Planeamento e Projecto de Redes Capítulo 4 Redes de ... · calculada na tabela seguinte: ... • Baixa atenuação ... Um cabo óptico ocupa uma secção que é 1/10 da secção

©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 180

Capítulo 4

Redes de Transporte Ópticas

Planeamento e Projecto de Redes


Espectro Óptico e Comprimentos de Onda

• Os sistemas de comunicação óptica operam na banda do espectro electromagnético com comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, ou seja na região do infra-vermelho (não visível pelo olho humano).

• O ITU (International Telecommunications Union) definiu seis bandas passíveis de serem usadas pelos sistemas de comunicação sobre fibra óptica.

• As bandas mais usadas pelos sistemas comerciais são as bandas O e C.

Ultra-violeta Visível Infra-vermelho

0.05 0.4 0.7 100 λ (μm)

Banda usada pelos sistemas de comunicação óptica

6×1015 4.3×1014 3×1012 ν (Hz)

Comprimento de onda

Frequência

c=νλ

Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L Banda U

1260 1360 1460 1530 1565 1625 1675 λ(nm)


Largura de Banda de Transmissão

• A relação entre um espaçamento no domínio da frequência (Δν) e um espaçamento no domínio do comprimento de onda (Δλ) é dada por

onde λ0 é o comprimento de onda central na banda considerada e c é a velocidade de propagação da luz no vazio.

• A largura de banda total de transmissão correspondente às bandas do ITU é calculada na tabela seguinte:

λλ

ν Δ≅Δ 20

c

5.51501650UltralongU7.08601595LongL4.39351547.5ConventionalC9. 40701495ShortS15.091001410ExtendedE17.481001310OriginalO

Δν (THz)Δλ (nm)λ0 (nm)DesignaçãoBanda

Total

59 THz


Transmissão sobre Fibra Óptica


Elementos de uma Ligação Óptica

• Estrutura de uma ligação óptica

Emissor Óptico

Repetidor Receptor Óptico

t t

Sinal Eléctrico Sinal óptico

t

Sinal Eléctrico

Fibra óptica Conector

• Receptor óptico: consiste num fotodíodo, que é responsável por converter o sinal do domínio óptico para o domínio eléctrico, e por circuitos electrónicos apropriados para amplificar o sinal.

• Repetidor: pode ser um amplificador óptico, ou um regenerador; o primeiroamplifica o sinal óptico e o segundo dá ao sinal o formato original.

• Fibra óptica: consiste numa guia cilíndrico geralmente de vidro que permite a transmissão dos sinais ópticos à distância.

• Emissor óptico: consiste numa fonte óptica e em circuitos electrónicos; a fonte óptica é normalmente um díodo laser; faz a conversão dos sinais eléctricos em ópticos.


Vantagens das Fibras Ópticas

• Baixa atenuaçãoNa terceira janela (λ=1.55 μm) o coeficiente de atenuação tem um valor de cerca de 0.2 dB/km.

• Largura de banda elevadaA largura de banda disponível na terceira janela é de cerca de 200 nm (25 THz).Considerando a 2ª e 3ª janelas têm-se cerca de 400 nm (50 THz).

• Dimensões e peso reduzidosUm cabo óptico ocupa uma secção que é 1/10 da secção ocupada por um cabo coaxial e o seu peso é de cerca de 1/30.

• Imunidade à interferência electromagnéticaA sílica (SiO2) não é sensível à interferência electromagnética.

• Custo reduzidoAs fibras ópticas são fabricadas com vidro purificado, cuja matéria prima é a sílica.


Atenuação das Fibras versus Meios Metálicos

1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 Frequência (MHz)

100

α (dB/km) 50 20 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.2 0.1

Fibra monomodal

Fibra multimodal de índice gradual

Cabo Coaxial

Par simétrico


Estrutura das Fibras Ópticas

• Um fibra óptica é um guia de ondas cilíndrico que guia as ondas luminosas ao longo do seu eixo. As fibras ópticas usadas nas telecomunicações são fabricadas usando vidro de sílica (SiO2).

• Estrutura genérica de uma fibra óptica:

• O índice de refracção n2 da bainha deve ser ligeiramente inferior ao do núcleo n1 para que haja condições para propagação da luz.

Núcleo

(GeO2/ SiO2)

Bainha

(SiO2)

Revestimento primário (polímeros)

2a

Perfil transversal Perfil longitudinal

Vidro núcleo (n1)

Vidro bainha (n2)

n1>n2


Estrutura das Fibras Ópticas (II)

• A variação do índice de refracção é dada por

n1: valor máximo do índice de refracção, a: raio do núcleo, g: parâmetro de perfil, Δ: diferença de índices normalizada

2a

Núcleo

(GeO2/ SiO

2)

Bainha

(SiO2

)

( )⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

>Δ−=

≤⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛Δ−=

arnn

ararnrn

g

2/112

2/1

1

21

21)(

1

2121

22

21

2 nnn

nnn −

≈−

=Δ

Índice em degrau

a r

n(r)

g=1

g=2g=∞

Índice parabólico

Revestimento primário

interior Revestimento primário

exterior


Tipos de Fibras

• Fibra multimodal - Fibra com indíce em degrau- Fibra com índice de variação gradual (50 ou 62.5μm)

• Fibra monomodal- Fibra padrão ou G.652- Fibra de dispersão deslocada ou fibra G.653- Fibra de dispersão deslocada, com dispersão

não nula ou G655

125 μm

50 ou 62.5μm

125 μm

8.6 a 9.5 μm

405.2221 ≤Δ= anV

λπ

405.2221 >Δ= anV

λπ A maior dimensão do núcleo facilita a ligação

entre fibras ou entre estas e os transceptores

Ex: a=10 μm, n1=1.5, Δ=0.01 V=0.85 λ=1.55 μm V=2.49, λ=0.85 μm


Abertura Numérica

• O cone de aceitação de uma fibra óptica define um ângulo sólido segundo o qual toda a radiação incidente é transmitida pela fibra.

