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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

REDE DE ACESSO FTTX

Área de Comunicações Ópticas

por

Renato Pinto de Souza

Jorge Salomão Pereira, Mestre

Orientador

Campinas (SP), dezembro de 2006

i

UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

REDE DE ACESSO FTTX

Área de Comunicações Ópticas

por

Renato Pinto de Souza

Relatório apresentado à Banca Examinadora do

Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia

Elétrica para análise e aprovação.

Orientador: Jorge Salomão Pereira, Mestre

Campinas (SP), dezembro de 2006

ii

SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIATURAS .................................................................................. iv

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ vi

LISTA DE TABELAS...............................................................................................vii

LISTA DE EQUAÇÕES..........................................................................................viii

RESUMO .................................................................................................................... ix

ABSTRACT ................................................................................................................. x

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1

1.1. HISTÓRICO ........................................................................................................ 1

1.2. APLICAÇÕES – VISÃO GERAL..................................................................... 1

1.3. OBJETIVO DO TRABALHO............................................................................ 2

1.4. METODOLOGIA................................................................................................ 3

1.5. ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................... 3

2. REDE DE ACESSO FTTX ................................................................................... 4

2.1. COMUNICAÇÕES ÓPTICAS........................................................................... 4

2.1.1. Fibras Ópticas ................................................................................................... 5

2.1.2. Características de propagação......................................................................... 7

2.2. REDES ÓPTICAS ............................................................................................. 12

2.3. REDE DE ACESSO .......................................................................................... 14

2.4. EVOLUÇÃO DA REDE ÓPTICA COMO REDE DE ACESSO................. 15

2.5. REDE ÓPTICA PASSIVA ............................................................................... 17

2.6. ARQUITETURA FTTX ................................................................................... 18

2.7. RECOMENDAÇÃO PON ................................................................................ 19

2.8. TIPOS DE PON ................................................................................................. 20

2.8.1. ATM-PON........................................................................................................ 20

2.8.2. GIGABIT-PON ................................................................................................ 22

iii

2.8.3. Ethernet-PON .................................................................................................. 24

2.8.4. Avaliação das Tecnologias APON, GPON e EPON..................................... 26

3. DIMENSIONAMENTO DA REDE PON.......................................................... 30

3.1. SISTEMA LIMITADO POR ATENUAÇÃO................................................. 30

3.1.1. Potência média na transmissão (PTx)............................................................. 31

3.1.2. Sensibilidade na recepção (PRx) ..................................................................... 31

3.1.3. Perda na fibra óptica (α FIBRA) ....................................................................... 31

3.1.4. Perda total nas emendas (α EMENDAS) ............................................................. 32

3.1.5. Perda total nos conectores (α CONECT)............................................................ 33

3.1.6. Perda total nos divisores ópticos (α SPLITTER)................................................ 33

3.1.7. Margem ............................................................................................................ 34

3.2. SISTEMA LIMITADO POR DISPERSÃO ................................................... 34

3.3. EXEMPLO 1: CÁLCULO DO LIMITE DE DISPERSÃO.......................... 35

3.4. EXEMPLO 2: CÁLCULO DO LIMITE DE ATENUAÇÃO ....................... 37

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................. 39

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................... 40

iv

LISTA DE ABREVIATURAS

ADSL Asymmetrical Digital Subscriber Line

APON ATM Passive Optival Network

ATM Asynchronous Transfer Mode

BER Bit Error Rate

BPON Broadband Passive Optival Network

BT British Telecom

CATV Cable TV

DBA Dynamic Bandwidth Allocation

DS Dispersion Shifted

DT Deutshe Telekom

EM Encapsulation Method

FSAN Full Service Access Network

FTTB Fiber-to-the-Business

FTTC Fiber-to-the-Curb

FTTCab Fiber-to-the-Cabnet

FTTH Fiber-to-the-Home

GFP Generic Framing Procedure

GPON Gigabit Passive Optival Network

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP Internet Protocol

ITU International Telecommunication Union

KPN Dutch Telecom

LAN Local Area Network

MAC Medium Access Control

MAN Metropolitan Area Network

MPCP Multi-Point Control Protocol

NRZ Non Return to Zero

NTT Nippon Telegraph and Telephone

NZD Non Zero Dispersion

OAM&P Operation, Administration, Maintenance and Provisioning

v

OLT Optical Line Terminal

ONT Optical Network Terminal

ONU Optical Network Unit

OPAL Optical Passive Access Line

OSI Open Systems Interconnection

PLOAM Physical Layer Operation, Administration and Maintenance

PMD Physical Media Dependent

PON Passive Optival Network

POTS Plain Old Telephone Service

QoS Qualidade de Servico

RDSI Rede Digital de Servicos Integrados

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SLA Service-Level Agreement

TC Transmission Convergence

TCC Trabalho de Conclusão de Curso

TDMA Time Division Multiple Access

TPON Telephony over Passive Optival Network

USF Universidade São Francisco

VoD Vídeo on Demand

WDM Wavelength Division Multiplexing

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Estrutura básica da fibra óptica.............................................................................................5

Figura 2. Ilustracão da Lei de Snell......................................................................................................6

Figura 3. Fibra óptica de perfil de índice de degrau.............................................................................7

Figura 4. Curva de Atenuação em função do comprimento de Onda ..................................................8

Figura 5. Fibra óptica de perfil de índice gradual ................................................................................9

Figura 6. Curva da Dispersão para a fibra Convencional (G.652).....................................................11

Figura 7. Curva da Dispersão para a fibra de Dispersão Deslocada (G.653).....................................12

Figura 8. Curva da Dispersão para a fibra de Dispersão Deslocada Não Nula (G.655) ....................12

Figura 9. Arquitetura geral de um sistems de comunicacões ópticas.................................................13

Figura 10. Aplicacões Típicas e respectivas taxas de transmissão ....................................................14

Figura 11. Fibra óptica dedicada ........................................................................................................15

Figura 12. Rede óptica comutada.......................................................................................................16

Figura 13. Rede óptica passiva...........................................................................................................16

Figura 14. Esquemático de uma rede óptica passiva..........................................................................17

Figura 15. Arquitetura FTTx..............................................................................................................18

Figura 16. Quadro ATM no sentido downstream ..............................................................................20

Figura 17. Quadro ATM no sentido upstream ...................................................................................20

Figura 18. Operacão nas células APON.............................................................................................21

Figura 19. Modelo de rede GPON .....................................................................................................22

Figura 20. Quadro GPON no sentido downstream ............................................................................23

Figura 21. Quadro GPON no sentido upstream .................................................................................23

Figura 22. Formato do quadro EPON ................................................................................................24

Figura 23. Fluxo do quadro EPON no sentido downstream ..............................................................25

Figura 24. Fluxo do quadro EPON no sentido upstream ...................................................................25

Figura 25. Sinal óptico recebido no OLT...........................................................................................26

Figura 26. Comparativos de custos entre ATM e Ethernet................................................................28

Figura 27. Modelo de PON ................................................................................................................30

Figura 28. Quantidade de derivações (N) em função do limite de atenuação (L)..............................38

vii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Vantagens e desvantagens dos sistemas de comunicacão óptica .........................................4

Tabela 2. Coeficientes de atenuacão por comprimento de onda ..........................................................8

Tabela 3. Recomendacões G.652, G.653 e G.655..............................................................................11

