-45 Mb/s1.5-45 Mb/s

56Kb/s-10 Mb/s56Kb/s-10 Mb/s

2.5-8 Mb/s2.5-8 Mb/s

128Kb/s-1.5 Mb/s128Kb/s-1.5 Mb/s

56-128 Kb/s56-128 Kb/s

HFC/Cable modem HFC/Cable modem


Requisitos típicos de largura de banda para várias aplicações

Aplicação

Sentido Downstream

VoIP 80 Kbps

Videofone 124 Kbps – 2Mbps

Jogos on-line 256 Kbps

TV (MPEG-2) 3-5 Mbps

TV (MPEG-4) 2-4 Mbps

HDTV (MPEG-2) 18-20 Mbps

HDTV (MPEG-4) 8-15 Mbps


Esquemas de Última/Primeira Milha: Distância Coberta e Largura de Banda Disponível

8 Mbps8 Mbps

25 Mbps25 Mbps

50 Mbps50 Mbps

100 Mbps100 Mbps

4 Mbps4 Mbps

0,6 km 0,6 ~ 2km 2,0 ~ 3,4km

FTTHFTTH FTTHFTTH

FTTHFTTH FTTHFTTH FTTHFTTH

FTTHFTTH FTTHFTTH FTTHFTTH

ADSL2+

ADSL2+

VDSL2

VDSL2

ADSL2+

ADSL2+

ADSL2+

ADSL2+

ADSL2+

ADSL2+ FTTHFTTH

ADSL2+

ADSL2+


Arquitetura de Redes Ópticas Passivas (PON) com Derivação VDSL

Anel Óptico

Ponto deComutação

FTTB: Fiber-to-the-buildingFTTC: Fiber-to-the-curbPON: Passive optical networkVDSL: Very-high-speed digital subscriber line

FTTB: Fiber-to-the-buildingFTTC: Fiber-to-the-curbPON: Passive optical networkVDSL: Very-high-speed digital subscriber line

Fibra Óptica

FTTB

FTTB

FTTB

FTTC

FTTCVDSL

VDSL

VDSL

As redes PON possibilitam migração suave para uma topologia FTTH (Fiber to the Home): 8 milhões de usuários no Japão, 2007, NTT e KDDI

Divisor ÓpticoPassivo


Cenário MundialEstimativa da Empresa de Consultoria OVUM para o Final de 2006:290 milhões de assinantes de banda larga

X-DSL = 68%

HFC/Cable Modem = 23%

FTTH (PON + Ethernet PtP) = 7%

Wireless = 3%

FTTH hoje: Ásia/Pacífico (87%); Europa (10%) e América do Norte (3%)

Previsão para 2010: 81 milhões de usuários


Motivadores Econômicos vs. Fatores Inibidores

• A CAPEX (Capital Expendinture) para FTTH se reduziu de

US$ 4.000,00 no ano 2000 para US$ 1.000,00 em 2005.

• A substituição de cobre por fibra permite uma redução no OPEX

(Operation-and-Maintenance Expense) de US$ 125,00 assinante/ano.

• Fonte: IEEE/OSA JLT, Dezembro/2006 (obs: grande variabilidade em função dadensidade populacional).

• Inibidor: Políticas Regulatórias de LLU (“Local-Loop Unbundling”)

• Inibidor: As redes de acesso ainda não são predominantemente “video-cêntricas”


Arquitetura Básica: x-PON

HomeSwitch nodePON headend node Local

exchangeCabinet

Curb

FTTBus/FTTH

SW

SW

SW

SW

OLT

OLT

OLT

OLT

ONU

ONU

ONU

NTE

NTE

NTE

ONUNTE

SDH PON ADSL

VDSL

VDSL

UNI

FTTEx

FTTCab

FTTC/FTTBus


Padrões: GPON vs. EPON - Timeline

ANO

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008VE

LO

CID

AD

E D

E T

RA

NSM

ISS

ÃO

(M

bits

)

100

1000

ATM-PON – 54 Mbits/s

ATM-PON 155 Mbits/s

BPON622 Mbits/s

EPON1.25 Gbits/s

GPON2.5 Gbits/s


Padrões: GPON vs. EPON - Comparação

O padrão E-PON prevalece na Ásia, enquanto as empresas Verizon, AT&T, Qwest, BellCanada, France Telecom, DT, Telefonica e Telecom Italia estão optando pelo GPON.