• A abertura numérica (AN) de uma fibra corresponde ao seno do ângulo de aceitação. Para uma fibra com índice em degrau têm-se

• Para garantir uma injecção de radiação na fibra dentro do cone de aceitação é conveniente usar uma lente convergente.

Cone de

aceitação

Bainha

Núcleoaθ

21

22

21

0

1

2 com ,2sin

nnn

nnAN a

−=ΔΔ== θ

n1

n0

n0 : índice de refracção do ar Δ: diferença de índices normalizada

Emissor Óptico

LenteValores típicos:

Fibra multimodal 62.5/125 →AN=0.275 Fibra multimodal 50/125 → AN=0.2 Fibra monomodal →AN=0.14


Propagação nos Diferentes Tipos de Fibras

Fonte: Wikipedia

Numa fibra óptica somente um número finito de raios a certos ângulos discretos têm possibilidade de se propagar. Esses ângulos estão relacionados com um padrão de distribuição do campo electromagnético

denominados modos.


Limitações das Fibras Ópticas

• Atenuação: Traduz-se na redução do valor da potência óptica com a propagação ao longo da fibra.

• Dispersão: Traduz-se na deformação da forma do pulso com a propagação ao longo da fibra. Pode ser intermodal ou intramodal.

t t

0 L

Pulso óptico na entrada

t t

0 L

Pulso óptico na saída

zFibra óptica de comprimento L

Devido à dispersão os pulso vizinhos passam a interferir entre si limitando a velocidade de transmissão

z


Caracterização da Atenuação

• A atenuação (Af) é uma medida da perda de potência do sinal óptico resultante da propagação ao longo da fibra óptica e exprime-se usualmente em decibel (dB), ou seja

• É usual nas comunicações em fibra óptica exprimir a potência óptica em dBm, definida como sendo o nível de potência, em escala logarítmica, medido relativamente a 1 mW, ou seja

• Por sua vez

• A fibra óptica é caracterizada em termos do coeficiente de atenuação, definido como sendo a atenuação por unidade de comprimento, ou seja

)()0(log10

LppA

o

of = po(0): potência na entrada em mW

po(L): potência na saída em mW

mW 1log10dBm)(0

opP =0 dBm = 1 mw30 dBm= 1W

dB)((dBm))0(dBm))(( foo APLP −=

(km)/)dB((dB/km) LAf=α


Atenuação em Função do Comprimento de Onda

• A atenuação das fibras ópticas de sílica varia em função do comprimento de onda e apresenta um mínimo em cerca de 1.55 μm.

O limite fundamental para o coeficiente de atenuação das fibras de sílica em 1.55 μm é de 0.16 dB/km. O valor típico desse coeficiente, para 1.55 μm, para as fibras disponíveis no mercado é à volta de 0.2 dB/km, mas é possível encontrar fibras com valores entre 0.17- 0.18 dB/km.

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6Comprimento de onda (μm)

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

Coe

ficie

nte

de a

tenu

ação

(dB

/km

)

Difusão de Rayleigh

Absorção no infravermelho

Absorção OH

0

1

2

3

4

5

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Comprimento de Onda (μm)

nm dB/km

850 1.811300 0.351310 0.341383 0.291550 0.191625 0.21

Fibra óptica monomodal Corning SMF-28e

(fibra seca)

Coe

ficie

nte

de A

tenu

ação

(dB

/km

)

Absorção ultravioleta


Física da Atenuação

• A atenuação num fibra óptica deve-se fundamentalmente a três fenómenos: absorção do material, difusão de Rayleigh e perdas nascurvas.

• Absorção do material: Traduz-se na conversão da energia luminosa em outra forma de energia.

• Difusão de Rayleigh: Resulta do facto da densidade do material não ser homogéneo o que conduz a flutuações microscópicas do índice de refracção. Essas flutuações originam difusão da radiação em todas as direcções e constituem o principal factor de atenuação nas fibras até lambdas da ordem de 1.6 μm.

A absorção do material é devida a dois factores: as propriedades intrínsecas do material de fibra (intrínseca) e devida à presença de impurezas (extrínseca). A absorção intrínseca resulta de ressonâncias electrónicas no domínio do ultravioleta e de ressonâncias vibracionais no domínio do infravermelho. A absorção extrínseca resulta hoje em dia fundamentalmente da presença de iões OH, os quais conduzem a uma forte absorção em 1. 39 μm. Hoje em dia, já se produzem fibras em que essa absorção é praticamente eliminada (fibras secas).


Perdas nas Curvas

• Na presença de curvas a fibra óptica está sujeita a perdas radiativas. Estas perdas podem ser significativas se o raio de curvatura forinferior a poucos centímetros (cerca de 3 cm).

• Este problema levou ao desenvolvimento de fibras quase insensíveis às curvas, à custa do aumento da complexidade da estrutura da fibra.

Fonte: Ming-Jun Li,” Bend-insensitive optical fibers simplify fiber-to-the-home installations” , Optoelectronics & Optical Communications, 21 Abril2008, SPIE .

Fibra insensível a curvas

Fibra padrão


Vantagens das Fibras Insensíveis a Curvas

O desenvolvimento de fibras tolerantes a curvas permitiu reduzir a dimensão dos armários de rua e veio facilitar significativamente a extensão da fibra óptica até à casa dos utilizadores.

Fonte: H. Kogelnik, OFC2008


Dispersão Intermodal

• A dispersão intermodal só ocorre nas fibras ópticas multimodais e resulta do facto de diferentes modos terem diferentes tempos de propagação.

• O alargamento do pulso, definido a meia potência é aproximado por

• O desvio padrão do alargamento devido à dispersão intermodal é definido por

• O produto largura de banda óptica×comprimento da fibra é dado por

Bainhat

t

1

δτ

cθ

τmin

τmax

degrau em índice : 1minmax Δ≈−= ncLττδτ parabólico índice :

102

1minmax Δ≈−= nc

Lττδτ

resrectangula pulsos: 32int

δτσ =er gaussianos pulsos: 2ln22int

δτσ =er

degrau em índice : 44.0

10 Δ

≈×n

cLB parabólico índice : 4.42

10 Δ

≈×n

cLB

0.5

LP0

P0


Dispersão Intramodal

• A dispersão intramodal ou cromática resulta do facto de diferentes comprimentos de onda de um modo apresentarem diferentes velocidades de propagação na fibra.