Tabela 4. Coeficientes de dispersão das fibras G.652, G.653 e G.655 ..............................................11

Tabela 5. Taxas de transmissão em funcão da distância até o usuário da ADSL ..............................14

Tabela 6. Recomendacões G.983 e G.984 .........................................................................................19

Tabela 7. Características das redes PON............................................................................................27

viii

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 1 .............................................................................................................................................4

Equação 2 .............................................................................................................................................6

Equação 3 .............................................................................................................................................7

Equação 4 ...........................................................................................................................................30

Equação 5 ...........................................................................................................................................31

Equação 6 ...........................................................................................................................................32

Equação 7 ...........................................................................................................................................32

Equação 8 ...........................................................................................................................................33

Equação 9 ...........................................................................................................................................33

Equação 10 .........................................................................................................................................34

Equação 11 .........................................................................................................................................34

Equação 12 .........................................................................................................................................34

ix

RESUMO

SOUZA, Renato Pinto de. Rede de Acesso FTTx. Campinas, 2006. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, 2006. As redes de acesso FTTx utilizam o conceito de Rede Óptica Passiva (Passive Optical Network – PON) para oferecer serviços simultâneos de voz, dados e vídeo aos diversos usuários e mercados. Com o mérito de reduzir custos na construção, manutenção e gerenciamento das redes de acesso, as redes ópticas passivas estendem a largura de banda sem a necessidade do aumento de componentes ópticos ativos na rede. Neste contexto, este trabalho define as Redes Ópticas Passivas, seu funcionamento, suas evoluções e apresenta uma ferramenta simples de dimensionamento das redes PON. Palavras-chave: Rede de acesso. Rede óptica passiva. GPON.

x

ABSTRACT

The FTTx access networks use the concept of Passive Optical Network (PON) to offer simultaneous services of voice, data and video to the diverse users and markets. With the merit to reduce costs in the construction, maintenance and management of the access networks, the passive optical network extend the bandwidth without the necessity of the increase of active optic components in the network. In this context, this work defines the Passive Optical Network, its functioning, its evolutions and presents a simple tool of sizing of networks PON. Keywords: Access network. Passive optical network. GPON.

1

1. INTRODUÇÃO

1.1. HISTÓRICO

As redes ópticas passivas foram desenvolvidas nas duas últimas décadas do século XX,

quando várias empresas de telecomunicações montaram e testaram redes PON em diversas partes

do mundo [1]:

a) British Telecom (BT) na Inglaterra, em 1986, desenvolveu a Telephony over PON (TPON),

destinada à transmissão residencial de banda estreita, e a Broadband PON (BPON), destinada à

transmissão de banda larga para empresas [1];

b) Deutshe Telekom (DT) na Alemanha, em 1991, desenvolveu o projeto Optical Passive Access

Line (OPAL), destinado aos clientes residenciais e empresariais no sistema PON [1];

c) Alcatel na Antuérpia, no início de 1990, implantou uma Asynchronous Transfer Mode PON

(ATM-PON) [1];

d) Dutch Telecom (KPN) na Holanda, no ano de 1990, realizou pequenos testes comerciais [1];

e) Nippon Telegraph and Telephone (NTT) no Japão, em 1996, realizou teste em um sistema

proprietário BPON [1];

f) Bellsouth na América do Norte, em 1999, implantou o primeiro sistema Fiber-to-the-Home

(FTTH BPON) [1].

Nestas redes foram fornecidos vários serviços simultâneos de voz, dados e vídeo:

Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL), Plain Old Telephone Service (POTS), Video-on-

demand (VoD), Cable TV (CATV), serviços de Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI), etc.

1.2. APLICAÇÕES – VISÃO GERAL

As operadoras de telecomunicações necessitam atender os novos cenários que se formaram

após o aumento significativo do número de usuários de banda larga. O mercado atual não se satisfaz

somente com o fornecimento de voz ou de dados. É necessário agregar novos serviços, como por

exemplo, o triple play, que oferece aos clientes telefone, internet em banda larga e TV por

assinatura em um único canal.

2

Porém, as tecnologias atualmente utilizadas pelas operadoras não atendem esta necessidade.

A tecnologia Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL), a mais utilizada nas redes de acesso no

Brasil, não está provendo para as operadoras este mix de serviços que os clientes necessitam, além

de não oferecer uma relação custo benefício atraente para os serviços de banda larga.

Outro fator que onera a utilização destas tecnologias é o custo para a implementação de uma

planta em cobre, que, atualmente, é idêntico ao de uma planta em fibra óptica. Isto aumenta o uso

de fibra nas redes de acesso em detrimento do cobre, trazendo a PON como uma tecnologia

alternativa.

Dentro destes novos cenários destacam-se dois segmentos: o mercado residencial e o

mercado corporativo. O mercado de banda larga residencial precisa de modelos viáveis para

oferecer serviços de vídeo, dados e voz, o que também está acelerando o emprego de fibra via PON.

Os serviços corporativos que despontam no momento como Storage (Armazenamento de

dados em rede com contingência e segurança) ou Back-up (Armazenamento de dados em servidores

gerenciados), põem em cheque a capacidade limitada dos circuitos E1 (2 Mbps), porém ainda não

demandam capacidades hoje disponibilizadas por sistemas Synchronous Digital Hierarchy (SDH –

2,5 Gbps). Neste caso, a PON aparece como uma tecnologia intermediária entre os circuitos E1 e os

sistemas SDH.

Como solução, este trabalho apresenta a rede óptica passiva como uma tecnologia viável a

ser utilizada pelas operadoras de telecomunicações para atender as necessidades do mercado, ou

seja, para atender os novos cenários do mercado de telecomunicações.

1.3. OBJETIVO DO TRABALHO

O objetivo é desenvolver uma ferramenta para dimensionamento de uma rede PON, sendo

necessário estudar os seguintes tópicos:

• Os conceitos básicos de uma PON;

• A estrutura e os principais componentes de uma PON;

• As aplicações e os principais tipos de PON;

• O modelo de uma PON limitada pela atenuação e dispersão.

3

1.4. METODOLOGIA

O trabalho foi desenvolvido em três fases. A primeira fase consiste na realização de

pesquisas bibliográficas e análise de documentos e artigos sobre a tecnologia PON e sobre as

arquiteturas de rede FTTx. A segunda fase consiste no estudo das referências bibliográficas

pesquisadas e na consolidação dos dados em uma monografia. A terceira e última fase, consiste na

elaboração de uma ferramenta de dimensionamento de uma PON, apresentada como um projeto.

1.5. ESTRUTURA DO TRABALHO

O trabalho está estruturado em quatro capítulos. O primeiro capítulo é a introdução, onde se

encontram um histórico do desenvolvimento da rede óptica passiva, além do objetivo, da

metodologia e da estrutura de apresentação deste documento.

O segundo capítulo, “Rede de Acesso FTTx”, consolida os conceitos obtidos da pesquisa

bibliográfica sobre as redes PON. Ainda neste capítulo, são apresentados os tipos de PON e os

novos cenários do mercado de telecomunicações.

O terceiro capítulo, “Dimensionamento da Rede PON”, apresenta uma ferramenta para

dimensionamento de uma rede PON ou uma rede GPON limitada por atenuação e por dispersão.

O quarto capítulo contém as considerações finais do trabalho.