ITEM G-PON (FSAN/ITU-T)

IEEE E-PON

Tráfego Full Service (Ethernet,

TDM, POTS) Ethernet Data

Frame Empregado

GEM Frame

(Camada GTC)

Ethernet Frame

Máximo Alcance

Físico

20 km 20 km

Split ratio (máximo)

64 32

Taxa de Transmissão

2.5 Gbits/s (down) e 1.25 Gbits/s (up)

1.25 Gbits/s (bidirecional)


Tendências de Evolução: Diminuição dos COs com redução deCAPEX e OPEX

OLT

ONUONU

ONUONU

BACKBONE METRO ACESSO

SPLITTER

~80 km ~20 km

TERMINALREMOTO

CENTRAL(FRONTEIRA)

OLT

ONUONU

ONUONU


SPLITTER

~80 km ~20 km

TERMINALREMOTO

CENTRAL(FRONTEIRA)

OLT

ONUONU

ONUONU

BACKBONE

LR-PONMETRO/ACESSO

SPLITTER

≥100 km

CENTRAL(FRONTEIRA)

OLT

ONUONU

ONUONU

BACKBONE

LR-PONMETRO/ACESSO

SPLITTER

≥100 km

CENTRAL(FRONTEIRA)

(a)

(b)

OLT

ONUONU

ONUONU


SPLITTER

~80 km ~20 km

TERMINALREMOTO

CENTRAL(FRONTEIRA)

OLT

ONUONU

ONUONU


SPLITTER

~80 km ~20 km

TERMINALREMOTO

CENTRAL(FRONTEIRA)

OLT

ONUONU

ONUONU

BACKBONE

LR-PONMETRO/ACESSO

SPLITTER

≥100 km

CENTRAL(FRONTEIRA)

OLT

ONUONU

ONUONU

BACKBONE

LR-PONMETRO/ACESSO

SPLITTER

≥100 km

CENTRAL(FRONTEIRA)

(a)

(b)


ESQUEMA WDM-PON COM COMPRIMENTOS DE ONDA FIXOS

Cada ONU/ONT recebe um comprimento de onda dedicado e permanente. A topologia lógica é ponto-à-ponto.

RoteadorA

WG

ONTTx, 33

Rx, 1

WDM

ONT

Tx, 64

Rx, 32

WDM

1

33

64

32

OLT

MU

XTx, 1

1 ... 32Tx, 32

33 ... 64

Rx, 33

DE

MU

X

Rx, 64

WDM


ESTRATÉGIA DE MIGRAÇÃO: DO GPON PARA WDM-PON

•A migração do G-PON agregando um dispositivo de 3 portas paracombinar/separar os comprimentos de onda usados em TDM-PON (legada) e WDM-PON. É também possível implementar esquemas híbridosTDM-WDM, com o uso de filtros ópticos.

COOLT

TDM-PON (legada)

Tx,Rx, 2

MU

X

Tx,Rx, 17

20 km

RN

WC1 WC2

RoteadorA

WG

Divisor

1

1

1

2 17

2

17

8

ONTs


ESQUEMA WDM-PON COM COMPRIMENTOS DE ONDA FIXOS

• Requer fontes ópticas multi-comprimento de onda e AWGs com estabilidade térmica Já existem sistemas em operação na Coréia do Sul com 100 mil usuarios.

FONTE: “WDM-PON Experiences in Korea”, JON, Maio 2007


TOPOLOGIA BUS CWDM

980/1595 mux

Er: L3

Circulator 2

DCF

3Circulator 1

1 2

3

980/1550 nm mux

Er: L1

980 nm Pump Laser

L band

S/Cbands

980/1595 nmmux

2 1

S/C mux

Er: L2

S/C mux

980/1550 nm muxes

SC/L mux

SC/L muxin

out

980 nm Pump Laser

DP-EDFA

Rx1 Rx2 Rx3 Rx n-1

Rx nMUX

Drop1 Drop2 Drop3 Drop n

Rx1 Rx2 Rxi Rx n-1

Rx nMUX

Drop1 Drop2 Dropi Drop n

Tx1

Tx2

Tx3

Txn

.

.

.

Tx1

Tx2

Tx3

Txn

.

.

.

16 CWDM channels

Fiber

• Amplificador multibanda S-C-L para sistemas CWDM: Tese de doutorado de J.B. Rosolem (Engenheiro do CPqD), EESC/USP, 2005 “S-C-L Triple Band Double-Pass Erbium-Doped Silica Fiber Amplifier with an Embedded DCF Module for CWDM Applications”, IEEE/OSA JLT, Outubro 2006.