• Um sinal com uma largura espectral Δλ apresenta um alargamento temporal a meia potência Δτ (ou σintra quando expresso em desvio padrão).

n(λ)

Comprimento de onda

vg

Comprimento de onda

λ=1.3 μm

gg

LvL ττ == :propagação de Tempo

λλλτ

τ λ Δ=Δ=Δ LDLdd g

λλ σσ LDra =int [ ] cromática dispersão de parâmetro:ps/(nm.km)λD

1.3 μm 1.55 μm λ

0

G.652

G.655

G.653

Atraso de grupo

Fibra G.652

Dλ


Produto Débito Binário×Comprimento

• O débito binário de um sistema de transmissão digital óptico é limitado pela dispersão devida à fibra óptica. Para impedir que a interferência intersimbólica seja elevada é necessário garantir que o alargamento do pulso seja inferior ao período de bit (Tb=1/Db), sendo usada normalmente a seguinte regra

com : monomodais e :multimodais

• Para o caso das fontes com largura espectral elevada (LED, Laser FP, Laser DFB com modulação directa) obtém-se (fibras monomodais)

• Para o caso de fontes com largura espectral reduzida (Laser DFB+modulador externo) (fibras monomodais)

• Para um débito de 10 Gbit/s tem-se no primeiro caso um comprimento máximo da ligação de cerca de 14.7 km e no segundo caso de 66.6 km.

dbD

σ41

≤

λλσDLDb 4

1≤× nm) 1.0 ,ps/(nm.km) 17D m, 55.1( === λλ σμλ kmGbit/s 147 ×≤× LDb

22

12 λπ

λDcLDb ≤× )ps/(nm.km) 17D m, 55.1( == λμλ km(Gbit/s) 1066.6 232 ××≤× LDb

intrad σσ = )( 2int

2int raerd σσσ +=


Limites do Parâmetro de Dispersão:ITU-T

• Os valores máximos do parâmetro dispersão são fixados pelo ITU-T (International Telecommunications Union- TelecommunicationSector). A recomendação G-652 impõe o seguinte limite para uma fibra padrão operando entre 1260 e 1360 nm, com um comprimento de onda de dispersão nula (λ0) entre λ0min =1300nm e λ0max=1324 nm.

• Para fibras com dispersão deslocada a recomendação G-653 impõe

onde λ0 é o comprimento de onda de dispersão nula (≈1.55μm) e λ é o comprimento de onda de trabalho.

.km)m0.093ps/(n:)nula(S dispersão de Declive ,ps/(nm.km) 4

203

400 ≤⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−=

λλλλ

SD

( ) .km)ps/(nm085.0S ,ps/(nm.km) 2000 ≤−= λλλ SD

1200≤ λ≤ 1600 nm


Compensação de Dispersão

• Para aumentar a distância entre os regeneradores para além dos limites impostos pela dispersão pode-se usar técnicas apropriadas para compensar os efeitos da dispersão.

• Fibra compensadora de dispersãoFibra com um parâmetro de dispersão negativo elevado na região de 1550 nm.

• Gestão de dispersãoTroços de fibra com dispersão alternadamente positiva e negativa.

Fibra monomodal padrão (L, Dλ) L

c, D

λc

Dλ

l

LL+L

c l

0=+ ccLDLD λλ

Fibra compensadora de dispersão

Dλ

l

l

L1

, D λ1

L2

, D λ2

L1

, D λ1

L2

, D λ2

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=nm.dB

psmérito deFactor c

cDα

λ

Fibra com parâmetro de dispersão negativa

Fibra com parâmetro de dispersão positiva

02211 =+ LDLD λλ

Razão de compensação

LDLDDCR cc

λ

λ=


Bandas de Utilização das Fibras

WDM, LANPON

Monomodal(G.652)

1460-1530SSexta

WDMMonomodal(All Wave)

1350-1450EQuinta

WDMMonomodal(G.653)

1565-1625LQuarta

Mono –λe WDM

Monomodal(G.655)

1530-1565CTerceira

Mono –λPON, Ethernet

Monomodal(G.652)

1260-1360OSegunda

LAN, EthernetEx:1000 Base-Sx

Multimodal820-900__Primeira

AplicaçõesTipo de fibraBanda (nm)DesignaçãoJanela


Ligação de Fibras Ópticas

• As fibras ópticas são fabricadas com comprimentos que variam entre cerca de 2 e 50 km. Para distâncias maiores é necessário ligar diferentes troços.

• As ligações podem ser permanentes (juntas), ou temporárias. As primeiras são realizadas por fusão das extremidades da fibra, enquanto as segundas são realizadas com fichas (ou conectores).

• As juntas apresentam perdas de inserção inferiores a 0.1 dB e as fichas entre 0.1 e 0.3 dB.

Fonte: Yamasaki

Máquina de fusão Fichas ST Fichas FC


Estrutura dos Cabos Ópticos

• Os cabos ópticos são projectados tendo presentes dois aspectos:1) Minimizar a atenuação adicional resultante do fabrico e uso do cabo;2) Manter a integridade física da fibra (na instalação e em serviço).

• O cabo é revestido no exterior por uma bainha para proteger o cabo de efeitos mecânicos, térmicos, químicos ainda da humidade. No caso dos cabos submarinos têm-se também uma blindagem metálica para aumentar a resistência mecânica.

• Há cabos que podem ter várias dezenas (mesmo centenas) de fibras ópticas. Os cabos com mais de 24 fibras estão organizados em subunidades.

Tensor central

Bainha do cabo (polietileno

Membro reforçador (dieléctrico ou metálico)

Fibra com revestimento secundário

Subunidade com várias fibras


Cabos de Fibra Óptica

Fonte: H. Kogelnik, OFC2008

Cabo de distribuiçãoCabo de distribuição

Cabo aéreo

Cabo blindado


Acopladores

• O acoplador direccional é usado para combinar e derivar sinais nas redes ópticas.