4

2. REDE DE ACESSO FTTX

2.1. COMUNICAÇÕES ÓPTICAS

Um sistema de comunicação óptica utiliza a fibra óptica como meio de transmissão, cuja

principal característica é a alta capacidade de transmissão. A equação de Shannon fornece a

capacidade de transmissão de um sistema de comunicação [2]:

C = Bw . ln (1 + SNR) (1)

Onde:

C = capacidade do canal

Bw = banda passante

SNR = relação sinal/ruído

A banda passante (Bw) de um sistema de comunicação óptica é cerca de dezenas de Tera

Hertz (THz), o que permite relações sinal/ruído (SNR) mais desfavoráveis.

As propriedades dos sistemas ópticos estão associadas às propriedades das fibras ópticas.

Desta forma, na Tabela 1 são descritas as principais vantagens e desvantagens dos sistemas ópticos.

Tabela 1. Vantagens e desvantagens dos sistemas de comunicação óptica

Sistema de Comunicação Óptica

Imunidade à interferência eletromagnética.

Isolante elétrico, o que não requer aterramento específico entre bastidores.

Custo atrativo.

Resistência à tração.

Alta capacidade de transmissão em banda passante.

Vantagens

Confiabilidade.

5

Fragilidade em relação ao cisalhamento.

Aumento de atenuação por contaminação com hidroxila (OH-). Desvantagens

Fragilidades das conectorizações.

Fonte: Adaptado de Comunicações Ópticas (2006) [2]

2.1.1. Fibras Ópticas

As fibras ópticas são estruturas cilíndricas, maciças e, geralmente, construídas com vidro de

elevada pureza. Estas estruturas têm diâmetros variáveis, dependendo da aplicação, indo desde

diâmetros ínfimos, da ordem de uma dezena de micrometros (mais finos que um fio de cabelo) até

vários milímetros. [2]

Na Figura 1, é apresentada a estrutura básica de uma fibra óptica, destacando-se duas

camadas: o núcleo e a casca.

Figura 1. Estrutura básica da fibra óptica Fonte: Adaptado de Clube do Hardware (2002) [3]

Num sistema de comunicação óptica, a fibra proporciona o confinamento da luz, que ocorre

através da reflexão interna total na interface núcleo casca. O confinamento da luz pode ser

explicado pela lei de Snell.

“A luz ao se propagar de um meio com índice de refração n1 para um meio com índice de

refração n2 e n1 maior que n2, pode sofrer reflexão ou refração (Willebrod Snell, 1621)” [2]

Desta forma, considerando que a relação n1 / n2 é maior do que 1 (um) poderá existir um

ângulo crítico (θI) tal que, para qualquer ângulo (θ) maior que θI, não haverá feixe refratado. Esta

condição é conhecida como a condição de reflexão interna total e fundamenta o guiamento da luz na

fibra.

6

Na Figura 2, são ilustrados os raios incidente, refletido e refratado com seus respectivos

ângulos, além dos índices de refração de cada meio, para um melhor entendimento da Lei de Snell.

Figura 2. Ilustração da Lei de Snell [2]

Onde:

θI = ângulo de incidência

θRE = ângulo de reflexão

θR = ângulo de refração

n1 = índice de refração do núcleo

n2 = índice de refração da casca

Na Equação 2, é apresentado um modelo matemático da Lei de Snell. [2]

sen θI / sen θR = n2 / n1 (2)

7

Esta estrutura básica de fibra óptica é conhecida como estrutura de perfil de índice em

degrau (Step Index Fiber), sendo o índice de refração do núcleo maior do que o índice de refração

da casca. [2]

Na Figura 3, é apresentada a estrutura de perfil de índice em degrau (Step Index Fiber).

Figura 3. Fibra óptica de perfil de índice em degrau [2]

2.1.2. Características de propagação

A propagação de uma onda eletromagnética é descrita pela atenuação e dispersão. A

atenuação depende do tipo de material do guia e a dispersão depende da geometria do guia.

2.1.2.1. Atenuação nas Fibras Ópticas

A atenuação, definida como a perda da intensidade de sinal, é uma característica de

propagação de uma onda eletromagnética. Na fibra óptica, para um dado comprimento de onda, a

atenuação dependerá do tipo do material que o guia é formado. [2]

O limite teórico da atenuação no vidro é estabelecido pelo retro-espalhamento da luz devido

à inomogeneidade do vidro, processo conhecido como retro-espalhamento de Rayleigh. Na Equação

3, é apresentada a atenuação associada ao retro-espalhamento. [2]

αR = k / λ4 (3)

Onde:

k = é uma constante;

8

λ = comprimento de onda da onda eletromagnética (nm);

αR = é a atenuação associada ao retro-espalhamento.

A atenuação no vidro aumenta também na região espectral da ultra-violeta e do infra-

vermelho, e com a absorção de metais e de água na fibra.

Na Tabela 2, são apresentados os coeficientes de atenuação para os dois comprimentos de

onda centrais da segunda e terceira janela. Estes coeficientes, multiplicados pelo comprimento da

fibra óptica, representam a atenuação do sinal ao percorrer a fibra. [2]

Tabela 2. Coeficientes de atenuação por comprimento de onda

Comprimento de onda ( nm ) Coeficiente de Atenuação ( dB / km )

1310 0,45

1550 0,25


Na Figura 4, é apresentada a curva de atenuação em função do comprimento de onda.

Figura 4. Curva de atenuação em função do comprimento de Onda [2]

9

2.1.2.2. Dispersão nas Fibras Ópticas

A dispersão, definida como o alargamento temporal do sinal, depende da geometria da fibra

óptica e do perfil de índice de refração. Os modos de propagação de uma equação de onda podem

ser entendidos como uma solução estável do campo elétrico gerado na onda. [2]

Desta forma, as fibras ópticas podem ser classificadas em função da luz, que se propaga

através de um único modo ou de múltiplos modos.

2.1.2.2.1. Fibra Multimodo

As fibras multimodo apresentam diâmetro do núcleo de 50 µm (as mais antigas) ou 62,5 µm

(as mais modernas). Sua capacidade de transmissão é limitada principalmente pela dispersão,

podendo ser associada aos modos de propagação os raios da óptica geométrica. Três raios (ou

miolos) podem ser notados:

• Raio Direto: propaga-se em coincidência com o eixo da fibra óptica e percorre a menor

trajetória; [2]

• Raio Elíptico: descreve uma trajetória que não contém o eixo da fibra óptica; [2]

• Raio refletido (zig-zag): descreve uma trajetória com múltiplas reflexões na interface

núcleo casca, passando (todas) pelo eixo da fibra de modo a minimizar o efeito

dispersivo de multiplicidade de caminhos. O perfil de índice de refração do núcleo das

fibras multimodo é construído de modo a proporcionar maior velocidade de propagação

dos raios de maior percurso e menor velocidade ao raio direto. [2]

Na Figura 5, é apresentada a estrutura de perfil de índice gradual (Gradual Index Multimode

Fiber). As fibras multímodo são construídas com esse perfil para diminuir o efeito da dispersão.

Figura 5. Fibra óptica de perfil de índice gradual [2]

10

O efeito da dispersão é avaliado pela capacidade de transmissão, sendo que, para as fibras

multimodo, é de 1,0 GHz . km.