Distância Máxima de Transmissão

6 5 4 2 1 3 7 8 9 13 14 15 11 16 12 100

20

40

60

80

100

120

140

1310 1350 1390 1430 1470 1510 1550 1590 1630

Wavelength (nm)

Max

link

leng

th (

km)

Attenuation Limitation - amplification - STD A-B

Attenuation Limitation - amplification - STD C-D

Attenuation Limitation - no amplification - STD A-B

Attenuation Limitation - no amplification - STD C-D

Dispersion Limitation STD

Dispersion Limitation STD with DCF 700 ps/nm

Drop/Insert Channels Sequence Order


Experimento de Transmissão

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

-21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13Received Power (dBm)

B E

R

DP-EDFA + DCF 700 ps/nm + 82 km STD

DP-EDFA + 82 km STD

BKB

(b)


Técnicas de Múltiplo Acesso “Upstream”: TDMA x WDMA

• TDMA: Designa “time-slots” específicas para cada ONU operando

no sentido upstream.

-São necessárias informações precisas do retardo de propagação para

cada ONU para garantir a sincronia OLT-ONU.

-É fundamental o uso de “burst-mode receivers”: dificuldades para

operação 10 Gbits/s.

-A capacidade do canal pode ser dividida de forma DESIGUAL entre

as ONUs: Dynamic Bandwidth Allocation (DBA).


Atraso Médio de Quadro vs. Tráfego Total: 16 ONUs e 1 a 4 s

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

10-3

10-2

10-1

100

Atr

aso

méd

io d

e qu

adro

(s)

Carga total do sistema (Gbps)

1 2 3 4

cada : 1 Gbps8 ONUs não-WDMtaxa garantida 120 Mbps8 ONUs WDM,Tráfego ONU não-WDM:10 a 120 MbpsTráfego ONU WDM:20 a 240 MbpsTráfego Poissoniano: intervalo entre chegadas de quadros e duração dos quadros: distribuição exponencial

Dissertação de Mestrado de C. Arbieto, EESC/USP, 2006, “Alocação Dinâmicade Largura de Banda em Redes EPON” Orientador:A.C. César.


Receptor Óptico Sintonizável para WDMA

RfVg1

Vg2

Vg3

Vg4

amplificador TZ

circuitos dechaveamento

fotodetetores

demultiplexadoróptico

não- reconfigurável

fibra óptica

FE1

RfVg1

Vg2

Vg3

Vg4

amplificador TZ


fotodetetores



fibra óptica

RfVg1

Vg2

Vg3

Vg4

amplificador TZ


fotodetetores



fibra óptica

FE1

Receptor Óptico Proposto

Implementação FE1

Tese de Doutoramento de S.K. Manfrin, encerrada, colaboração com a Univ. Roma, Tor Vergata


Resultados

0,1 1 100

5

10

15

S 51on

[dB

]

freqüência [GHz]

Canal 1, FE2: (Ch 1) saída chaveada, (Ch 2) sinal de entrada de1 GHz e (Ch 3) sinal de controle de aproximadamente 10 MHz. Base de tempo do osciloscópio de 5 ns/div.

Resposta em Frequência

Trabalhos apresentados na European Microwave Week de 2001 (versão 4 x 1) e 2002 (versão 16 x 1)“An Improved Electronic Selector Circuit for WDM Optical Receivers in Packet-Switched PON Networks”, Microwave and Optical Technology Letters, Setembro 2004.


CONCLUSÕES

• Redes Ópticas Passivas (PONs), são a plataforma ideal para implementação de esquemas FTTH/FTTP.

• No momento, o padrão EPON (IEEE) é dominante mas o padrão GPON vêm ganhando terreno rapidamente no eixo EUA/Europa.

• Tendências para os próximos 5 anos: - upgrade de ambos os padrões para 10 Gbits/s, já em estudo.

- Aumento da distância coberta e taxa de divisão óptica, com provável necessidade da introdução de amplificadores ópticos: busca-se consolidar os equipamentos terminais empregados, com redução de CAPEX e OPEX.

- Coexistência progressiva das redes TDM-PON legadas com esquemas WDM-PON.


CONTATO

Prof. Dr. Murilo A. RomeroUniversidade de São PauloEscola de Engenharia de São CarlosAv. Dr. Carlos Botelho 1465São Carlos - SP - 13564-250

Endereço Eletrônico: [email protected]: (16) 3373-8140

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