Soluções de Atendimento em Fibra Óptica I Esta série de tutoriais apresenta o estudo para implantação da tecnologia GPON aplicada à solução FTTHem um condomínio de alto padrão fornecendo serviços como voz, dados e imagem, com taxa dedownstream de até 2,5 Gbit/s. Na Rede Óptica Passiva não há equipamentos ativos no meio do enlaceentre cliente e prestador de serviço, permitindo que o prestador possua uma rede de acesso de baixo custode implantação e manutenção quando comparada à rede metálica e o número de acessos que a mesmaoferece. As novas redes ópticas passivas ampliam a largura de banda disponível para o atendimento e,além disso, permite o aproveitamento das estruturas de redes já existentes e, no futuro disponibilizaremaltas taxas de velocidade compatíveis para o atendimento aos serviços da Futura Geração de BandaLarga. Contempla também o histórico de surgimento da Fibra Óptica e Redes Passivas, bem como seuprincípio de funcionamento, multiplexação do sinal óptico, equipamentos e maneiras de entrega do sinalatravés das soluções FTTx. Os tutoriais foram preparados a partir do trabalho de conclusão de curso “Soluções de atendimento emFibra Óptica”, elaborado pela autora, e apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica, da FaculdadePitágoras, como requisito parcial para a obtenção do título de Graduado em Engenharia Elétrica. Foiorientador o Prof. Marcelo dos Santos Menegazzo. Este tutorial parte I apresenta um breve histórico do surgimento da fibra óptica e das redes que a utilizam,descreve as Redes Ópticas Passivas, os equipamentos básicos de uma rede PON, seu Protocolo detransporte e os diversos tipos de multiplexação em comprimento de onda, e as topologias possíveis parauma Rede Passiva.

Patrícia Beneti de Oliveira Engenheira Eletricista com Habilitação em Telecomunicações pela Faculdade Pitágoras (Julho de 2010). Atuou como Monitora de Informática na CDM Informática, ministrando aulas de informática básica(Windows, Word, Excel, Power Point) e avançada (Corel Draw, Photoshop, Access), como Analista deSuporte na Rodosis Rastreamento de Veículos, provendo suporte por telefone para os sistemas daempresa, como Instrutora de Informática na Methodos Informática Ltda, planejando, preparando eministrando cursos de de informática básica (Pacote Office, Windows e Internet) e informática avançada(Corel Draw, Photoshop, Flash e Dreamweaver). Atuou também como Analista de Suporte Técnico na Altatech Soluções em Tecnologia / Sandoz IndústriaFarmacêutica Ltda, provendo suporte, formatação e configuração de Workstation e Laptops em rede,

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suporte remoto, conexão e configuração de Internet Wireless / a cabo via VPN e instalação econfiguração de sistema e acesso da ferramenta SAP. Atuou ainda como Estagiária na Sercomtel S.A –Telecomunicações, executando atividades de planejamento de dados e transmissão para as redesexistente, configuração de equipamentos e planejamento e execução de projetos de atendimento declientes das redes de transmissão e de dados. Email: patricia_beneti@hotmail.com

Categoria: Redes Ópticas

Nível: Introdutório Enfoque: Negócios

Duração: 15 minutos Publicado em: 22/11/2010

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Fibra Óptica I: Introdução

Histórico Desde o início dos tempos o homem já utiliza a luz como meio de comunicação. Sinais de fogo no alto decolinas com o objetivo de transmitir a informação de que um exército se aproximava também com oadvento das lâmpadas a utilização de reflexão de luz por faróis costeiros, com o objetivo de orientaçãopara navios. Estes primeiros sistemas de comunicação tinham entre si duas dificuldades: a capacidade deinformação transmitida e a distância que essas informações alcançam. Mas já no principio pode-se identificar a utilização de três elementos básicos de um sistema decomunicação: transmissor (farol e seu espelho refletor da luz), meio de transmissão (ar) e o olho humanocomo receptor (necessário entender a codificação usada). O desenvolvimento da comunicação por fibras ópticas data do século XIX. Uma das importantesdescobertas para o inicio de transmissão a longas distancias foi realizado pelo matemático WillebrordSnell, em 1621, onde o mesmo descobriu que quando a luz atravessa dois meios sua direção muda,descrevendo assim o princípio de refração da luz, fenômeno que foi demonstrado pelo mesmo através deuma vara em um copo de água. Já em 1840, os cientistas e físicos suecos Daniel Colladon e o francês Jacques Babinet, demonstraram quea luz pode ser guiada através de um jato de água curvo confirmando o Principio de Reflexão Interna Total(TIR), onde os créditos deste fenômeno foram atribuídos a John Tydall em 1870, quando o mesmodemonstrou a Sociedade Real Britânica este princípio (WOODWARD, 2005). Em 1880, Alexandre Graham Bell, inventou o fotofone, um sistema de comunicação por luz. Oequipamento refletia a luz do sol por um espelho fino modulado pela voz, a luz modulada incidia sobre acélula de selênio que convertia a mensagem em corrente elétrica e enviava aos fones onde a mesma erareproduzida (WOODWARD, 2005; JESZENSKY, 2004). Após quase 100 anos da descoberta de John Tydall, em 1960 com a invenção do laser, a capacidade debanda para comunicação aumentou exponencialmente, e o pensamento antes futurista de redes decomunicações ópticas começava a se concretizar. As primeiras fibras possuíam 1000 dB (decibéis) de atenuação por quilometro. Segundo estudos realizadospelo Dr. Charles K. Kao, o primeiro a demonstrar a baixa perda de potencial em fibras de sílica paralongas distâncias em 1966, com perdas na fibra a 20 dB/km, o problema de perdas não é causado pordeficiências inerentes do material, mas por falhas no seu processo de fabricação. Assim em 1970, a primeira fibra realmente com baixas perdas foi desenvolvida e nos sistemas decomunicação torna-se prático com uma atenuação por quilometro, já em 1979 de 0,2 decibéis porquilometro (WOODWARD, 2005). O custo de se instalar a fibra para atendimento ainda era inviável, mas a forma de se entregar banda larga(principalmente vídeo) estava mudando. Investimentos para se atender ponto-a-ponto já eram viáveis nofinal dos anos 70 em fibra multímodo. A primeira aplicação comercial da fibra em sistemas de comunicação ópticos ocorreu em 1977 pela a

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AT&T e GTE, usando fibras ópticas de índice gradual e operando a 45 Mbit/s, para o atendimento dossistemas telefônicos de seus clientes comerciais (WOODWARD, 2005; AGRAWAL, 2002). O aprimoramento da fibra ao longo dos anos levou ao aumento considerado da banda de transmissão,assim em 1986, no laboratório da Bristish Telecom (BT) na Inglaterra, com o trabalho pioneiro de KeithOakley e Chris Todd iniciou-se o desenvolvimento do conceito PON (Passive Optical Network). Até então as redes trabalhavam com bandas estreitas a Telefonia sobre PON (TPON). Utilizandomodulação TDM, o TPON era limitado a 2 Mbit/s, sendo essa capacidade utilizada para telefonia e ISDN,mas não para transmissão de dados. O TPON não teve sucesso na área comercial, sua evolução noatendimento em banda larga para empresas idealizou-se através da Broadband PON (BPON)(WOODWARD, 2005; AGRAWAL, 2002). Na década de 1990, a BT continuou o desenvolvimento de suas redes PON e conceituou a utilização deamplificadores ópticos nas arquiteturas de rede pelo SuperPON, tendo como enfoque maximizar ocompartilhamento das redes PON em um enlace de longo alcance - 3000 usuários a uma distância de 100km. A fundação européia Advanced Communication Technologies and Services (ACTS) continuou oSuperPON até 1999 com o projeto AC050 PLANET, onde a sigla PLANET significa Photonic LocalAccess Network. Com o passar dos anos a Nippon Telegraph and Telephony (NTT) continuou os seus estudos sobre a fibra,já que em 1978 foi a primeira a fabricar fibras ópticas monomodo, em 1996 ofereceu TV a cabo (CATV),VoD e serviços de Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI) para usuários residenciais e caminhosvirtuais para usuários corporativos e do tipo Small Office/Home Office (SOHO), através de um sistemaproprietário. A partir de 1997, a NTT desenvolveu uma sucessão de sistemas BPON combinadas com oprotocolo ATM, e até o ano 2000 o ATM-PON estava em quase todo o Japão, usando recomendação daG.983 da International Telecommunication Union (ITU): inicialmente obtinha 155 Mbit/s simétricos,suportando ATM em 155,52 Mbit/s monomodo e multímodo óptico, taxa que após foi aumentada para 622Mbit/s (WOODWARD, 2005). Gradativamente, a fibra óptica, é utilizada nos novos enlaces de comunicação das operadoras substituindoas redes de pares metálicos (cabos de cobre). Tem-se como destaque o lançamento, em dezembro de1988, do TAT-8, primeiro cabo óptico transatlântico que entra em operação. Uma nova tecnologia de multiplexação aumentou ainda mais a taxa de transferência de bits pela fibra, oWDM (Wavelength Division Multiplexing) Multiplexação por comprimento de onda. Esta multiplexaçãoaumentou a capacidade de transmissão da fibra já implantada, além de tornar possível uma interação entrea atual e a próxima geração de tecnologias. Entre 1993 e 2004, as comunicações ópticas se desenvolveram intensamente, e a fibra que já é utilizadanas Redes Core (enlaces nacionais, continentais e mundiais), passaram a ser aplicada em enlaces de RedesMetropolitanas (entre cidades) e em Redes de Acesso (enlace local na cidade). A primeira rede óptica instalada na América Latina opera desde 1992. A rede da RNP (Rede Nacional deEnsino e Pesquisa), conhecida por rede Ipê, possui 27 pontos de presença (PoPs) e interligaprincipalmente universidades federais e centros de pesquisa. Soluções FTTx para distribuição do acesso na última milha também já são aplicadas nos grandes centros,