Apesar de serem pouco utilizadas pelas operadoras de telecomunicações, podem ser

encontradas em redes locais, ou seja, redes que exigem baixo alcance. Sua principal vantagem é a

robustez da conectorização. [2]

2.1.2.2.2. Fibra Momomodo

As fibras monomodo são aquelas em que o diâmetro do núcleo não é muito superior ao

comprimento de onda. Na prática as fibras monomodo têm diâmetro do núcleo de 9 µm e são

monomodo a partir do comprimento de onda (λ) igual a 1,2 µm. [2]

Em princípio a dispersão não deve ser estudada na fibra monomodo, no entanto, deve ser

verificado que:

• O índice de refração depende do comprimento de onda;

• Parte da luz em uma fibra monomodo está na casca.

O sinal que se propaga na fibra óptica é modulado em amplitude, tendo, portanto, uma

largura espectral finita. Portanto a luz que se propaga tem, para cada uma de suas componentes

espectrais, um valor de índice de refração, o que eleva a dispersão do sinal. [2]

Em uma fibra monomodo, uma parte significativa da luz propaga-se pela casca, conhecido

como modo evanescente. Como os índices de refração serão diferentes resultará em um efeito

dispersivo chamado dispersão de guia de onda. [2]

A dispersão de guia de onda é uma variável de projeto da fibra e dela foram criadas as fibras

baseadas em várias recomendações do International Telecom Union – Telecommunication

Standardization Sector (ITU-T).

Na Tabela 3, são apresentadas as recomendações elaboradas pelo ITU-T para fabricação das

fibras monomodo. Neste contexto, as fibras monomodo podem ser classificadas como

Convencional (G.652), Dispersão Deslocada (Dispersion-shifted – DS – G.653) e de Dispersão

Deslocada Não Nula (Non Zero Dispersion – NZD – G.655). [4]

11

Tabela 3. Recomendações G.652, G.653 e G.655

Recomendação Título Data Publicação

G.652 Characteristics of a single-mode optical fiber and cable 04/1997

G.653 Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fiber and cable 04/1997

G.655 Characteristics of a cut-off shifted single-mode optical fiber and cable 04/1997


Na Tabela 4, são apresentados, para cada tipo de fibra monomodo, os coeficientes de

dispersão (D) medidos em ps/nm.km e separados pelos comprimentos de onda centrais da segunda e

terceira janela.

Tabela 4. Coeficientes de dispersão das fibras G.652, G.653 e G.655

Coeficiente de Dispersão

(ps / nm . km)

Convencional

G.652

DS

G.653

NZD +

G.655

NZD –

G.655

D (1310 nm) 0 < -50 < -50 < -50

D (1550 nm) 17 < 2 4 -4

Fonte: Adaptado de ITU (2006) [2]

Na Figura 6, é apresentada a curva da dispersão em função do comprimento de onda para a

fibra monomodo Convencional (G.652).

12

Figura 6. Curva da Dispersão para a fibra Convencional (G.652) [2]


fibra monomodo de Dispersão Deslocada (G.653).

Figura 7. Curva da Dispersão para a fibra de Dispersão Deslocada (G.653) [2]


fibra monomodo de Dispersão Deslocada Não Nula (G.655).

Figura 8. Curva da Dispersão para a fibra de Dispersão Deslocada Não Nula (G.655) [2]

As fibras monomodo são amplamente utilizadas pelas operadoras de telecomunicações, pois

são adequadas para aplicações que envolvam grandes distâncias.

2.2. REDES ÓPTICAS

As redes ópticas podem ser classificadas em três categorias principais: núcleo, metropolitana

e acesso. Estas redes são diferenciadas através da escala de suas operações e da taxa de transmissão,

não havendo limites geográficos [1]:

13

• Rede núcleo: sua taxa de transmissão varia desde centenas de Gigabits por segundo até

alguns terabits por segundo, operando em escala nacional, continental e mundial [1];

• Rede metropolitana: sua taxa varia desde algumas centenas de megabits por segundo até

dezenas de Gigabits por segundo, operando em escala regional [1];

• Rede de acesso: sua taxa varia desde algumas dezenas de quilobits por segundo até dezenas

de megabits por segundo, operando em escala local [1].

Na Figura 9, é apresentada a arquitetura das redes ópticas.

Figura 9. Arquitetura geral de um sistema de comunicações ópticas Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

Atualmente, para não se tornar um ponto de estrangulamento da rede mundial, a rede de

acesso necessita de altas taxas de transmissão. Este estrangulamento deve-se as ampliações das

14

capacidades de tráfego da rede núcleo, com o uso da tecnologia de multiplexação por divisão de

comprimento de onda (Wavelength Division Multiplexing – WDM), e da rede metropolitana, com a

utilização de anéis interconectados por sistemas Synchronous Digital Hierarchy (SDH).

A necessidade de altas taxas de transmissão também é justificada com o desenvolvimento

das redes locais (Local Área Networks – LANs), o que aumenta a pressão sobre a rede de acesso.

2.3. REDE DE ACESSO

A rede de acesso proporciona ao usuário o acesso à rede mundial de telecomunicações. O

uso da tecnologia PON nesta categoria atende o crescimento exponencial do volume de tráfego

gerado pelo fornecimento simultâneo de voz, dados e vídeo em acessos de banda larga [1].

Na Figura 10, são mostradas algumas aplicações e suas respectivas demanda de banda.

Figura 10. Aplicações típicas e respectivas demanda de banda Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

Atualmente, para oferecer serviços simultâneos de banda larga, as operadoras empregam a

tecnologia Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL), que utiliza o mesmo par metálico da rede

de voz para transmissão simultânea de dados e vídeos. Esta tecnologia está sendo utilizada para

atender os usuários de forma imediata, a fim de retê-los, até o início do uso de fibras ópticas. [1]

15

Na Tabela 5, são apresentadas as distâncias em função das taxas de transmissão que a ADSL

provê, destacando o baixo alcance de 3,4 km para uma taxa de até 2 Mb/s no sentido downstream.

Tabela 5. Taxas de transmissão em função da distância até o usuário da ADSL

Taxa de transmissão

(Mbps)

Diâmetro do par metálico

(mm)

Distância até o usuário

(km)

0,4 3,0 1,5 – 2,0

0,5 3,4

0,4 2,0 6,1

0,5 2,7

Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

Além disso, diversos outros fatores diminuem a capacidade de transmissão do canal ADSL

formado pelos pares de fios de cobre: perda de inserção, relação sinal/ruído, variação na geometria

dos condutores metálicos com diâmetros nominais de 0,4 mm e 0,5 mm, paralelismo da rede

(derivações) e a existência de bobinas de pupinização.

2.4. EVOLUÇÃO DA REDE ÓPTICA COMO REDE DE ACESSO

O mais importante problema a ser resolvido para aplicação da PON nas redes de acesso é o

custo de instalação e operação destas redes. A seguir serão descritas três arquiteturas de redes

ópticas como uma evolução na redução destes custos.

Na Figura 11, é apresentada a instalação de fibras ópticas dedicadas para cada usuário. A

quantidade de fibras e o número de transmissores de dados (transceptores) no concentrador da

prestadora de telecomunicações oneram esta arquitetura [1].