Parâmetros: Coeficiente de acoplamento:Perdas em excesso:

• Combinando de modo apropriado acopladores direccionais é possível construir repartidores ópticos passivos 1:N.Repartidor óptico passivo 1x8:

Comprimento de acoplamento

Entrada 1

Entrada 2

Saída 1

Saída 2

P1

P4

P2

P3

3

1log10PPC =

32

1log10PP

PAd +=

Po

/8

Po

/8

Po

/8

Po

/8

Po

Atenuação total do repartidor 1xN

)log(10log2 NANA dt +×=


Componentes Optoelectrónicos e Sistemas


Princípios Físicos• O princípio de operação dos diferentes componentes optoelectrónicos é

resultado de três processos: absorção, emissão espontânea, emissão estimulada.

• Representação num diagrama com dois níveis energéticos:

• No processo de absorção têm-se a transição de um electrão do estado fundamental para o estado excitado através da absorção de um fotão.

• Na emissão espontânea o electrão decai espontaneamente para o estado fundamental originando um fotão.

• Na emissão estimulada o decaimento do electrão dá-se pela acção de um fotão estimulante. As ondas associadas aos dois fotões têm a mesma fase e frequência.

hν12

E2

E1

hν12

E2

E1

hν12

E2

E1

hν12

Fotão de energia hν12 =E2-E1

Absorção Emissão espontânea Emissão estimulada

Aos dois fotões corresponde a mesma

fase e frequência


Ganho Óptico em Dispositivos de Semicondutor

• O ganho óptico é obtido por emissão estimulada de radiação, em dispositivos derivados da junção p-n, ou seja os electrões na banda de condução decaem para a banda de valência emitindo radiação (fotões) coerente (mesma direcção frequência, fase e polarização) com a radiação incidente.

• Para que haja emissão estimulada permanente é necessário garantir que a concentração de electrões na banda de condução é muito elevada (inversão de população) através de uma corrente de polarização directa suficientemente elevada.

Meio

Amplificador

Radiação luminosa incidente Radiação coerente com a

radiação incidente

Ene

rgia

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

_ _ _ _ _

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Banda de condução

electrões

Banda de valência

lacunas

Equilíbrio térmico Inversão de população

Eg

Frequência do sinal a amplificar

hEg

s >ν


Homo e Heterojunções

• Para reduzir a corrente de injecção necessária para originar inversão de população usam-se heterojunções em vez de uma simples junção p-n.

p

n

corrente de injecção

Homojunção

P (InGaAsP)

corrente de injecção

Heterojunção

P (InP)

n (InGaAsP)n (InP)

RegiãoActiva

y

zx

yd

Região activa

yd

Região activa

Pot

ênci

a óp

tica

Pot

ênci

a óp

tica

yd

Ìndi

cede

re

fracç

ão

yd

Ìndi

cede

re

fracç

ão


Díodo Laser

• O LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) é um oscilador óptico e é constituído por um amplificador óptico inserido numa cavidade reflectora, a qual origina realimentação positiva.

• Os díodos laser usam uma cavidade de Fabry-Perot como cavidade ressonante. As faces do material semicondutor constituem as superfícies semi-reflectoras (espelhos) da cavidade.

Amplificador de fibra dopada Laser de Fibra

Amplificador de semicondutor

Laser de Semicondutor (Díodo Laser)

Corrente de injecção (I)

R1

R2

Região activa Sinal óptico emitido

L IthPo

tênc

ia Ó

ptic

a(P

o)Corrente Eléctrica (I)

Po/2Po/2 I <Ith: emissão espontânea I≥Ith: emissão estimulada


Exemplo de Lasers (FP)

• Ex: T13F (/www.lasermate.com/T13FXYZWM.html)• Características:

– Comprimento de onda de emissão = 1310 nm– Potência de emissão: Varia entre 0.2 e 2 mW (Ith+25 mA) conforme o modelo– Largura espectral típica (Δλ): 2 nm– Corrente de limiar típica (Ith)= 10 mA

• Aplicações: Redes SDH (STM-1 e STM-4)

Módulo com pigtail( não arrefecido) Módulo com conector (não arrefecido)

FP: Fabry-Perot


Exemplo de Lasers (DFB)

• Ex: T15D (www.lasermate.com/T15DPYZCM2I.html)

• Características:– Comprimento de onda de emissão = 1550 nm– Potência de emissão (pico): 5 mW– Largura espectral típica (Δλ): 0.1 nm (sem modulação)– Corrente de limiar típica (Ith)= 12 mA– Com pigtail e não arrefecido

• Aplicações: Redes SDH (STM-1 e STM-4, STM-16), GigabitEthernet

DFB: distributed feedback


Estrutura de uma Fonte Óptica

• Uma fonte óptica inclui a estrutura modular do laser, o circuito de excitação (responsável pela modulação do sinal óptico), o circuito de controlo de potência e o circuito de controlo de temperatura.

Díodo Laser

Adaptação óptica

PIN

Circuito de excitação

Controlo de potência

Elemento de Peltier

Termistor

Controlo de temperatura

V

t

Guia térmico

Fibra óptica

Estrutura modular do laser

Estrutura modular de um laser


Fotodetecção e Materiais Usados

• No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico.

• Os valores críticos de alguns materiais são os seguintes:

• Os semicondutores Si e GaAs não podem ser usados para realizar fotodetectores nas janelas de 1.3 e 1.55 μm.

J.s1063.6 , 34−×==< hEhc

gcλλ

Ec

Ev

Eg

Banda de condução

Banda de valência+

_Fotão

Par electrão-lacuna

Material

Eg (eV)

λc(μm)

Si

1.1

1.1

Ge

0.72

1.7

Ga As

1.43

0.87

Gax In1-x As

1.43 - 0.36

0.87-3.44

Gax In1-x As1-x P1-Y

1.35 - 0.36

0.92 - 3.44


Fotodetecção

• No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico.