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segundo publicação na Revista Teletime, de março de 2009:

“A própria Oi já testa desde meados de 2007 um serviço de VOD, dados e voz na Barra da Tijuca,Zona Sul do Rio de Janeiro, em um projeto de fiber-to-the-home (FTTH)”.

Também a empresa Telefônica possui uma rede FTTH nas cidades de Sorocaba, Santos, Campinas e regiãometropolitana de São Paulo, mas esta rede trafega apenas dados e voz, pois a operadora não dispõe delicença para transmissão de TV. A operadora GVT adentra com solução FTTN (Fibra até o nó) e RicardoSanfelice, diretor de marketing e produtos da empresa, explica que os armários estão espalhados num raiode 800 metros a no máximo um quilômetro de distancia dos usuários, podendo-se realizar o atendimentofinal em altas taxas com tecnologia ADSL implantada (Teletime, Março 2009). Dentre as especificações e exigências, as recomendações PON baseadas em tecnologia ATM sãodesenvolvidas pelo comitê Full Service Access Network (FSAN) e aprovadas pela ITU. Entre os paísesmais recentes que estão implantando tecnologia PON se enquadram Japão, Coréia e EUA (LIN, 2006).

Motivação e Objetivos O mercado atual de telecomunicações teve nos últimos anos um aumento exponencial da taxa de bandade transmissão e recepção de dados. Segundo dados do último estudo de banda larga realizado pelo IDC(Internacional Data Group) em parceria com a Cisco, estima-se que existam mais de 26,8 milhões deconexões de Banda Larga na América Latina – informação prevista para dezembro de 2008 – e que parao ano de 2010, o Brasil atinja a meta de 15 milhões de conexões, sendo que a faixa de velocidade detransmissão de banda larga que apresentou maior crescimento no primeiro semestre de 2009 foram àssolicitações de 2 Mbit/s, que representam 16% das conexões no Brasil (Cisco, 2009). Desde outubro de 2008, o KDDI, segundo maior operador fixo no Japão, disponibiliza conexõesresidenciais de 1 Gbit/s, utilizando fibra óptica até a residência (FTTH), na região de Tóquio e emHokkaido, na época o serviço custava R$ 95,00 (ou 5560 ienes, moeda local). Nesta mesma rede, outraoperadora – HIKARI-one, oferece serviço de 100 Mbit/s. Diversas formas de regulamentação da banda larga foram implantadas em países como Japão, Coréia doSul, União Européia, Finlândia, França, Reino Unido, Estados Unidos, Canadá, México, Chile e Austrália.Esta última em abril de 2009 anunciou um projeto de banda larga FTTH. Apresentam-se na figura 1 ospoucos países tem redes abrangentes de fibra para domicílios e empresas.

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Figura 1: Principais países em penetração por domicílios da configuração FTTH/B até o 4ºtrimestre de 2008

(Fonte: FRIEDRICH et al, 2009) Mediante análise de Mobilidade, Velocidade de Conexão e custo efetivo medido em bits por unidademonetária, mostrados na figura 2, realizamos uma rápida análise da expansão de acesso. Observa-se queno quesito velocidade, o desempenho da fibra óptica é maior no mercado de tecnologias hoje oferecidaspara tráfego IP, o que aprova o seu custo efetivo. A sua superioridade mostra o futuro de redes cabeadas éa utilização de fibra óptica funcionando como um indutor de maior eficiência não só emtelecomunicações, mas também na economia.

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Figura 1 - Performace das Tecnologias aplicadas em Banda Larga(Fonte: OECD, 2006)

Atualmente as operadoras entregam aos usuários domiciliares taxas de ordem de Megabits através decabo metálico par trançado, mas para este tipo de tecnologia tem-se a limitação no atendimento peladistância do usuário ao ponto de presença mais próximo. Cada vez mais consumidores buscam pormaiores velocidades de banda e a preços acessíveis e, as prestadoras de serviços vêem neste mercadoconsumidor, um potencial de crescimento e substituição de suas redes metálicas por redes ópticas. As redes ópticas passivas adentram com tecnologia que permite sistemas com baixo custo e elevadalargura de banda, além de proporcionar distancias maiores para o atendimento e evitar as complexidadesde se manter equipamentos durante o enlace, visto que não há equipamentos eletrônicos somentepassivos. Este trabalho dispõe de um estudo sobre a rede óptica passiva, e os diferentes tipos PON, bemcomo seu funcionamento, equipamentos e protocolos de comunicação utilizados. E realizar odimensionamento de uma PON utilizando a solução FTTH.

Tutoriais Este tutorial parte I apresenta um breve histórico do surgimento da fibra óptica e das redes que a utilizam,descreve as Redes Ópticas Passivas, os equipamentos básicos de uma rede PON, seu Protocolo detransporte e os diversos tipos de multiplexação em comprimento de onda, e as topologias possíveis parauma Rede Passiva. O tutorial parte II descreverá a operação da Rede PON, as diferentes formas de atendimento do usuárioatravés da rede óptica passiva e suas características e aplicações, e apresentará o projeto e odimensionamento das redes passivas aplicadas em um condomínio de alto padrão, na visão do prestadorde serviços e as ofertas de dados, voz e imagem por um único cabo de fibra óptica, comparando os custosdo enlace em fibra óptica e par metálico. Apresentará tambpem uma breve conclusão da análise aoprojeto exposto e as conclusões finais e recomendações para a futura implantação de uma rede PON.

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Fibra Óptica I: Conceitos

Fibra óptica A fibra óptica é composta basicamente de material dielétrico (sílica ou plástico) e possui o seu diâmetromenor que um fio de cabelo. A composição entre a sua casca e o núcleo se encontra diferenças entre oíndice de refração, sendo o do núcleo maior que o da casca, com a finalidade de oferecer condições depropagação da luz com reflexão total, ou seja, uma transmissão aparentemente sem perdas.

Luz Para sistemas de transmissão por fibra óptica utiliza-se como fonte de luz um diodo LASER (LightAmplification by Estimulated Emission of Radiation) ou um diodo emissor de luz (LED). No caso deredes ópticas aonde o sinal irá se irradiar por quilômetros, o diodo LASER é o mais indicado, pois omesmo possui um controle de irradiação por polarização DC. Sendo que a emissão de luz somente éiniciada quando uma corrente DC aplicada ao laser, atinja um limiar, o que permite que a sua potêncialuminosa seja superior ao LED, que não possui limiar e irradia qualquer corrente positiva que o atravessa. Assim a presença de um “1” lógico eleva a corrente para além do limiar e faz o diodo laser emitir luz, e o“0” lógico mantém a corrente no limiar, não ocorrendo irradiação. A faixa de freqüências (ou comprimentos de onda) mais utilizadas pelas comunicações ópticas se encontranas regiões do infravermelho, luz visível e ultravioleta do espectro (JESZENSKY, 2004), visualizado nafigura 3.

Figura 3: Espectro eletromagnético(Fonte: UFRJ, 2009)

Na região da radiação infravermelha se encontra duas faixas de freqüência nas quais o vidro é eficiente,que ocorre nos comprimentos de onda de 0,85 μm e na faixa entre 1,1 e 1,6 μm. Assim os dispositivosLASERS utilizam os comprimentos de onda 1310nm e 1550nm, em sua maioria (FERNANDES, 2003).Detalhe que é evidenciado na figura 4.