Figura 11. Fibra óptica dedicada Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

16

Na Figura 12, é apresentada a utilização de uma única fibra óptica desde a operadora até um

concentrador de linhas localizado próximo aos clientes. A partir deste concentrador a arquitetura

permanece igual a anterior. O aspecto negativo é que este concentrador pode ser um elemento ativo

na planta externa, necessitando de energia elétrica para seu funcionamento, o que implica no

aumento do custo de operação da rede. A alternativa é a divisão deste custo entre os clientes, o que

representa a fundamentação da PON [1].

Figura 12. Rede óptica comutada Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

Na Figura 13, é mostrada a substituição do concentrador por um elemento óptico passivo,

ilustrando uma rede ponto-multiponto sem elementos ativos na rede de acesso, com fibras ópticas e

divisores ópticos passivos. Um Terminal de Linha Óptica (Optical Line Terminal – OLT) transmite

um sinal óptico, que é distribuído para os diversos usuários através dos divisores ópticos passivos e

é convertido em um formato eletrônico nas Unidades de Rede Óptica (Optical Network Unit –

ONU). Na saída da ONU são disponibilizados sinais elétricos para os telefones, computadores entre

outros equipamentos dos clientes [1].

Figura 13. Rede óptica passiva Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

17

2.5. REDE ÓPTICA PASSIVA

As Redes Ópticas Passivas são redes de acesso que utilizam fibras ópticas interligadas na

topologia estrela e na configuração ponto-multiponto, sendo constituídas apenas por componentes

ópticos passivos entre o Terminal de Linha Óptica (Optical Line Terminal – OLT) e a Unidade de

Rede Óptica (Optical Network Unit – ONU) [1].

Na Figura 14, é apresentado um esquemático de uma rede óptica passiva. O OLT, localizado

dentro do ambiente da operadora, e a ONU, localizado próximo do cliente, são componentes ativos

e responsáveis pela conversão óptico/elétrica/óptico (O/E/O) dos sinais recebidos em diferentes

formatos. O divisor óptico passivo, que pode ser localizado em ambos os ambientes e na planta

externa, é responsável pela divisão do sinal óptico em uma dada taxa de fracionamento.

Figura 14. Esquemático de uma rede óptica passiva Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

O OLT e a ONU possuem um transmissor e um receptor. Um transmissor é basicamente

constituído por um diodo laser operando em 1550 nm no sentido downstream e/ou outro operando

em 1310 nm no sentido upstream. Um receptor é basicamente formado por um fotodetector.

O divisor óptico passivo divide a potência do sinal na entrada pela quantidade de saídas. Um

divisor 1:4, por exemplo, disponibilizará em cada saída um quarto da potência de entrada, o que

pode implicar como uma limitação de distância para a arquitetura PON.

18

2.6. ARQUITETURA FTTX

A fundamentação da PON é dividir o custo de instalação e de operação entre os diversos

usuários da rede de acesso. Por ser composta de componentes passivos, a PON tem como estratégia

trazer a ONU o mais próximo do usuário, diminuindo assim a extensão da rede metálica.

Na Figura 15, podem ser observadas as diferentes topologias da arquitetura FTTX. O

primeiro estágio Fiber-to-the-Cabnet (FTTCab) prevê a ONU dentro de um ponto concentrador,

localizado na calçada ou no poste. O próximo estágio Fiber-to-the-Curb (FTTC) a ONU está no

quarteirão do usuário, ou seja, nas suas imediações. O último estágio Fiber-to-the-Business (FTTB)

ou Fiber-to-the-Home (FTTH) prevê a ONU dentro do ambiente do usuário, no qual a rede de

acesso é totalmente formada por fibra óptica. Neste caso a ONU é identificada como Optical

Network Terminal (ONT) por estar dentro do ambiente do usuário [1].

Figura 15. Arquitetura FTTX Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

19

2.7. RECOMENDAÇÃO PON

O comitê Full Service Access Network (FSAN) foi criado em 1995 para desenvolver padrões

de serviços de banda larga. Atualmente interage junto com os organismos de regulamentação e

normativos internacionais, tal como a ITU Telecommunication Standardization Sector (ITU-T). [4]

Na Tabela 6, é apresentado o resumo das recomendações que especificam a rede PON,

elaborados pelo FSAN e aprovados pelo ITU-T. [4]

Tabela 6. Recomendações G.983 e G.984

Recomendação Título Data Publicação

G.983.1 Broadband Optical Access Systems based on Passive Optical Network (PON) 10/1998

G.983.2 ONT management and control interface specification for B-PON 07/2005

G.983.3 A broadband optical access system with increased service capability by wavelength allocation 03/2001

G.983.4 A broadband optical access system with increased service capability using dynamic bandwidth assignment 11/2001

G.983.5 A broadband optical access system with enhanced survivability 01/2002

G.984.1 Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): General charscteristics 03/2003

G.984.2 Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD) layer specification 03/2003

G.984.3 Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Transmission convergence layer specification 02/2004

G.984.4 Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): ONT management and control interface specification 06/2004

Fonte: Adaptado de ITU (2006) [4]

20

2.8. TIPOS DE PON

2.8.1. ATM-PON

A Asynchronous Transfer Mode PON (APON) foi concebida quando o ATM era o único

sistema de transporte que suportava simultaneamente a transmissão de voz, dados e vídeo. A APON

focaliza aplicações residenciais utilizando fibra óptica tipo monomodo com distância entre a OLT e

a ONT limitada em 20 km, num máximo de 32 ONTs, e valores de taxas de transmissão de 155,52

Mb/s ou 622,08 Mb/s no sentido downstream com tráfego contínuo de dados, e 155,52 Mb/s no

sentido upstream com característica de tráfego em forma de rajadas (bursts). [1]

Na Figura 16, é apresentada a estrutura do quadro no sentido downstream, onde se observa

uma redução da capacidade de carga útil (payload) de 155,52 Mb/s para 149,97 Mb/s. Esta estrutura

contém 56 células de 53 bytes cada, sendo 54 células do tipo ATM e 2 células do tipo Physical

Layer Operation, Administration and Maintenance (PLOAM), adicionadas a cada 28 time slots.

Figura 16. Quadro ATM no sentido downstream Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

Na Figura 17, é apresentada a estrutura do quadro no sentido upstream, onde se observa 3

bytes de overhead para cada célula ATM, também chamado de PLOAM 2. Pode se destacar que o

envio das células ATM depende da autorização concedida pelo OLT, via células PLOAM no

sentido downstream.

Figura 17. Quadro ATM no sentido upstream Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

21

No sentido upsteram a função Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) aloca os diferentes

tipos de tráfego na rede PON, otimizando o transporte de dados e definindo o volume de tráfego que

cada usuário pode transmitir a partir do Service-Level Agreement (SLA). [1]

Em ambos os sentidos são utilizados as codificações de dados do tipo Non Return to Zero

(NRZ), com a seguinte convenção:

• Nível alto do sinal no domínio óptico para o binário UM;

• Nível baixo do sinal no domínio óptico para o binário ZERO.

Na Figura 18, é apresentado o modo de operação nas células APON.

Figura 18. Operação nas células APON Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

O grupo FSAN e os comitês do ITU-T, modificaram o nome da APON para BPON, pois

esta rede não oferece somente serviços ATM, mas também serviços de banda larga, incluindo

acesso Ethernet e distribuição de vídeo.