• Fotodíodos PINOs fotodíodos PIN são baseados numa junção p-n com material intrínseco (I) colocado entre os dois tipos de semicondutor. A junção é polarizada inversamente.

J.s1063.6 , 34−×==< hEhc

gcλλ

Ec

Ev

Eg

Banda de condução

Banda de valência+

_Fotão


InP

InP p

n

+

InPAs i Região de absorção

Região de depleção

Campo Eléctrico

x

O campo eléctrico é intenso em quase toda a região de absorção.


Caracterização dos Fotodetectores

• Num fotodíodo PIN ideal por cada fotão incidente na região de absorção seria originado uma par electrão-lacuna na região de depleção. Num PIN real a eficiência de conversão η (designada por eficiência quântica) é inferior a um.

• Num fotodetector APD (Avalanche Photodiode) o processo de multiplicação por avalanche é caracterizado por um ganho m(t) aleatório com valor médio M.

PINPotência óptica incidente, Po Foto-corrente, I

η, Rλ

νη

hPqI

o //

incidentes fotões de ritmolacuna-electrão pares de geração de ritmo

== q=carga do electrão=1.602×10-19 C

ν:frequência da radiação óptica[ ]1.24

mμληηλ ===

hvq

PIRo

Respostividade (A/W)

h=constante de Planck=6.626×10-34 J.s

+ _

+ _

+ _

Fotão incidente


Ionização por impacto

Multiplicação de avalanche

Corrente instantânea: 0)()( PtmRti λ=

Corrente média: 0MPRiI λ>==<


Caracterização do Sinal Recebido

• Admitindo que o fotodetector é um PIN a corrente na sua saída tem a contribuição do sinal e do ruído quântico. Essa corrente é dada,respectivamente, para o nível lógico 1 (i1(t)) e para o nível 0 (i0(t)) por

• Tendo presente que o receptor introduz ruído de circuito, a corrente na saída do filtro (para os dois níveis lógicos) é dada por

)()1()( :1 lógico nível 11 tiPRti qr += λ )()0()( :0 lógico nível 00 tiPRti qr += λ

)()( :1 lógico nível 111 tnIti += )()( :0 lógico nível 00 tnIti o +=

Valor médio da corrente para o nível 0

Valor médio da corrente para o nível 1

Corrente de ruído para o nível 1 Corrente de ruído para o nível 0

Tempo

Cor

rent

e

I1

I0Limiar de decisãoD

t0

Instante de decisão

I1

I0

D

p(I|1)

p(I|o)

I

Densidade de probabilidade

σ1

σ0


Estatística do Sinal Amostrado

• O sinal i(t) é aplicado à entrada de um regenerador, cujo esquema de blocos é o seguinte:

• Admite-se que a amostra i(t0) tem uma distribuição Gaussiana com média I1 e variância σ1

2=<n12> para o nível lógico 1 e média I0 e variância σ0

2=<n02> para o

nível lógico 0.

AmostragemDecisão e formatação

do pulso

Recuperação de relógio

i(t) i(t0) i(t0)> D simbolo 1

i(t0)< D simbolo 0

221,

21 cq σσσ += 22

0,20 cq σσσ +=

nerq BPqR ,2

1, )1(2 λσ = nerq BPqR ,2

0, )0(2 λσ = bnenBc RBTfk /4 ,2 =σ

Be,n: largura de banda de ruído do receptor; fn: factor de ruído do receptor; Rb:resistência de polarização do fotodetector; T :Temperatura em K; KB: constante de Boltzmann (1.38 ×10-23 J/K)


Avaliação de Desempenho

• A probabilidade de erro é dada por

• Admitindo a equiprobabilidade dos símbolos, obtém-se para a probabilidade de erro, ou BER (razão de erros binários) a seguinte expressão:

• A função complementar de erro é definida por

• O limiar de decisão óptimo (Dop) que minimiza o BER, corresponde a fazer Pr(0/1)=Pr(1/0).

)0/1()1/0Pr( 01 re PppP +=

p1:probabilidade a priori de enviar o símbolo “1”

p0:probabilidade a priori de enviar o símbolo “0”

Pr(0/1):probabilidade de decidir pelo “0” tendo enviado o “1”

Pr(1/0):probabilidade de decidir pelo “1” tendo enviado o “0”

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −+⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −=

2erfc

41

2erfc

41

1

1

0

0

σσDIIDPe

∫∞

−=x

t dtex22)(erfc

π3 )(erfc

2

≥≈−

xxex

x

π

QDIID op

o

op =−

=−

1

10

σσ 01

0110

σσσσ

++

=IIDop

01

01

σσ +−

=IIQ ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

2erfc

21 QPe

x=4.5, erfc(x)=1.966x10-10

x=4.7, erfc(x)=2.995x10-11

x=5.0, erfc(x)=1.538x10-12


Sensibilidade

• A sensibilidade do receptor ( ) é definida como a potência óptica mínima necessária para obter um valor de Pe , normalmente para 10-12 (Q≈7).

• Para um receptor baseado num fotodíodo PIN o ruído quântico édesprezável. Nesta situação a sensibilidade do receptor é aproximada por

• A sensibilidade do receptor com PIN diminui com a raiz do débito binário.

rP

λ

σR

QrrPPP c

rrr

2

11)0(

21)1(

21

−+

=+=

Ruído de circuito brancobner DBP ∝∝ ,

Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência para garantir o mesmo desempenho.

Débito Binário Tipo Sensibilidade Sobrecarga

155 Mbit/s pinFET -36 dBm -7 dBm

622 Mbit/s pinFET -32 dBm -7 dBm

10 Gbit/s pin -20 dBm 0 dBm

Sensibilidade de receptores que operam a 1.55 μm

Sobrecarga: valor máximo da potência na entrada do fotodetector


Transmissão Digital Óptica

• Considera-se um sistema de transmissão digital óptico com compensação da dispersão, através de uma fibra compensadora de dispersão (DCF):

• As fontes ópticas podem ser de três tipos: LED, Laser modulado directamente e laser+modulador externo.