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Figura 2 - Janelas para transmissão pela fibra(Fonte: Apostila, 2006)

Tipos de fibras ópticas A fibra óptica pode ser dividida através do meio de propagação do sinal. Quando um sinal se propagaatravés da fibra em várias direções simultâneas diferentes, características estas da Fibra Multímodo, agoraquando se propaga em apenas uma direção tem-se a Fibra Monomodo. Quando comparamos uma fibramultímodo com uma fibra monomodo conclui-se que as mesmas têm vantagens e desvantagens naconstrução de um enlace. Uma Fibra Multímodo pode ser construída com tamanhos de núcleos de 50; 62,5; 82,5 ou 100 µm, equando confeccionadas com plástico especial geralmente são da ordem de 1000 µm (FERNANDES,2009). São usadas principalmente em LAN’s, pois tem um baixo custo e apresentam alto índice derefração quando comparadas com outras fibras confeccionadas para a mesma situação e, também por tero seu processo de fabricação mais simples, dependendo da dopagem realizada para se obter um melhoríndice de refração, tem maior aproveitamento a curtas distâncias, porém com uma taxa de transmissãomenor quando comparada com uma Fibra Monomodo. As Fibras Monomodo possuem o diâmetro do seu núcleo da ordem de 3 a 8 µm, muito menor secomparado com o núcleo de uma fibra multimodo (FERNANDES, 2009), o que proporciona umadesvantagem no alinhamento dos núcleos nas emendas e conectores, que devido a este problema,precisam ser específicos aumentando o custo de implantação. Mas hoje a fibra Monomodo é a maisutilizada em enlaces intercontinentais, nacionais e metropolitanos, devido a sua baixa atenuação paralongas distâncias e alta capacidade de transmissão de taxas elevadas, superiores a Gbit/s.

Perdas nas fibras ópticas As características de transmissão em uma fibra óptica podem ser descritas pelas suas propriedades deatenuação e dispersão. Existem alguns fatores que influenciam negativamente a propagação do sinal pelafibra, como absorção, espalhamento, curvaturas e características do projeto de guia de onda. No enlaceóptico também existem alguns elementos que contribuem para perdas, devido a sua própria característicaconstrutiva, são: acopladores de entrada do canal, emendas, conectores, a própria característica da fibra,regeneradores e todo elemento passivo quanto ativo na rede. As fibras de plástico possuem maiores atenuações que as fibras de vidro, devido a características domaterial, por isso as fibras de vidro são mais utilizadas em longos enlaces.

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Os enlaces estão limitados em comprimento pela atenuação do sinal e em capacidade de transmissão peladistorção do sinal. Existe a atenuação devido à limitação da distância entre a origem e o fim da transmissão, a mesma definecaracterísticas de aprovação do enlace ou realização de novo estudo. A atenuação do sinal em potencia aolongo da fibra é medida em dB/km e é dada pela relação

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Onde α é o coeficiente de atenuação, L (km) é o comprimento da fibra, Pin é a potência do sinal deentrada e Pout é a potência de saída na fibra. As principais causas de atenuação na fibra definem-se por: absorção, espalhamento e curvaturas. Define-se como Perda por Absorção Total (Pat) a somatória das Perdas por Absorção Intrínseca (Pai),Extrínseca (Pae) e, por Alteração Atômica (Paa). A Perda por Absorção Intrínseca ocorre devido àqualidade do material utilizado na fabricação da Fibra Óptica, geralmente sílica, em torno de 0,003 dB porkm. A Perda por Absorção Extrínseca relacionada com a impureza do material onde pode ter a presençade íons hidroxila (água dissolvida no vidro) e Perda por Absorção por Alteração Atômica (normalmente édesprezível, porém exposto à radiação, o material da fibra pode sofrer alterações atômicas e significativas)(FERNANDES, 2003). A Perda por Espalhamento é a dispersão de parte da energia luminosa guiada pelos vários modos depropagação em várias direções no interior da fibra, conhecidos por espalhamento de Rayleigh, Ramanestimulado e Brillouin estimulado. O mais conhecido espalhamento de Rayleigh ocorre pela nãolinearidade do sinal devido a defeitos na estrutura física do material construtivo da Fibra Ópticaprovocando irradiação da potencia do feixe luminoso (APOSTILA, 2006). Outro tipo de atenuação que se apresenta na Fibra Óptica está relacionado com as deformaçõesmecânicas que a mesma sofre no enlace conhecido como Macrocurvaturas e Microcurvaturas. AMacrocurvatura ocorre quando a fibra sofre um raio de curvatura muito acentuado e o sinal de luz tende ase irradiar para fora da fibra, a Microcurvatura são pequenas irregularidades no raio de curvatura da fibra,que podem se originar no processo de fabricação da Fibra Óptica ou por pressões laterais no processo decabeamento da fibra, podendo ter danos irreversíveis que impedem o seu uso (FERNANDES, 2003). Porisso para cabeamento de fibra óptica é importante se ter mão de obra especializada para que ocorrammenos danos na implantação da Fibra e na atenuação do sinal devido à macrocurvaturas e emendas malfeitas. É importante que num projeto óptico, todas as perdas do enlace sejam somadas, como as citadas acima etambém dos elementos ópticos (transmissor e receptor), emendas, conectores, componentes passivos eativos, e que o estudo do resultado final seja viável a implantação do enlace atendendo os critérios deparâmetros do sistema como normas ITU-T e também a necessidade da operadora/cliente. Sabendo quais equipamentos serão instalados nas pontas (Tx-Rx), quantas emendas o enlace irá possuir, aatenuação dos elementos passivos do enlace, pode-se usar o OTDR (Refletômetro Óptico por Domínio de

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Tempo – Optical Time Domain Reflectometer). O OTDR é um instrumento de medida, o qual detecta luzrefletida em emendas ou conectores e luz retro-refletida devido ao fenômeno de Espalhamento Rayleigh.Assim, localização de eventos (falhas, emendas e conectores) e medidas de perdas de transmissão a partirde um extremo da fibra óptica é possível de se efetuar de modo eficiente. Assim com este valor bastasomar a atenuação dos elementos e conectores instalados em Tx e Rx para se conseguir a atenuação totaldo enlace.

Características de utilização A utilização da fibra óptica está cada vez maior, por apresentar uma ótima relação Custo/Benefício eprincipalmente por não existir outros meios de comunicação com melhores parâmetros de Atenuação,Velocidade de Propagação, Capacidade de Transmissão e Custos, tão bons quanto os apresentados pelasfibras ópticas. A contínua evolução das Fibras permite a implantação hoje de redes ópticas, classificando-as em trêscategorias principais: rede core, na figura 5 representada como Rede Global, Rede Metropolitana e Redede Acesso.

Rede Core (Global): Atendem longas distâncias, entre centenas e milhares de quilômetros. Éidentificada nas redes intermunicipais, nacionais e intercontinentais. Utiliza multiplexação DWDM(Multiplexação Densa de Comprimento de Onda ou Dense Wavelength Division Multiplex), onde ataxa de transmissão total é dada pela taxa agregada dos diferentes feixes de luz que se propagam emuma fibra óptica. Chega a atender em taxas de Centenas de Gigabits por segundo a alguns terabitspor segundo.Redes Metropolitanas (MAN – Metropolitan Access Network): Identificada em escala regionalnas áreas metropolitanas das grandes cidades. O seu tráfego utiliza multiplexação CWDM e noenlace a taxa varia de centenas de Megabits por segundo a dezenas de megabits por segundo.Redes de Acesso (Ultima milha): Dispõe-se de diversas tecnologias para interligação do usuário asredes metropolitanas. Opera em escala local e a taxa de transmissão varia de dezenas de kilobits porsegundo a dezenas de Megabits por segundo.