22

2.8.2. GIGABIT-PON

A rede Gigabit PON (GPON) foi desenvolvida para operar em taxas acima de 1 Gbps e com

o objetivo de suportar múltiplos serviços e funcionalidades de Operation, Administration,

Maintenance and Provisioning (OAM&P). O modelo GPON é baseado no modelo de camadas

Open Systems Interconnection (OSI) e foi elaborado para aperfeiçoar o modelo BPON. [1]

Na Figura 19, é apresentado o modelo de rede GPON, destacando-se a camada física

(Physics – PHY) e a camada 2, denominada Transmission Convergence (TC).

Figura 19. Modelo de rede GPON Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

A camada PHY, assim como a camada 1 do modelo OSI, é responsável pela transmissão de

bits no meio físico, pelas características físicas do meio, funcionais e procedurais necessárias para

acesso ao meio de transmissão.

Na camada TC são processados os quadros GPON TC (GTC), responsáveis por encaminhar

as informações entre a estação de gerenciamento de rede, o OLT e as ONUs. Desta forma, o quadro

23

GTC é formado com pacotes GPON Encapsulation Method (GEM), na direção downstream. No

sentido upstream os pacotes GEM são extraídos do quadro GTC.

O padrão GPON opera com os seguintes valores de taxas de transmissão: 622 Mbps

simétrico, 1,25 Gbps simétrico, e assimétrico com 2,5 Gbps no sentido downstream e 1,25 Gbps no

sentido upstream. [1]

Na Figura 20, é apresentado o quadro característico de uma rede GPON no sentido

downstream. O quadro é formado pelo cabeçalho e pela carga útil variável, associado num intervalo

de tempo de 125 us.

Figura 20. Quadro GPON no sentido downstream Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

Na Figura 21, é apresentado o quadro característico de uma rede GPON no sentido

upstream. Neste quadro a ONT possui um time slot para encaminhar as informações ao OLT.

Figura 21. Quadro GPON no sentido upstream Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

24

A GPON supriu as desvantagens da APON, porém, como não está baseada na tecnologia

Ethernet, é necessário uma encapsulamento adicional.

2.8.3. Ethernet-PON

A tecnologia Ethernet se consolidou no domínio das redes LAN, Metropolitan Área

Network (MAN) e no backbone, tornando-se um padrão de fato e uma alternativa para uma rede de

acesso otimizada de dados IP. O uso da tecnologia Ethernet na rede PON não requer camadas

adicionais de protocolo para a extensão dessas redes até o usuário final, seja ele residencial ou

corporativo. [1]

Na Figura 22, é apresentado o formato do quadro de uma rede EPON, com base na estrutura

dos quadros 802.3 (Ethernet).

Figura 22. Formato do quadro EPON Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

Cada célula do quadro EPON possui uma determinada função, destacando-se o mecanismo

Multi-Point Control Protocol (MPCP), definido como uma função residente na subcamada de

controle Medium Access Control (MAC).

Na Figura 23, é apresentado o fluxo dos quadros transmitidos pelo OLT às ONUs, ou seja,

no sentido downstream. O tráfego passa por um divisor óptico passivo 1:N, sendo que as taxas de

divisão assumem valores limitados de 4 a 64. As ONUs extraem seus respectivos quadros

baseando-se no endereço MAC.

25

Figura 23. Fluxo do quadro EPON no sentido downstream Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

Na Figura 24, é apresentado o fluxo dos quadros enviados por uma ONU ao OLT, não

passando por outras ONUs. No sentido upstream, para evitar a perda das informações através das

ocorrências das colisões, foi definida pelo grupo Institute of Electral and Electronics Engineers

(IEEE) a utilização da tecnologia WDM. As ONUs serão sincronizadas numa mesma base de

tempo, e a cada ONU será definido um time slot específico para o envio das informações.

Figura 24. Fluxo do quadro EPON no sentido upstream Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

26

No sentido upstream existem trocas de mensagens entre as ONUs informando o tamanho do

quadro que será enviado, o que torna a rede EPON mais complexa e mais robusta. O OLT gerencia

o acesso por divisão de tempo, num canal compartilhado pelas diversas ONUs.

As diferentes localizações das ONUs na rede EPON produzem diferentes valores de

atenuação do sinal óptico associado, resultando num prejuízo na recepção destes sinais no OLT.

Na Figura 25, é apresentado os níveis de potência do sinal óptico recebidos no OLT, sendo

que a ONU A está mais distante do OLT do que a ONU C, que por sua vez, está mais distante do

que a ONU B.

Figura 25. Sinal óptico recebido no OLT Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

Para minimizar o problema, o receptor no OLT deve, no início de cada time slot, adequar

seu limiar para definição dos valores dos níveis ZERO ou UM, sendo capaz de operar no modo de

transmissão de rajada (Burst Mode Transmission).

Neste sentido, a EPON é projetada para o transporte de quadros no formato Ethernet,

realizando uma combinação de uma rede óptica passiva, que se utiliza de fibras ópticas, com o

protocolo Ethernet para o tráfego de pacotes IP, nas redes de acesso e inclusive nas redes MAN.

2.8.4. Avaliação das Tecnologias APON, GPON e EPON

A tecnologia APON possui garantia de qualidade nos serviços de comunicações telefônicas,

e é esta garantia o principal motivo que a rede ATM não é otimizada para o controle de tráfego de

dados. A APON inclui monitoramento de taxa de erro de bit (Bit Error Rate – BER), alarmes e

indicações de problemas. Pode ser disposta de 2 formas: utilizando duas fibras (uma para o sentido

downstream e outra para o sentido upstream) ou apenas uma fibra, utilizando um sistema WDM.

No sentido downstream possui taxas transmissão de 155 Mbps ou 622 Mbps, e no sentido upstream

27

utiliza a taxa de 155 Mbps. Foi rebatizada como BPON pois passou a oferecer outros serviços além

dos tradicionais.

A tecnologia GPON, um avanço da BPON, utiliza o procedimento genérico de

enquadramento (Generic Framing Procedure – GFP) para encapsulamento das células ATM e

pacotes de dados. Prevê alcance físico de até 20 km com taxas de transmissão de 622 Mbps

simétricos, 1,25 Gbps simétricos, e 2,5 Gbps downstream e 1,25 Gbps upstream assimétricos.

A tecnologia EPON utiliza o protocolo Ethernet, que é uma extensão da IEEE 802.3,

operando a 1 Gbps com uma distância de até 20 km. Por ser uma rede de comunicação IP é a

preferida na escolha das referências bibliográficas.

Na Tabela 7, são apresentadas as principais características das redes PON.

Tabela 7. Características das redes PON

Itens APON GPON EPON

Especificação Padronizada Sim

ITU-T

Sim

ITU-T

Sim

IEEE

Data da Padronização 1998 2003 2004

Empresas que influenciam na padronização

Provedores de serviços

Provedores de serviços

Fornecedores de equipamentos

Taxa de transmissão 155 / 622 Mbps até 2,5 Gbps 1 Gbps

Protocolo básico ATM ATM Ethernet

Cabeçalho de protocolo harmonizado com IP Não Não Sim

Tipo de Codificação NRZ NRZ 8B / 10B

Taxa de fracionamento 1:32 1:64

1:64

28

Tecnologia de acesso TDMA TDMA TDMA

DBA Sim Sim Sim

OAM Sim Sim Sim

Segurança Sim Sim Sim

Voz Sim Sim Sim

QoS Sim Sim Sim

Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

Observa-se que a tecnologia EPON possui todas as vantagens descritas na Tabela 7, e que,

além destas, possui a vantagem da economia por escala e pela base instalada de equipamentos em

usuários residenciais e corporativos.