Filtro

v(t)Fonte óptica

Fibra Óptica

Juntas

Ps(0)

Ps(1)Pr(0)

Pr(1)

DCF

Corrente I

t

t

P0

t

t

V

P0

P0

Modulador externo

Laser modulado directamente

Laser + modulador

externo

Receptor óptico

RegeneradorPré-amplificador

Fotodíodo

BER

Razão de extinção (r) =Ps(0)/Ps(1)


Dimensionamento de Ligações sem Amplificação

• Ligação limitada pela atenuação

• Atenuação total

• Balanço de potência

Fonte óptica

Fibra Óptica

n juntas

Receptor óptico

sP rPcA

jnAAcoplador

L

cjt AnALA 2)dB( ++= α

Ligações ponto-a-ponto

NNAAnALA dcjt log10log4)dB( 2 ++++= α

Ligações ponto-a-multiponto (1XN)

Sensibilidade

Sobrecarga

Potência mínima

Potência máxima

Penalidade de caminho óptico

Atenuação máxima (Amax )

Atenuação mínima(Amin )

)( LDPr λΔ

rss PmínPG −= )(Ganho do sistema em potência

)( LDPAGM rtss λΔ−−=Margem do sistema

Inclui a margem de segurança necessária para suportar variações dos parâmetros devido a variações de temperatura e envelhecimento

Devida à dispersão e às reflexões.


Sistemas com Amplificação e Regeneração

• Sistemas com amplificação ópticaUsam-se amplificadores ópticos para compensar a atenuação da fibra óptica. O processo de amplificação têm lugar no domínio óptico.

• Sistemas com regeneradoresOs regeneradores usam-se para combater a distorção (deformação) do sinal devida à dispersão da fibra óptica. O processo de regeneração tem lugar no domínio eléctrico. É necessário converter o sinal do domínio óptico para o eléctrico e vice-versa.

Emissor óptico

Fibra óptica

Receptor óptico

Amplificador óptico

GG

Emissor óptico

Fibra óptica

Receptor óptico

R R

Regenerador


Tipos de Amplificadores Ópticos

• Amplificador de fibra dopada A amplificação tem lugar num troço de fibra dopada (érbio para a banda de 1.55 μm e neodímio para a banda de 1.3 μm). A alimentação é feita por um laser.

• Amplificador de RamanA amplificação tem lugar na fibra óptica usada na transmissão do sinal óptico através do efeito de Raman.

• Amplificador de semicondutor (SOA, semiconductor optical amplifier)A amplificação tem lugar numa heterojunçãode material semicondutor, acoplada à fibra óptica.

Lase

r

Fibra dopadaSinal óptico de entrada Sinal óptico de saída

Laser bombeadorAcoplador

Lase

rFibra óptica

Sinal óptico de entrada Sinal óptico de saída

Laser bombeador

Acoplador

Fibra óptica

Corrente de injecção

Fibra óptica


Fundamentos dos EDFAs

• O amplificador de fibra dopada a érbio ou EDFA (Erbium-doped fibre amplifier) é construído dopando a parte central do núcleo (diâmetro de cerca de 2.5 μm) de uma fibra óptica de sílica com iões de érbio (Er3+).

• O iões de érbio são activados pela energia fornecida por um laser bombeador, permitindo criar uma inversão de população, e realizar amplificação por emissão estimulada. O EDFA é usualmente bombeado por lasers de semicondutor operando a 980 nm ou 1480 nm.

• O ganho do amplificador permanece insensível às variações do sinal de entrada, desde que estas sejam mais rápidas do que o tempo de fluorescência (τ) .

980 nm

1480 nm

Transição não radiativa (1μs)

Emissão estimulada (1520 –1570 nm) τ = 14 ms

Bombeamento energético

4I11/2

4I13/2

4I15/2

O bombeamento é usado para excitar os iões de érbio da banda fundamental para a banda excitada de maior energia (4I11/2 ). Os iões excitados decaem rapidamente dessa banda para a banda 4I13/2 , designada por metaestável. Esta banda é caracterizado por um tempo médio de fluorescência (τ) longo de 14 ms, permitindo realizar uma inversão de população.


Redes WDM e OTN

Fonte: Diário Económico, 01/10/09


Sistema WDM Ponto-a-Ponto

• Os elementos essenciais de um sistema de multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) são os multiplexadores (MUX), responsáveis por agregar vários canais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer e os desmultiplexadores (DMUX) que realizam a operação inversa.

• Sistemas DWDM ( Dense WDM) ponto-a-ponto comerciais de ponta (2007)

MUX EDFA

λ1 Sinal multiplex ⇒ λ1, λ2 ,λ3,..., λN

EDFA EDFA DMUX

Laser 1

Laser 2

Laser N

λ2

λN

Receptor Óptico 1

Receptor Óptico 2

Receptor Óptico N

λ1

λ2

λNFibra óptica monomodal

80 λs × 40 Gb/s 3.2Tb/sMarconi MHL 3000 CoreEricsson

80 λs × 10 Gb/s320 λs × 2.5 Gb/s

0.8 Tb/sOptical Long Haul 1600Nortel

64 λs × 40 Gb/s 128 λs × 10 Gb/s

2.56 Tb/s 1.28 Tb/s

1625 Lambda Extreme Transport

Alcatel-Lucent

192 λs × 10 Gb/s 1.9 Tb/sCoreStreamCiena

Número de λsCapacidadeEquipamentoFabricante


Técnicas de Multiplexagem WDM

• A multiplexagem por divisão de comprimento de onda ou WDM (WavelengthDivision Multiplexing) pode ser efectuada recorrendo a dois métodos.

• Na multiplexagem selectiva usam-se dispositivos baseados nas grelhas difractoras ou AWG. A principal vantagem desta solução é que as perdas sãoindependentes do número de comprimentos de onda usados.

• Na multiplexagem não selectiva a separação dos canais é feita usando filtros ópticos. Neste caso as perdas dependem do número de λs.