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Figura 5: Representação Rede Core, Metropolitana e Acesso(Fonte: MEF)

Apresenta-se na figura 5, uma arquitetura geral de Rede Óptica, tem a rede core / global circundada dediversas conexões com as redes metropolitanas e estas por sua vez fornecem a rede de acesso àpossibilidade do usuário de se conectar a essa massa de redes de telecomunicações. Analisando a viabilidade financeira das redes, vê-se que a rede core dispõe de equipamentos com ummelhor desempenho em relação à rede de acesso, pois toda a demanda de informações centraliza-se nestarede, que atende centenas de milhões de clientes, comparada com a rede de acesso que atende um númeroreduzido de clientes (Barros, 2007). Assim grandes investimentos no século XX nas redes core e metropolitanas e o uso da tecnologia WDM,foram impostas maciçamente para melhoria do escoamento de tráfego de informações. Porém a buscainconstante por taxas maiores de transmissão por consumidores residenciais, empresas de pequeno egrande porte estão causando um tráfego intenso nas redes de acesso locais que não acompanhamproporcionalmente os investimentos nas outras redes. Como apresentado na figura 5, a rede Core interliga as redes metropolitanas (abrangência dentro dopróprio município ou regiões metropolitanas) que por sua vez interligam várias redes de acesso que podematender diretamente o cliente residencial ou clientes corporativos. A rede de acesso interliga redesmenores (LAN’s – Redes Locais) com equipamentos de distribuição do sinal através de Multiplexadores(DSLAM) dentro dos armários ópticos ou racks indoor. A partir destes armários ópticos utilizam-se cabosxDSL (cabos para transportes de dados com 100% sem interferência) ou cabos coaxiais.

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Fibra Óptica I: Rede de Acesso As redes de acesso interligam os usuários com a rede mundial. Sua função principal é prover o acesso dosmesmos a informações de dados, voz e vídeo através de serviços prestados por operadoras. A altademanda por taxas de transmissão através de serviços atendidos por banda larga são mostrados na figura6. Destaque para a aplicação de TV em alta definição que utiliza 20.000 kbit/s para prover este serviço efilmes em tempo real utilizando-se de 2 Mbit/s (serviços almejados por consumidores que justificaria paraa operadora utilizar a tecnologia PON) (BARROS, 2007).

Figura 6: Demanda de banda por aplicação(Fonte: BARROS, 2006)

A necessidade de maiores Larguras de Banda Larga sob as redes de acesso, disponibilizadas hoje em parmetálico, evidencia a necessidade de investimentos em desenvolvimento das LAN’s. O uso de conexõesxDSL permite a usuários o atendimento a taxas de Mbit/s a certas distancias da central. Quanto maispróximo o usuário da central, maior a Largura de Banda, à medida que este cliente se distancia da centralocorrem consideráveis perdas no sinal. A Largura de Banda também se baseia da freqüência da Portadorado Sinal e em qual tecnologia a mesma será transmitida. Neste caso não há como atender um usuário atrês quilômetros com uma rede de par metálico utilizando tecnologia VDSL, com uma largura de banda de60 Mbit/s eficiente, pode-se evidenciar esta situação observando a figura 7. Em redes que utilizamtecnologia PON as perdas são mínimas e a entrega de banda torna-se confiável.

Figura 7: Tecnologia em largura de banda por distancia de atendimento(Fonte: BARROS, 2006)

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Os serviços prestados na rede de acesso direcionam a Banda Larga. O desenvolvimento da Banda Largano Brasil teve o seu auge entre 1996 e 2003, a partir da implantação de novo quadro regulatório sobsupervisão da ANATEL. Assim a base de usuários de linha fixa e banda larga cresceu: os acessos detelefonia fixa passou de 17 milhões em 1996 para 38 milhões em 2000, e 43 milhões em 2008. SegundoBarômetro da Cisco, o Brasil teve um crescimento de 48, 3% nas suas conexões de Junho de 2007 aJunho de 2008, hoje uma estimativa do total de conexões de Banda Larga pode ser observado na Tabela 1abaixo:

Tabela 1: Total de Conexões de Banda Larga no Brasil, não inclui IP dedicado(Fonte: TELECO)

Milhares 1T09 2T09 3T09 4T09 1T10*

ADSL 7.256 7.494 7.481 7.678 7.985

TV Assinatura 2.680 2.835 3.020 3.132 3.238

Outros 424 425 500 570 570

Total 10.360 10.754 11.001 11.380 11.790

Acesso/ 100 hab. 5,43 5,62 5,74 5,92 6,12

*Estimativa preliminar da Teleco A OCDE (Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico) prevê que em 2011 acomunicação via banda larga será responsável por um terço dos ganhos de produtividade nas operaçõesdas empresas nos países desenvolvidos. Na figura 8, pode-se observar que a tendência é um aumentoexponencial da largura de banda larga no mundo.

Figura 8: Aumento Exponencial da Largura de Banda Mundial(Fonte: EVANS, 2008)

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Um estudo do Banco Mundial concluiu que conforme a penetração de banda larga cresce em 10% o paíseleva o seu PIB para 1,3% de crescimento, em média.

Rede Óptica Passiva – PON Uma rede PON (Passive Optical Network) não utiliza componentes elétricos para fazer a distribuição dosinal. Possuem em sua arquitetura equipamentos passivos usados principalmente como uma solução deacesso à última milha (Last-Mile), que leva as informações mais próximas do cliente, tem a possibilidadede entregar altas taxas de velocidade para banda larga. Uma arquitetura simplificada é mostrada na figura9. Também por utilizar uma configuração de rede ponto-multiponto, uma única fibra é compartilhada pordiversos pontos finais de atendimento (residências e empresas). Assim, pode-se usar no armário dedistribuição diversos divisores ópticos (splitters) na mesma fibra resultando em divisões de 4, 8, 16, 32 ou64 fibras para saída. Mas isto depende do modo de fabricação do divisor óptico. Como a conexão é ponto-multiponto os terminais ópticos no cliente (ONU) devem-se orientar paraexecutar determinadas funções como filtrar apenas a informação daquele usuário e também coordenarpara que através da multiplexação os sinais que saem do cliente não colidam com outras informações.Para esta função utilizam-se dois tipos de multiplexação a WDM e a TDM.

Figura 9: Arquitetura Fundamental de uma rede PON(Fonte: KEISER, 2006)

Segundo William Penhas Sanchez, em seu artigo PON: Redes Ópticas de Acesso de Baixo Custo(SANCHEZ, 2004), publicado no site Teleco, afirma:

“O grande desafio nos dias atuais é estender a transmissão óptica até o usuário final (residência eempresas) com uma solução viável do ponto de vista financeiro para os provedores deconectividade. Uma solução que viabilize financeiramente este desafio é composta pelocompartilhamento da enorme capacidade da fibra óptica entre os usuários e seus grupos, pelaamortização adequada dos custos dos equipamentos através do ganho de escala no atendimento dasdemandas (atuais e potenciais), pela flexibilidade e otimização do uso da fibra através da alocaçãodinâmica da banda, e pela diversificação dos serviços e viabilidade de criação de um mix deportfólio para balanceamento das opções ofertadas. A tecnologia PON oferece esse tipo desolução”.

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Já existem diversas aplicações PON em serviço, implantadas pelas operadoras NTT (Japão), DT(Alemanha), BT (Inglaterra) e BellSouth (Canadá) sendo que um dos maiores parques com tecnologiaPON são os backbones de Tókio e Osaka da NTT. Diversos países asiáticos estão investindo em transportede dados e vídeo para residências por fibra ópticas e redes PON, dentre eles tem-se: Coréia, Taiwan,Singapura e China. Na figura 10, apresenta-se a evolução das redes PON e onde já são utilizadas.

Figura 10: Evolução das Redes PON(Fonte: BARROS, 2006)

Não há duvida de que a evolução das redes cabeadas caminha para a Fibra Óptica. Segundo Joeri VanBogaert, presidente do FTTH Council - – Conselho FTTH da Europa (EVANS, 2008), afirma:

“Os resultados [da pesquisa a avaliação da sustentabilidade e impacto ambiental das redes de fibraóptica] demonstram claramente todo o serviço e os benefícios ambientais de FTTH. Os resultadosse apresentam como testemunho de que fibra é uma tecnologia sustentável e à prova de futuro parao século 21”.

No Brasil, em 1988, já tínhamos algumas grandes universidades e centros de pesquisas interligados porfibras ópticas aos Estados Unidos. Atualmente, a Rede Nacional de Pesquisa (RNP), lançada peloMinistério da Ciência e Tecnologia em 1989, possui um incentivo a iniciativa óptica através do ProjetoGIGA, que consiste na implementação e uso de uma rede óptica de alta velocidade voltada para odesenvolvimento de tecnologias de rede óptica, aplicações e serviços de telecomunicações associados àtecnologia IP e banda larga (CPQD, Rede Giga). Os gastos com operação, manutenção e implementação também são reduzidos visto que entre oselementos OLT e ONU existem apenas divisores ópticos passivos (Splitters), equipamentos eletrônicosativos, como regeneradores e amplificadores não são instalados na planta externa havendo também umaconsiderável economia de energia. A derivação do sinal óptico nos elementos passivos da rede (Splitters) prove o aproveitamento da fibra,através do compartilhamento da sua capacidade de banda para diversos grupos de usuários de maneira

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mais eficiente e flexível por ser alocada dinamicamente. No período de ascensão desta rede tem-se a primeira definição por APON, mas há várias alternativasPON que podem ser planejadas, as três principais estão em uso pelas operadoras, e algumas característicaspodem ser observadas na tabela 2 são: BPON – Broadband PON, Ethernet PON (EPON), e Gigabit PON(GPON). A diferença fundamental entre as redes está no protocolo de transmissão que é empregado.