Na Figura 26, são apresentados os custos comparativos entre as tecnologias ATM e

Ethernet, por conexão e por taxa de transmissão em Mbps.

Figura 26. Comparativos de custos entre a ATM e Ethernet Fonte: Adaptado de Takeuti (2005) [1]

29

Enfim, a avaliação das tecnologias PON, permite dizer que a EPON é uma rede de acesso

ideal onde já existe uma rede Ethernet, como por exemplo, um condomínio empresarial. Já as redes

APON e GPON são ideais para o acesso em redes de maior porte, como por exemplo, nas

operadoras de telecomunicações que utilizam a tecnologia ATM. Também deve ser destacado que a

utilização pelas operadoras do protocolo Gigabit Ethernet torna interessante a utilização do

protocolo Ethernet juntamente com uma rede de acesso EPON.

30

3. DIMENSIONAMENTO DA REDE PON

As redes ópticas passivas empregadas atualmente nas operadoras de telecomunicações como

redes de acesso utilizam as fibras ópticas do tipo monomodo, sendo a recomendação G.652 a mais

utilizada. Com o modelo de telefonia utilizado por essas operadoras as redes de acesso não

ultrapassam a distância de 20 km, o que não diminui o efeito da atenuação e da dispersão. Desta

forma será elaborada uma ferramenta para dimensionamento de rede PON ou rede GPON limitada

por atenuação e por dispersão.

Na Figura 27, é apresentado um modelo de uma rede PON, destacando-se a utilização de

dois divisores ópticos passivos (splitter) para cada tipo de atendimento.

Figura 27. Modelo de PON

3.1. SISTEMA LIMITADO POR ATENUAÇÃO

O limite teórico por atenuação (LA) para um sistema de comunicação óptica é a máxima

distância entre o transmissor (Tx) e o receptor (Rx), sendo estabelecido pela disponibilidade de

potência do sinal. [2]

Na Equação 4, é apresentada a equação que um sistema óptico limitado por atenuação deve

satisfazer. [2]

31

PTx – PRx = α FIBRA + α EMENDAS + α CONECT + α SPLITTER + MARGEM (4)

Onde:

PTx = Potência média na transmissão (dBm)

Prx = Sensibilidade na recepção (dBm)

α FIBRA = Perda total na fibra óptica (dB)

α EMENDAS = Perda total nas emendas (dB)

α CONECT = Perda total nos conectores (dB)

α SPLITTER = Perda total nos divisores ópticos passivos (dB)

MARGEM = Reserva de potência (dB)

3.1.1. Potência média na transmissão (PTx)

A potência média de transmissão é definida pelo equipamento que será utilizado como

transmissor. Tipicamente, é considerado o valor de 0 dBm para os cálculos teóricos. [2]

3.1.2. Sensibilidade na recepção (PRx)

A sensibilidade na recepção também está relacionada com o equipamento que será utilizado

no receptor. Tipicamente, é considerado o valor de -27 dBm para os cálculos teóricos. [2]

3.1.3. Perda na fibra óptica (α FIBRA)

A perda de potência na fibra óptica está relacionada com o comprimento de onda em

operação no sistema. Para cada comprimento de onda existe um coeficiente de atenuação (α),

relacionado na Tabela 2. [2]

Na Equação 5, é apresentado o valor da perda na fibra óptica. [2]

α FIBRA = α . LA (5)

32

Onde:

α = Coeficiente de atenuação por comprimento de onda (dB/km);

LA = Limite da atenuação (km).

3.1.4. Perda total nas emendas (α EMENDAS)

As emendas de uma rede óptica são instaladas para unir as fibras dos cabos ou em pontos

estratégicos, para a derivação das rotas ou para atendimento de clientes. As emendas são

fundamentais em uma rede óptica e estão localizadas, tipicamente, a cada 2 km. [2]

As fibras ópticas são unidas através da fusão. Neste tipo de emenda a fibra é introduzida

numa máquina, chamada máquina de fusão, limpa e clivada, para, após o alinhamento apropriado,

ser submetida ao um arco voltaico que eleva a temperatura nas faces das fibras, o que provoca o

derretimento das fibras e a sua soldagem. O arco voltaico é obtido a partir de uma diferença de

potencial aplicada sobre dois eletrodos de metal. [2]

Na Equação 6, é apresentada a perda total devido as emendas no cabo. É importante ressaltar

que nesta equação o número de emendas no cabo é estimado. Normalmente é adotado o valor de 0,1

dB para cada emenda. [2]

α EMENDAS = [ ( LA / lE ) – 1 ] . α u (6)

Onde:

α EMENDAS = Perda total nas emendas (dB)

LA = Limite de atenuação (km)

lE = Distâncias entre as emendas (km)

α u = Perda unitária de cada emenda (dB)

No entanto, quando o projeto do cabo óptico é conhecido, ou seja, o número de emendas é

conhecido, basta multiplicar o número de emendas pela perda unitária de cada emenda.

33

3.1.5. Perda total nos conectores (α CONECT)

Os conectores de uma rede óptica estão localizados nos módulos de transmissão e de

recepção. Estes módulos também são conhecidos como Bastidor de Emenda Óptica (BEO), sendo

que o módulo de transmissão está localizado no ambiente da operadora de telecomunicações e, o

módulo de recepção, no cliente. [2]

Na Equação 7, é apresentada a perda total devido aos conectores. [2]

α CONECT = NC . α C (7)

Onde:

α CONECT = Perda total nos conectores (dB)

NC = Número de conectores (unidade)

α C = Perda unitária de cada conector (dB)

3.1.6. Perda total nos divisores ópticos (α SPLITTER)

A perda total no divisor óptico passivo (splitter) deve-se ao fracionamento da potência. Este

fracionamento está relacionado com a quantidade de saídas do divisor, sendo que, as saídas são

dimensionadas na base 2. Por exemplo, um divisor óptico passivo 1:4 também poderia ser escrito

como divisor óptico passivo 1:22.

Na Equação 8, é apresentada uma forma generalizada de dimensionar a quantidade de saídas

de um divisor óptico passivo.

Quantidade de saídas do splitter = 2N (8)

Onde:

N = número natural

34

Na Equação 9, é apresentada a perda total em um divisor óptico passivo do tipo 1:2N.

α SPLITTER = 10 . log 2N (9)

Onde:

α SPLITTER = Perda total nos divisores ópticos passivos (dB)

N = número natural

No projeto de uma PON normalmente são utilizados 2 (dois) ou mais divisores ópticos

passivos, sendo que, no dimensionamento da PON, é necessário repetir o cálculo da perda total no

splitter para todos os splitters empregados na rede.

3.1.7. Margem

A margem é uma reserva técnica de potência para suprir as necessidades decorrentes do

envelhecimento do cabo e de perdas adicionais de manutenção. Tipicamente é de 3 dB. [2]

3.2. SISTEMA LIMITADO POR DISPERSÃO

O limite teórico por dispersão (LD) para um sistema de comunicação óptica é a máxima que

o sinal pode ser transmitido com uma penalidade inferior a 3 dB. [2]

Na Equação 10, é apresentado o tempo de subida (rise-time) de um sistema de transmissão.