Pλ1

Pλ2

PλΝ

α(Pλ1+ Pλ2+ .....+ PλΝ) α2 Pλ1

α2 Pλ2

α2 PλΝMultiplexador Desmultiplexador

Fibra Óptica

MUX

DMUX

Multiplexagem selectiva

Pλ1

Pλ2

PλΝ

(Pλ1+ Pλ2+ .....+ PλΝ)/Ν

Pλ1/Ν2

Pλ2/Ν2

PλΝ/Ν2

Combinadoróptico

Derivadoróptico

Filtros ópticosselectores de canal

COM

DER

Multiplexagem não selectiva

α : perdas


Multiplexagem Selectiva

• MUX/DEMUX baseados em grelhas difractoras

• MUX/DEMUX baseados em AWG (arrayed waveguide grating)

Fibras ópticas

λ1

λ2

λN

λ1+ λ2+.... λN

LenteGrelhas difractoras

Um sinal de luz policromático ao incidir numa grelha difractora é difractada e dirigida para diferentes pontos no espaço.

Todos os comprimentos de onda são focados no mesmo ponto focal e acoplados a uma fibra óptica.

MUX

DMUX

Acoplador em estrela

Acoplador em estrela

λ1 λ

2λ

3λ

4λ

5λ

1

λ2

λ3

λ4

λ5

Foram fabricados AWGs para 256 canais (comprimentos de onda), com um espaçamento entre canais de 0.2 nm (25 GHz), perdas de inserção de cerca de 5 dB e crosstalk< 33 dB.

Tran

smitâ

ncia

(dB

)

ff1

f2

f3

f4

f5

f2+FSR

crosstalk

0 Perdas

Desmultiplexagem

FreeSpectralRange


Normalização dos Comprimentos de Onda

• A normalização dos comprimentos de onda a usar nas redes WDM é importante para garantir a interligação de equipamentos de diferentes fabricantes e permitir aos fabricantes a redução dos custos de fabrico.

• A normalização de comprimento de onda é feita pela norma G.692 do ITU-T e usa um espaçamento idêntico na frequência para essa normalização. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz (≈ 0.4 nm), com a frequência central nominal de 193.1 THz (1552.52 nm).

• Outro parâmetro importante é o desvio máximo da frequência nominal de canal. Este desvio não deve ser muito elevado, caso contrário contribui para aumentar o crosstalk e as perdas. Para Δf≥200 GHz o ITU-T especificou um desvio máximo de ±Δf/5.

frequência

193.1 THz

50 GHz50 GHz50 GHz


Papel da Rede de Transporte Óptica

ADM1

ADM2

ADM3

ADM4

Rede de Serviços

Rede de Transporte SDH

(Rede IP)

Router A

Router B

Router C

OADMOXC

Rede de Transporte WDM

OADM

OADM

OADM OADMOADM

OADM

OTM

Router D

Router ERouter F

Caminho Óptico ( router D→router F)

OADM: multiplexador de inserção/extracção óptico

OTM: multiplexador óptico terminal

OXC: comutador de cruzamento óptico

Caminho Óptico (ADM1 →ADM3)


Elementos de Rede Ópticas

• Os elementos de uma rede óptica incluem amplificadores ópticos (OA), multiplexadores ópticos terminais (OTM, optical terminal multiplexer), multiplexadores de inserção/extracção (OADM, optical add/drop multiplexers) e cruzadores ópticos (OXC, optical crossconnects).

• Esses elementos de rede estão interligados entre si através de fibras ópticas de acordo com determinada topologia física (anel, malha, etc.).

• Os OLTs multiplexam diferentes comprimentos de onda num fibra óptica e também desmultiplexam um sinal WDM nos comprimentos de onda individuais.

• Os OADMs são usados em pontos da rede em que é necessária terminal localmente uma certa fracção dos comprimentos de onda transmitidos. São usados nas redes em anel.

• Os OXCs são usados quando é necessário comutar comprimentos de onda de uma fibra, para outra fibra, como é o caso das redes em malha.


Amplificadores Ópticos de Linha

• Os amplificadores ópticos de linha são colocados no meio das vias ópticas, a intervalos periódicos, tipicamente entre 80-120 km.

• Este amplificadores normalmente incluem dois blocos de amplificação EDFA, e um compensador de dispersão situado entre esses blocos. No caso dos amplificadores usados nas banda C e L, essas bandas são separadas na entrada e usam-se diferentes EDFAs para cada banda.

• O canal de supervisão óptica é extraído e terminado na entrada do amplificador e é adicionado na saída. Este canal é usado para controlar e monitorizar o desempenho dos amplificadores ópticos. É transportado num comprimento de onda diferente do usado para o tráfico.

Receptor Laser

λso

λ1, λ2,... λN

λsoCompensaçãode dispersão

EDFA EDFA

Terminação do canal de supervisão óptica

Adição do canal de supervisão óptica


Multiplexador Óptico Terminal (OTM)

• O multiplexador óptico terminal é usado nas extremidades das ligações ponto-a-ponto para multiplexar e desmultiplexar diferentes comprimentos de onda. Inclui três elementos funcionais: transponder, multiplexador WDM e amplificador óptico.

• A adaptação realizada pelos transponder corresponde às seguintes funções:- Alteração dos comprimentos de onda, de modo a ter na saída λs ITU-T;- Adição de cabeçalhos para funções de gestão;- Adição de códigos FEC (forward error correction);- Monitorização do BER (bit error rate).

MUX EDFA

Laser

λsoAdição do canal de supervisão óptica

O/E/O

Multiplexador óptico terminal

O/E/OITU λ2

ITU λ3

Router IP

ADM SDH

ADM SDH

ITU λ1Não é ITU λ

Não é ITU λλ1, λ2 ,λ3, λso

Transponder

Função de adaptação


Tipos de OADMs

• Num OADM o sinal WDM é desmultiplexado e os comprimentos de onda que requerem processamento local são extraídos e posteriormente inseridos. Os restantes comprimentos passam directamente do DMUX para o MUX.