Tabela 2: Lista de algumas características e padrões de cada PON(Fonte: KEISER, 2006)

Característica APON BPON EPON GPON

Padrões ITU-T G.983 ITU-T G.983IEEE

802.3AHITU-T G.984

Protocolo ATM ATM EthernetATM e

Ethernet

Velocidades detransmissão (Mbit/s)

155/622upstream 622/1244downstream

155/622upstream 622/1244downstream

1244upstream 1244downstream

155 a 2488upstream 1244 ou2488downstream

Distância 20 km 20 km 10 km 20 km

Número dedivisões

32 32 16 / 32 64

Tipos de Rede Óptica Passiva APON – Rede Óptica Passiva sobre Modo de Transferência Assíncrona Até a década de 90, muitas redes PON foram desenvolvidas e testadas todas utilizando como conceito demultiplexação TDM, porém as taxas de transmissão que se utilizava para atender os serviços de telefoniae ISDN estavam inadequadas, visto a necessidade do transporte de dados. Assim o PON passou a serbaseado em Asynchronous Transfer Mode (ATM) conceituando o APON e cooperando para a unificaçãodas Redes DSL (Digital Subscriber Line) (LIN, 2006). A idéia do atendimento da última milha em uma rede óptica PON é disponibilizar todos os serviços por umúnico enlace com altas taxas, ou seja, um par de fibras leva a informação até próximo do cliente (nosarmários ou nos prédios) ou até o cliente. O atendimento final ao usuário atualmente realizado em Redes xDSL ( x Digital Subscriber Line), abanda se limita à distância que o usuário se encontra da central de operações e a qualidade da instalaçãoelétrica, visto que todos os elementos da rede são ativos. Assim quanto maior for a proximidade, maislargura de banda o mesmo poderá ter em sua rede de acesso.

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Em 1995, a British Telecom junto a mais 21 empresas de provedores e fornecedores de serviços de bandalarga, representadas na tabela 3, formaram o FSAN (Full Service Access Network – Serviço Completo deAcesso a Rede) que surgiu com o objetivo de criar padronizações e projetar o modo mais barato e rápidopara se ampliar às redes de alta velocidade, implementando o Protocolo IP (dados), vídeo e 10/100Ethernet em cima da fibra para clientes residenciais e empresariais no mundo.

Tabela 3: Identificação das Operadoras que participam do Comitê FSAN(Fonte: TAKEUTI, 2005)

BT – Bristish Telecommunications Malta Telecom

Bell CanadáNTT – Nippon Telegraph and

Telephone

BellSouth SBC

Bezeq Israel SingTel

Chunghwa Taiwan Swisscom

DTAG – Deutsche Telekom Telefonica Itália

Eire Telecom Telefonica Espana

FT – France Telecom Telia Sweden

Verizon Telstra

KPN – Dutch Telecom Qwest

KT – Korean Telecom

Assim para planta física PON passou a ser baseado no protocolo ATM conceituando o APON, PON porser a opção mais viável financeiramente em soluções de broadband óptica em larga escala e, a utilizaçãodo protocolo ATM porque é viável a múltiplos protocolos nos seus 53 bytes. O APON idealizado pelaFSAN e aceito pela ITU (União Internacional de Telecomunicações – International TelecommunicationUnion) como norma (ITU-T G.983). Considerou-se como prioridade o atendimento a usuários residenciaise na sua versão inicial não incluiu o serviço de vídeo (LIN, 2006). De acordo com a norma G.983.1, as redes APON tiveram inicialmente as taxas de 155 Mbit/s (Megabytespor segundo), mas para a transmissão de vídeo viu-se a necessidade de aumento da taxa para 622 Mbit/s,que são distribuídos até as ONUs (Optical Network Unit – Unidade Óptica da Rede) conectados a rede. BPON - Rede Óptica Passiva Banda Larga Após o APON, o desenvolvimento de novas tecnologias para o atendimento em altas taxas de bits paratransferência de informações fez do BPON o próximo passo nas Redes Ópticas Passivas. O primeiro padrão para o BPON segue norma ITU-T G983.1, que tem por padrão atender a taxas de 155Mbit/s simétricos e 622/155 Mbit/s assimétrico sendo que para downstream 622 Mbit/s e 155 Mbit/s para

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upstream, após com a necessidade de se incluir um novo comprimento de onda para transmissão de vídeo,estudos da ITU aprovaram a norma ITU-T G983.3, onde a capacidade de link foi estendida para 622Mbit/s simétricos e 1244/622 Mbit/s assimétrico assim teve-se a oportunidade de utilizar o PON paraatendimento em ultima estância para VDSL (KEISER, 2006). Baseada no protocolo ATM a rede BPON é capaz de integrar dados, voz, serviços de vídeo a clientesempresariais e residenciais por uma única fibra, podendo realizar o atendimento final de acordo com assoluções FTTx. EPON - Rede Óptica Passiva sobre Ethernet O EPON surgiu da idéia que a tecnologia APON era imprópria para devido uso devido a sua falta decapacidade de transmissão de vídeo, banda insuficiente, complexidade e custo. O rápido desenvolvimentodo Ethernet fez as taxas de transmissão alcançarem os Gbit/s e a conversão entre os protocolos ATM paraIP, foram necessárias. A principais soluções de atendimento, para as quais se aplica o EPON, são: FTTB,FTTC tendo por objetivo em longo prazo a substituição para FTTH para entrega de serviços de dados, voze vídeo em cima de uma única plataforma com largura de banda maior que o APON (KEISER, 2006). Em novembro de 2000, um grupo de empresas com o objetivo de padronizar a Ethernet PON no IEEE(Institute of Electrical and Eletronics Engineers – Instituto de Engenharia Elétrica e de Eletrônica),formaram um grupo de estudo para desenvolver um padrão que aplicasse o estudo em uma rede de acesso. A rede EPON adere a muitas recomendações da ITU-T G983, existe na Norma G985 recomendações paraenlaces ponto a ponto Ethernet. A diferença fundamental entre EPONs e APONs é: EPON os dados sãotransmitidos em pacotes de comprimento variável de até 1,518 bytes de acordo com o IEEE 802.3protocolo para Ethernet, considerando que em APONs, os dados são transmitidos em 53 bytes (IEC,2009; KEISER, 2006). GPON – Gigabit Passive Optical Network A Rede Óptica Passiva Gigabit tem por capacidade transmitir maiores velocidades de banda nas redes deacesso. Surgiu para superar o BPON e EPON, com a idéia principal de transmitir comprimentos depacotes variáveis a taxa de gigabit por segundo, para isso o grupo FSAN reuniu esforços e em abril de2001 começou a desenvolver novas padronizações, sendo posteriormente aprovadas e publicadas pelaITU-T na série de recomendações para aplicação de um GPON, sendo os padrões G984.1 a G984.4,publicados no primeiro semestre de 2008. Descrito no padrão G984.1, as características gerais do GPON como a sua arquitetura, tipos de serviços,taxas de bits desejadas podem ser evidenciadas na tabela 4 e posterior na figura 11 que representa umaarquitetura GPON.

Tabela 4: Obrigações do Serviço GPON(Fonte: KEISER, 2006).

Parâmetro Especificações GPON

ServiçoAplicação em: 10/100 Base-T Ethernet, Telefonia Analógica, SONET/SDH,

TDM, ATM.

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Taxa de DadosDownstream>: 1,244 e 2,488 Gbit/s; Upstream: 155 Mbit/s, 622 Mbit/s,

1,244 Gbit/s, 2,488 Gbit/s

Distancia 10 a 20 km máximo

Número deDivisões

Máximo 64 divisões

Comprimentos deonda

Downstream voz/dados: 1480 to 1500nm; Upstream voz/dados: 1260 to1360 nm; Downstream de video: 1550 to 1560 nm

Proteção(comutação)

Proteção Totalmente Redundante 1+1; Proteção parcialmente Redundante1:N

SegurançaA segurança de informação no nível de protocolo para o tráfego de

downstream: por exemplo, a utilização do Advanced Encryption Standard(AES).