[2]

TRS = 0,7 / B (10)

Onde:

TRS = Tempo de subida (ps)

B = Taxa de transmissão (bits/s)

Na Equação 11, é apresentada a condição para que a penalidade de transmissão devido a

dispersão seja inferior a 3 dB. [2]

35

(TRS)2 = (TR TX) 2 + (TR RX) 2 + (TR F) 2 (11)

Onde:

TRS = Tempo de subida (ps)

TR TX = Tempo de subida do Transmissor (ps)

TR RX = Tempo de subida do Receptor (ps)

TR F = Tempo de subida da fibra óptica (ps)

Na Equação 12, é apresentado o tempo de subida da fibra óptica (TR F) de forma detalhada.

[2]

TR F = |D| . ∆λ . LD (12)

Onde:

TR F = Tempo de subida da fibra óptica (ps)

|D| = Valor absoluto do coeficiente de dispersão (ps / nm . km)

∆λ = Largura espectral da fonte (nm)

LD = Limite de dispersão (km)

3.3. EXEMPLO 1: CÁLCULO DO LIMITE DE DISPERSÃO

Num sistema de comunicações ópticas que utiliza a tecnologia GPON e fibra monomodo

G.652 (Convencional), pode-se calcular o limite de dispersão. São considerados os seguintes

parâmetros:

∆λ = 0,2 nm (Largura espectral da fonte)

λ = 1550 nm (Comprimento de onda)

TR TX = 60 ps (Tempo de subida do Transmissor)

36

TR RX = 60 ps (Tempo de subida do Receptor)

Sua taxa de transmissão no sentido downstream é:

B = 2,5 Gbps

Aplicando a taxa de transmissão (B) na Equação 10, é calculado o tempo de subida do

sistema (TRS):

TRS = 0,7 / B = 0,7 / 2,5 Gbps

TRS = 280 ps

Para calcular o limite de dispersão, deve ser aplicado o valor do tempo de subida da fibra

óptica (TR F) na Equação 11, que ficará da seguinte forma: [2]

(TRS)2 = (TR TX) 2 + (TR RX) 2 + (|D| . ∆λ . L) 2

Na Tabela 4, têm-se o valor da dispersão:

D = 17 ps / km . nm

Portanto o limite de dispersão será:

(280 ps)2 = (60 ps) 2 + (60 ps) 2 + (17 ps / km . nm . 0,2 nm . L) 2

(3,4 . L)² = 78400 – 7200

(L)² = 71200 / 11,56

(L)² = 71200 / 11,56

L = 17,6159

L = 78 km

Como as redes de acesso do modelo de telefonia utilizado pelas operadoras de

telecomunicações no Brasil não ultrapassam a distância de 20 km, pode-se dizer que as redes PON

são limitadas pela atenuação.

37

3.4. EXEMPLO 2: CÁLCULO DO LIMITE DE ATENUAÇÃO

O limite de atenuação, para a mesma rede GPON do Item 3.3, é determinado pela

quantidade de saídas (derivações) dos divisores ópticos passivos (splitter) utilizados na rede.

Generalizando, a quantidade de derivações que podem ser utilizadas pelos divisores ópticos

passivos (splitter) pode ser calculada em função do limite de atenuação.

Através da Equação 4 pode-se calcular a quantidade de derivações para um determinado

limite de atenuação. Aplicando as Equações 5, 6, 7 e 9 na Equação 4 têm-se que:

PTx – PRx = α . L + [ ( L / l ) – 1 ] . α u + NC . α C + 10 . log 2N + M

Considerando os seguintes parâmetros:

λ = 1550 nm (Comprimento de onda)

PTx = 0 dBm (Potência do Transmissor)

PRx = - 27 dBm (Sensibilidade do Receptor)

l = 2 km (Distâncias entre as emendas)

α u = 0,1 dB (Perda unitária de cada emenda)

NC = 2 (Número de conectores)

α C = 0,1 dB (Perda unitária de cada conector)

M = 3 dB (Margem)

Na Tabela 2, têm-se o coeficiente de atenuação para comprimento de onda de 1550 nm:

α = 0,25 dB

Aplicando o limite de atenuação (L) de 2,5 km na Equação 4, é calculada a quantidade de

derivações que podem ser utilizadas pelos divisores ópticos passivos (splitter):

0 – (- 27) = 0,25 . 2,5 + [ ( 2,5 / 2 ) – 1 ] . 0,1 + 2 . 0,1 + 10 . log 2N + 3

27 = 0,625 + 0,025 + 0,2 + 10 . log 2N + 3

38

10 . log 2N = 27 – 3,85

N . 10 . log 2 = 23,15

N . 3 = 23,15

N = 7,7 derivações

Repetindo o passo anterior para os limites de atenuação relacionados abaixo são calculadas

as respectivas quantidades de derivações:

L = 10 km => N = 6,9 derivações





Na Figura 27, são apresentadas as quantidades máximas de derivações dos divisores ópticos

passivos em função do limite de atenuação.

Quantidade de Derivações x Limite de Atenuação

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70

L (km)

N (u

nida

de)

Figura 27. Quantidade de derivações (N) em função do limite de atenuação (L)

Observa-se que a rede GPON dos Itens 3.3 e 3.4 é limitada pela atenuação, pois o maior

limite de atenuação (70 km) é menor do que o limite de dispersão (78 km).

39

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Neste trabalho foram realizados estudos sobre a tecnologia de rede óptica passiva (PON),

que estende a fibra o mais perto possível do usuário, o que permite oferecer serviços simultâneos

que necessitam de uma maior largura de banda.

Nas operadoras de telecomunicações a PON irá substituir as tecnologias da família DSL e,

em médio prazo, as redes PONs conectarão as residências com fibra óptica (FTTH).

Neste contexto, foram estudados os tipos de PON, destacando o uso da GPON pelas

operadoras de telecomunicações e o crescimento da EPON.

O trabalho apresenta uma ferramenta simples para dimensionar uma rede PON, respeitando

suas limitações físicas e tecnológicas. Esta ferramenta é dividida em duas partes: o limite de

atenuação e o limite de dispersão. Para os alcances das redes de acesso utilizadas pelas operadoras

de telecomunicações no Brasil, o limite de dispersão pode ser desprezado, pois é menor do que o

limite de atenuação.

Futuramente esta ferramenta será desenvolvida utilizando um software, facilitando assim o

projeto e o dimensionamento de uma rede PON.

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5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Takeuti, Paulo. Projeto e Dimensionamento de Redes Ópticas Passivas. São Carlos: USP, 2005. 72 p. Tese (Mestrado), Escola de Engenharia, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2005.

[2] Pereira, Jorge Salomão. Anotações da disciplina de Comunicações Ópticas. Campinas: 1º Semestre de 2006. Universidade São Francisco, 2006.

[3] Clube do Hardware. Introdução às Fibras. 2002. Disponível em <http://www.clubedohardware.com.br/artigos/371> Acesso em Outubro de 2006.

[4] INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION. G SERIES: Transmission systems and media, digital systems and networks. 2006. Disponível em <http://www.itu.int/rec/T-REC-G/en> Acesso em Novembro de 2006.

[5] Teleco. PON: Redes Ópticas de Acesso de Baixo Custo. 2004. Disponível em <http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialpon/default.asp> Acesso em Novembro de 2006.

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