Figura 11: Arquitetura GPON e suas Características As taxas nominais são especificadas como 1.25 Gbit/s e 2.5 Gbit/s para downstream e 155 Mbit/s, 622Mbit/s, 1.25 Gbit/s, e 2.5 Gbit/s para upstream. A recomendação também especifica distância máximapara transmissão de 10 a 20 km, que pode ser afetada pela qualidade e capacidade dos transmissores ereceptores ópticos. Para um GPON o número de divisões chega a 64 no divisor óptico e mantém muita dasmesmas funcionalidades de EPON e BPON como a atribuição de largura de banda dinâmica (DBA –G983.4), e o uso de operações, administração e manutenção de mensagens (KEISER, 2006). O tráfego de informações downstream é transmitido em modo broadcasting, ou seja, a informação étransmitida a todos os elementos da rede. A mesma informação chega a todos os usuários por isso énecessário se utilizar um sistema de criptografia das informações para manter privacidade nacomunicação.

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Fibra Óptica I: Arquitetura PON

Topologias Há muitas topologias que podem ser a aplicadas a uma Rede Óptica de Acesso como: Topologia Barra,Estrela, Anel, Árvore. Topologia Barra: provê uma conectividade ponto-multiponto entre OLT e ONT/ONU, mas qualquer falhano enlace principal causa a desconexão dos usuários.

Figura 12: Representação Topologia Barra Topologia Estrela: provê uma conectividade ponto-a-ponto entre OLT e ONT/ONU. Esta topologiapermite entrega de banda dedicada de altas taxas aos usuários finais e também possui um baixo custo emoperação, administração e manutenção (OAM).

Figura 13: Representação Topologia Estrela Topologia em Anel: esta arquitetura oferece a vantagem ponto-multiponto da OLT para a ONT/ONU.Permite facilmente implementação de mecanismos de proteção – enlace com redundância – mas possuidificuldades para as funções de OAM.

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Figura 13: Representação Topologia Estrela Topologia Árvore: arquitetura ponto-multiponto que oferece a vantagem de infra-estrutura compartilhadaentre todos os usuários, possuindo assim uma importante redução nos custos de implementação emanutenção na rede de acesso. Esta arquitetura é uma das mais difundidas nos estudos relacionados àRede PON. (CHOCHLIOUROS).

Figura 15: Representação Topologia Árvore

Equipamentos Em uma rede óptica PON, os elementos passivos ficam localizados na planta externa, onde ocorre adistribuição óptica. Estes elementos são: cabos ópticos, divisores passivos, conectores, acopladores. Osúnicos elementos ativos são a OLT na central e, a ONU ou ONT, que ficam próximos ao cliente. Ao seimplantar uma rede podem ser utilizadas diversas topologias, e para uma rede PON podem ser aplicadas astopologias apresentadas a seguir. OLT – Terminal de Linha Óptica A OLT (Optical Line Terminal) Terminal de Linha Óptica normalmente instalada dentro da Central daOperadora e controla o fluxo de informações bidirecional para a ONT/ONU. Normalmente à distância daOLT a ONT/ONU é de 20 km e a mesma controla mais de uma ONT, a figura 16 mostra um exemplo deuma OLT que controla 4 redes passivas independentes, como cada rede PON possui 32 ONTs, então umaOLT atende um total de 128 ONTs onde se viabiliza serviços para os usuários finais e controla a qualidadedo serviço (QoS) e o SLA (Service Level Agreement), entre outras tarefas.

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Figura 16: Atendimento de quatro redes PON por uma OLT(Fonte: KEISER, 2006)

Uma rede PON uma o comprimento de onda de 1490 nm para o tráfego de voz e dados e 1550nm comocomprimento de onda para transmissão de vídeo, isso no sentido downstream da OLT para a ONT ouONU, o que é evidenciado na figura 17. E para tráfego upstream o comprimento 1310 nm. Elementospassivos são utilizados ao longo do enlace como os acopladores WDM e Splitters. Os primeiros namultiplexação dos comprimentos de onda em upstream e downstream e, os últimos na divisão do sinalóptico.

Figura 17 – Representação dos comprimentos de Onda para Tx e Rx na rede PON(Fonte: Huawei)

Dependendo da rede PON utilizada e equipamentos, as taxas de downstream e upstream operam a 155Mbit/s, 622 Mbit/s, 1,25 Gbit/s ou 2,5 Gbit/s, dependendo a taxa pode ser simétrica ou assimétrica(KEISER, 2006).

Figura 18: Exemplo de uma OLT(Fonte: ERICSSON)

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ONU – Unidade de Rede Óptica A OLT se conecta a ONU (Optical Network Units) ou ONT (Optical Network Terminal) que é oequipamento que provê a interface entre os dados do cliente, vídeo e redes de telefonia. O Terminal de Rede Óptica fica instalado diretamente na casa do cliente e permite que o cliente escolha asua taxa de banda larga, pois dispõe de diversas tecnologias para atendimento entregando na casa docliente a taxa que ele achar necessária para a melhor qualidade dos seus serviços. Este equipamentopermite a alocação de banda dinâmica, ou seja, transmite em pequenos espaços de tempo que sãocontrolados pela OLT tendo assim uma intensa utilização da banda alocada. Existe uma imensa variedadede ONTs no mercado, de diversos fabricantes, com funcionalidade e configurações para atender diversaslarguras de banda (KEISER, 2006).

Figura 19 Modelo de ONU ADC(Fonte: ADC)

ONT – Terminal de Rede Óptica A ONU é um equipamento instalado ao ar livre. Juntamente é instalada uma bateria reserva para eventuaisquedas de energia e medidas de proteção do equipamento devem ser tomadas quanto a mudançasclimáticas, a atuação de vândalos. A ligação da ONU até o equipamento do cliente pode ser realizadaatravés de cabo par metálico (xDSL), cabo coaxial, ligação de fibra óptica independente ou ainda umaconexão sem fios. Além de realizar a interface da OLT com o cliente, a ONU também é responsável pela multiplexação edemultiplexação dos serviços cliente/operadora e operadora/cliente, e mais o fornecimento de energia.Também existem diversas ONU no mercado e a mesma deve ser adquirida de acordo com a aplicaçãoFTTx.

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Figura 20: Modelo de ONT Zyxel(Fonte: Zyxel)

Divisor Óptico Nos primeiros sistemas de fibras ópticas, o divisor óptico não era necessário visto que se transportava osinal óptico apenas entre dois pontos. Agora muitos dos serviços requerem acesso a diversos terminais, eum divisor óptico conectado a essa rede possibilita a divisão do sinal em 1x4, 1x8, 1x16, 1x32 ou 1x64, ouseja, uma única fibra é capaz de ter mais 64 fibras de saída para atendimento após passar por um divisoróptico, chamado também de Splliter. A capacidade de divisão do splitters depende muito do seu processode fabricação.

Figura 21: Divisor óptico 1x32 fibras, fabricante SENKO(Fonte: Senko)

Transporte Protocolo ATM No fim da década de 80 e inicio da década de 90, foi padronizado o protocolo ATM por órgãosinternacionais CCITT (Commite Consultative International on Telecommunicatons and Telegraph –Comitê Internacional Consultivo de Telecomunicações e Telegrafia), hoje ITU-T (Europa) e ANSI –American National Standards Institute (EUA). Formado por uma estrutura de 53 bytes, como pode servisto na figura 23, sendo 5 bytes para o cabeçalho e 48 para payload (campo reservado para informaçõesúteis, dados), cada célula ATM enviada para a rede contém uma informação de endereçamento no seucabeçalho que estabelece uma conexão virtual entre origem e destino. Como o protocolo é orientado aconexão, abrange a rede de dados com capacidade para transmissão de serviços confiáveis e de qualidadegarantida a partir de um único meio de acesso. A tecnologia ISDN ((Integrated Services Digital Network– Redes Digitais Serviços Integrados) foi aplicada à banda larga, pois além dos caminhos fixos que ascélulas seguem pelos canais virtuais até o seu destino. O protocolo ATM também possui mecanismos decontrole de tráfego, o que melhorou a disponibilidade de banda nesta época (FILHO, 2003). Sendo um protocolo de transporte nas redes A/BPON e GPON definidos na Recomendação ITU-TG983.1 (2005), tem como principal característica a utilização de células de comprimento fixo em 53

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bytes. No sentido downstream as células são transmitidas a todas as ONUs, sendo que o quadro de dadosconsiste em 54 células mais 2 células para PLOAM (Physical Layer Operation, Administration andMaintenance – Operação, Administração e Manutenção da Camada Física), demonstrado pela figura 22. No sentido Upstream o quadro consiste em 53 pacotes de dados, cada um com 56 bytes. Como a célulatem 53 bytes, os 3 restantes são utilizados para a sincronização com a OLT. Neste sentido todos osusuários utilizam no canal de acesso a multiplexação TDMA (Time Divison Multiplexing Access) paraevitar possíveis colisões no trafego de informações. (CHOCHLIOUROS)

Figura 22:Formato Básico de quadro ATM para downstream e upstream(Fonte: CHOCHLIOUTROS)

Figura 23:Representação de uma Célula ATM(Fonte: KEISER, 2006)

Protocolo GEM – GPOn Encapsulation Method O método de encapsulamento GPON é semelhante ao ATM, apenas usa um comprimento de quadros detamanho variável enquanto que no ATM era fixo. Este protocolo também é orientado a conexão e podeser gerenciado utilizando as mesmas metodologias de transporte ATM. O GEM permite que se trabalhe com diversos serviços (ATM, TDM e Ethernet) num quadro de dados de1500 bytes de comprimento. Se a ONT possui um pacote de envio de dados maior que 1500 bytes, amesma possui a função de quebra deste pacote para envio somente do tamanho de quadro permitido. Oequipamento de destino é o responsável pela junção destes pacotes para transpor ao pacote original. O quadro GEM consiste em quatro segmentos de cabeçalho e um segmento para envio de dados, que podeser visualizado na figura 24. O primeiro segmento PLI (Payload Length Indicator – Quantidade de carga útil) indica em bytes otamanho do payload GEM. O Port ID traz a informação de identificação da porta e que fluxo de serviço osegmento pertence. O PTI (Payload Type Indicator – Indicador do Padrão de Carga Útil) mostra se oquadro é o fim de informações de determinado usuário, se o fluxo de tráfego está congestionado ou se opayload GEM contém informações de operação e manutenção (OAM). A verificação cíclica deredundância (CRC – Cyclic Redundancy Check) controla a taxa de erro de bit no cabeçalho. Por fim osegmento de Payload onde constam as informações a serem transmitidas (KEISER, 2006).

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Uma das principais vantagens do método GEM é a forma eficiente de encapsulamento e fragmentação depacotes de informações do usuário, a gestão adequada de múltiplos fluxos de serviços de diferentes ONTsem um link comum de fibra óptica permite o envio de fragmentos das informações de forma independentee com recuperação confiável da informação ao chegar no destino.

Figura 24: Estrutura do Protocolo GEM(Fonte: KEISER, 2006)

Formato de Quadro Downstream e Upstream GPON O tráfego de informações pelo GPON consiste em transmissões sucessivas de uma ou mais ONTs. Aimportante questão é sua forma de comunicação que abrange todos os tipos de serviços (por exemplo,ATM, TDM e Ethernet) de forma eficiente, determinado no método de encapsulamento de dados GEM(Gpon Frame Format – Formato de Quadro GPON), figura 25. Este método é baseado em uma versãomodificada da Recomendação ITU-T G7041 Processo Genérico de Elaboração (Generic FramingProcedure), que informa sobre o envio de pacotes IP sobre SDH. O comprimento do quadro GPON é de125 µs fixo. A Recomendação ITU-T G984.3 descreve a convergência de transmissão equivalente a camada 2(camada de transmissão de dados), em referência ao modelo OSI, para o formato de quadro GPON, osmeios de comunicação do protocolo de controle de acesso, operações e controle de manutenção e, asinformações do método de encriptação. O quadro de downstream GPON consiste num bloco de controle físico (PCB - Physical Control Block) eum payload composto por um segmento ATM (dados encapsulados em ATM) e um segmento GEM. Aseção PCB contém as informações de controle e gerenciamento da rede. No sentido de download o PCBd (Bloco de Controle Físico em Download), contém as informações decontrole e gerenciamento da rede sendo: sincronização com relógio interno em 8Khz, correção de erro,encriptação, operação e manutenção de alertas e alocação de N intervalos de transmissão das ONT/ONUs. No sentido de upload é utilizado o sincronismo proposto no sentido download, assim cada ONU mantém omesmo número de transmissões. O tamanho de comprimento do quadro é mantido em 125 µs. Cadaquadro de envio upstream contem quatro campos PON e um campo de comprimento variável ondecontem as informações para transmissão, sendo:

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Figura 25: Formato GPON de Downstrem e Upstream(Fonte: CHOCHLIOUROS)

PLOu (Physical Layer Overhead) – Camada Física de Sobrecarga: trabalha com informações deoperação da camada, sincronismo no upstream de dados.PLOAMu (Physical Layer Operation, Administration and Management) – Camanda deOperação e Manutenção: responsável pelas funções de ativação de uma ONT e notificações dealarme. Possui 13 bytes onde são configuradas mensagens determinadas por recomendação G983.1e também para deteção e correção de erros de bits no processo upstream, através do CRC (CyclicRedundancy Check).PLSu (Power Leveling Sequence) – Seqüência de Nivelamento de Potencia: Campo onde seespecifica o nível de potencia do laser ONT visto pela OLT, assim a OLT pode ter o controle sobre agama óptica da ONT.DBRu (Dynamic Bandwith Report) – Informação de Banda Dinâmica por Seção: assim a OLTtem o controle de operação de banda sobre as ONTs, também sendo protegido contra redundância.Payload: campo que contem as informações a serem transmitidas.

Ainda no upstream é preciso se reservar uma banda de guarda, demonstrado na figura 26, entre os pacotesde transmissão das diferentes ONTs para que ocorra o menor erro de bit possível mediante colisões depacotes (CHOCHLIOUROS; KEISER, 2006).

Figura 26: Tráfego US + Banda de Guarda(Fonte: KEISER, 2006)

Multiplexação WDM (Wavelenght Divison Multiplexing – Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda) Desenvolvida por volta de 1990, o WDM consiste em uma tecnologia utilizada para multiplexação dedados onde é possível agregar diversos sinais de luz com comprimentos de ondas diferentes em uma únicafibra. O grande objetivo de uma multiplexação é compartilhar o meio. Um ponto importante ao se

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implementar o sistema WDM, figura 27, é que os comprimentos de onda (ou freqüências ópticas) emWDM devem ser espaçados adequadamente para evitar interferência entre canais adjacentes. O WDM possui algumas características principais:

Aumento da capacidade de transmissão da fibra já implantada, utilizando assim toda a largura debanda disponível na fibra e permitir futuras atualizações e implementações em uma Rede PON.Permite migrações de 622 Mbit/s para 2,5 Gbit/s e após para 10 Gbit/s sem a necessidade demaiores investimentos na planta atual.Transparência: um canal óptico multiplexado em WDM pode transportar qualquer formato detransmissão independente pela fibra, usando diferentes comprimentos de ondas os sinais a seremtransmitidos podem possuir formatos e taxas de bit diferentes (sinais analógicos, digitais, síncronosou assíncronos) sem a necessidade de uma estrutura comum. Isso é uma característica importantepara serviços triple-play (dados, voz e vídeo simultâneos) PON.Transmissão Bidirecional: os canais por comprimentos de onda são enviados em qualquer direçãopela fibra. No caso do PON os comprimentos 1490nm e 1550nm para tráfego downstream e 1310para upstream.Roteamento do comprimento de onda: não é utilizado meio elétrico para a distribuição do sinalóptico, em alguns nós intermediários da rede são alocados os acopladores ópticos para combinar eseparar os diversos comprimentos de onda.

Figura 27: Sistema WDM(Fonte: WOODWARD, 2005)

Cada canal de um multiplexador WDM é projetado para transmitir determinados comprimentos de onda.O multiplexador funciona muito bem como um acoplador no inicio da fibra e como um filtro naextremidade contrária, são fabricados para serem usados em pares. A maioria dos sistemas WDM operam em fibras monomodo com diâmetro aproximadamente de 0,8nm denúcleo, e podem ser divididos em:

Convencional (WDM)Grosseiro (CWDM)Denso (DWDM)Ultra Denso (UDWDM)

O princípio de funcionamento do WDM é o mesmo para o CWDM, onde a informação é agrupada em até18 canais entre os comprimentos de onda de 1270 nm e 1610 nm, e a distância entre os canais é de 20 nm.Já os sistemas DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing – multiplexação densa por comprimentode onda) segundo a ITU, podem combinar até 64 canais em uma única fibra. No entanto, pode-seencontrar, na prática, sistemas DWDM que podem multiplexar até 128 comprimentos de onda, chegandoa ordem de tráfego de Tbit/s (por exemplo: nos 128 comprimentos de onda sejam carregados cada um

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deles com STM-64 ~ 10 Gbit/s em sinal digital). Além disso, foram realizados alguns testes que provaramser possível a multiplexação de até 206 canais (WOODWARD, 2005) CWDM (Coarse Wavelenght Division Multiplexing – Multiplexação Grosseira por Divisão doComprimento de Onda) Com o desejo de se conseguir baixar os custos nas redes ópticas a ITU-T lança em 2002 a RecomendaçãoG694.2 onde se padroniza um grid espectral para CWDM. A tecnologia CWDM trabalha na faixa deespectro de 1270nm a 1610nm permitindo 18 canais com espaçamento de 20nm entre os mesmos,exemplificado na figura 28.

Figura 28: Espaçamento entre canais CWDM O sistema CWDM apresenta interfaces ópticas com flexibilidade para serem empregadas em conexõesponto-a-ponto sendo a taxa de transmissão permitida até 40 km de 1,25 Gbit/s e até 80 km 2,5 Gbit/s. DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing – Multiplexação Densa por Divisão doComprimento de Onda) O padrão da indústria sobre o DWDM segundo a ITU-T G694.1, é o espaçamento de 0,8nm por canal ou100Ghz, mas também enumera-se o espaçamento de 50 Ghz, isto mostra que os usuários são divididos nafreqüência e não no tempo. Utiliza os comprimentos de onda entre 1525nm e 1620 nm. É importante notarque, como o espaçamento ou a largura de cada canal diminui, a largura espectral torna-se menor, isto érelevante porque o comprimento de onda deve se manter estável no tempo para não interferir no canaladjacente. Assim altas taxas e eficiência de banda são proporcionadas as Redes MAN e WAN. A maioria das tecnologias para multiplexação e demultiplexação dos diversos comprimentos de onda sebaseiam em comprimentos de onda plana permitindo assim uma boa integração entre os diversosequipamentos. Além disso dois outros pontos críticos: a sensibilidade de polarização e sensibilidadetérmica do laser, devem ser cuidadosamente considerados. Assim o nível de polarização do laser entre aOLT e ONU deve se manter constante para que não ocorra perda de comunicação entre os mesmos e ocontrole de temperatura do laser de transmissão é fundamental para que não ocorra dispersão do sinal forada janela de transmissão DWDM. Devido a essas particularidades os sistemas DWDM são mais caros queos CWDM. Uma das principais técnicas de multiplexação dos diversos sinais de luz é o AWG (Arrayed WavelenghtRouting – Grades de Guias de Onda), apresentado na figura 29, é constituído de camadas dopadas desílica sob um substrato de silício com baixa perda de inserção (tipicamente <0,05 dB, independente donúmero de λ) e possui alta eficiência de acoplamento da fibra, seu principio de funcionamento baseia-seem difração da luz. (HANDBOOK)

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Figura 29: Grades de Guias de Onda(Fonte: HANDBOOK)

O AWG é composto por terminais de entrada e saída. Como exemplificado na figura 30, a luz deincidência no AWG através do acoplamento da fibra se propaga pela região do espaço livre e ilumina agrade com uma distribuição Gaussiana, onde cada comprimento de onda sofre mudança de fase e sãoenviados a folha de saída para sua nova orientação e retransmissão. Utilizado principalmente em enlacesestáticos P2P, ou flexível, com um único canal OADMs.

Figura 3 – Comportamento do Sinal no Filtro AWG

(Fonte: GTA-UFRJ) Uma importante característica do AWG é a utilização de uma livre faixa espectral FSR (Free SpectralRange), que define a periodicidade do comprimento de onda na fibra. A utilização de filtros AWG emcascata melhora o fator de escala, a luz irá transmitir um comprimento de onda e refletir todos os outros.Aplicando-se esse cascateamento em um cenário estático o fornecimento de λ dedicados, através dosAWG do nó passivo, melhora o roteamento de banda por ONU. ONU idênticas utilizam mesmo λ noUpstream, assim necessita-se de técnicas TDMA. U-DWDM (Ultra Dense Wavelenght Division Multiplexing – Multiplexação Ultra Densa por Divisãodo Comprimento de Onda) Este tipo de multiplexação ainda encontra-se em estudo sendo um dos próximos passos para a área decomunicações ópticas. O que sabe-se segundo publicação GTA-UFRJ é que:

“Esta tecnologia combina 128 ou 256 comprimentos de onda em uma única fibra óptica, sendo quecada comprimento de onda teria uma taxa de transmissão de 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s e até 40 Gbit/s.No U-DWDM os canais estão espaçados de 10 GHz, o que corresponde a 0.08 nm.”

QoS (Quality of Service – Qualidade de Serviço)

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Um sistema de telecomunicações utilizará os procedimentos de gestão de desempenho para monitorar econtrolar os parâmetros-chave que são essenciais para o bom funcionamento de um rede, a fim de garantiruma QoS específica para usuários da rede. Um dos desafios mais importantes da rede PON é oferecer qualidade de Serviço (QoS). Os recursosutilizados na rede para melhor eficiência da mesma tratam, preferencialmente os parâmetros para segarantir a eficiência de tráfego e priorização de determinados tipos de serviços, assim são utilizadasclasses de diferenciação de serviços e também assinantes. Alguns parâmetros observados incluem a função de monitoramento remoto, supervisão de erros, relatórioestatísticos referente a falhas da ONT/ONUs, além de parâmetros que podem ser monitorados no nívelfísico como de erro de bit taxa e os níveis de potência óptica, tanto OLT e os ONTs. Aplicações atuais de serviços multimídia utilizam o melhor esforço da largura de banda de uma redeprovendo a prestação do serviço (QoS) ou aplicação requisitada pelo assinante.Por exemplo, acomunicação interativa de alta qualidade requer forma de um atraso de menos de 150 ms e menos de 1%de perda de pacote. Por outro lado, uma sessão de distribuição de streaming VoD (Vídeo sob Demanda)tem atrasos menos rigorosos. A partir do ponto de vista do prestador de serviços, prover QoS implica aconstrução de uma rede IP gerenciada que possa transferir as informações de mídia de um modocontrolado e prioritário (LIN, 2006). Utilizando o controle de QoS na rede a Largura de Banda disponível é melhor dividida através daspriorizações dos serviços. Por segurança o tráfego de downstream de pacotes pela fibra contém em seucabeçalho a identificação da ONU correspondente. Além disso o Padrão GPON utiliza um mecanismo decriptografia em enlaces ponto-a-ponto sendo conhecido por AES (Advanced Encryption Standard). Acriptografia AES utiliza chaves de codificação de 128, 192, 256 bits, o que se torna extremamente difícilde se decifrar (KEISER, 2006).

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Fibra Óptica I: Considerações finais Este tutorial parte I procurou apresentar um breve histórico do surgimento da fibra óptica e das redes quea utilizam, descreveu as Redes Ópticas Passivas, os equipamentos básicos de uma rede PON, seuProtocolo de transporte e os diversos tipos de multiplexação em comprimento de onda, e as topologiaspossíveis para uma Rede Passiva. O tutorial parte II descreverá a operação da Rede PON, as diferentes formas de atendimento do usuárioatravés da rede óptica passiva e suas características e aplicações, e apresentará o projeto e odimensionamento das redes passivas aplicadas em um condomínio de alto padrão, na visão do prestadorde serviços e as ofertas de dados, voz e imagem por um único cabo de fibra óptica, comparando os custosdo enlace em fibra óptica e par metálico. Apresentará tambpem uma breve conclusão da análise aoprojeto exposto e as conclusões finais e recomendações para a futura implantação de uma rede PON.

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Fibra Óptica I: Teste seu entendimento 1. Quais são as faixas de freqüência de maior eficiência no vidro, para uso em fibras ópticas?

As faixas de comprimentos de onda de 0,85 μm e na faixa entre 1,1 e 1,6 μm.

As faixas de comprimentos de onda de 0,85 nm e na faixa entre 1,1 e 1,6 nm.

As faixas de comprimentos de onda de 0,85 mm e na faixa entre 1,1 e 1,6 mm.

As faixas de comprimentos de onda de 0,85 m e na faixa entre 1,1 e 1,6 m. 2. Qual das alternativas abaixo representa um tipo de Rede Óptica Passiva

APON – Rede Óptica Passiva sobre Modo de Transferência Assíncrona.

BPON - Rede Óptica Passiva Banda Larga.

EPON - Rede Óptica Passiva sobre Ethernet.

GPON – Gigabit Passive Optical Network.

Todas as anteriores. 3. Qual das alternativas abaixo não representa um dos equipamentos típicos das Redes PON?

OLT – Terminal de Linha Óptica

OMT – Terminal Micrométrico Óptico

ONU – Unidade de Rede Óptica

ONT – Terminal de Rede Óptica

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