• Os OADMs podem ser fixos ou reconfiguráveis. Nos primeiros o conjunto dos comprimentos de onda extraídos/inseridos é fixo, enquanto nos segundos pode ser alterado em resposta a mudanças nos padrões de tráfego.

λN

λ2λ2

λ1

DMUX

λ1

MUX

Inserção

λ1, λ2,.. λN λ1, λ2,.. λN

OADM fixo

λN

λ2

λ1

MUXλ1, λ2,.. λN

OADM reconfigurável

DMUX

Comutador ópticoTransponders (O/E/O) Transponders(O/E/O)

Extracção


Estrutura de um ROADM

• Estrutura de um ROADM (Reconfigurable OADM)

WADD: wavelength add/drop device → Dispositivo usado para inserir/extrair lambdas

OA: Optical amplifier: amplificador óptico tipo EDFA.

Fonte: I. Kaminow et al., Optical FiberTelecommunications V. B, Fig. 8.2

Comprimento de onda expresso


Configurações de OXCs

• A configuração de um OXC pode ser opaca ou transparente. Nas configurações opacas há conversões O/E ou E/O dentro do OXC,enquanto nas transparentes a configuração é totalmente óptica.

• Um OXC é constituído por vários OTMs, que realizem entre outras as funções de multiplexagem/desmultiplexagem, e por uma matriz de comutação. A matriz de comutação pode ser óptica ou eléctrica.

Matriz de comutação

óptica

λ1, λ2, λ3λ1

λ2

λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

OTM

OTM

OTM

OTM

OTM

OTM

Matriz de comutação

eléctrica

λ1, λ2, λ3λ1

λ2

λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

λ1 λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

OTM

OTM

OTM

OTM

OTM

OTM

OXC com comutação óptica OXC com comutação eléctrica

Conversão O/E Conversão E/OGera λs ITU- não usa transponders


Exemplo de Comutadores Ópticos (MEMS)

• Comutadores basedos em sistemas micro-electro-mecânicosOs sistemas micro-electro-mecânicos ou MEMS (micro-electro-mechanical systems) são dispositivos mecânicos em miniatura fabricados usando substratos de silício. Os comutadores MEMS consistem em espelhos miniatura movíveis com dimensões da ordem das centenas de micrómetro.

• A estrutura mais simples é a do espelho 2D . Num estado o espelho está paralelo com o substrato não deflectindo o feixe de luz. No outro estado o espelho move-se para uma posição vertical e o feixe de luz é deflectido. Noutra estrutura o espelho pode rodar em torno de dois eixos de modo contínuo. Designa-se por espelho 3D. O tempo de comutação de um estado para outro é de cerca de 10 ms em ambas as estruturas.

Conjunto de micro-espelhos movíveis desenvolvidos num substrato de silício (Lucent)

Os micro-espelhos são deflectidos de uma posição para outra usando técnicas electromagnéticas, electro-ópticas ou piezoeléctricas.


Comutadores Ópticos com MEMS

• Comutadores com espelhos 2D

• Comutadores com espelhos 3D

O comutador baseado em espelhos 2D usa uma arquitectura barra-cruzada. Na configuração com fibras ópticas nas entradas e nas saídas é necessário colimar os feixes na saída e na entrada das fibras para reduzir a sua divergência.

A dimensão máxima dos comutadores deste tipo que é possível fabricar num único substrato está limitada a dimensões entre 32x32 a 64x64.

Um espelho 3D permite implementar um comutador 1xN. Na figura ao lado representa-se um comutador 1152x1152 (Xros) baseado numa arquitectura de Spanke, e fazendo uso de duas matrizes de espelhos 3D cada uma com 1152 espelhos.

Fibras de entrada

Fibras de saída

Matriz de espelhos


Transparência das Redes Ópticas

• Uma das grandes vantagens da redes ópticas é ser transparente aos serviços. O utilizador pode enviar informação digital a qualquer débito (dentro de certos limites), usando qualquer formato, ou qualquer tipo de protocolo. Pode também transmitir informação analógica.

• Associada à transparência está o conceito de rede totalmente óptica. Nesta rede a informação é transmitida da fonte para o destino num formato óptico, sem qualquer conversão O/E, ou E/O dentro da rede. Estas redes designam-se por totalmente transparentes.

• Estas rede totalmente transparentes não usam regeneração e por isso comportam-se como rede analógicas onde os factores degradadores (ruído, distorção, interferência, etc )são acumulados, o que limita a sua extensão. Enquanto não for possível dispor de regeneradores ópticos será de esperar a existência de alguma conversão opto-electrónica dentro das redes.

OADM

OADM

OADM

OADM OADMOADM

OADM

Processamento opto-electrónico (regeneração)

OXC

Cliente da rede ópticaCliente da

rede óptica

Sub-rede óptica totalmente transparente

Sub-rede óptica totalmente transparente


Elemento de Rede SDH-NG+WDM

• Multiservice Transport Platform (MSTP)

• Um MSTP resulta da adição a um MSPP de funções de inserção extracção no domínio óptico.

• Permite o provisionamento de comprimentos de onda extremo-a extremo ao longo de uma rede, evitando o uso de transponders para para funções de conversão O-E-O.

• Tipicamente é usado nas redes de núcleo e metro.

Digital Video BroadcastingStorage Area Networks(Fiber Channel, ESCON, etc.)

Virtual Private Networks

Fonte: José M. Caballero“Migration to next generationSDH,” Trend Communications


Rede de Transporte Óptica

• A rede de transporte óptica ou OTN (Optical Transport Network) foi fruto de normalização recente do ITU-T (G.709, G.872, G.959) tendo como alvo o transporte a longa distância com débitos binários desde 2.5 Gb/s até 40 Gb/s.

• A OTN define uma hierarquia de transporte óptica ou OTH (Optical TransportHierarchy), conceptualmente algo similar à SDH. A OTH é estruturada em duas etapas, sendo a primeira etapa realizada no domínio eléctrico e a segunda nodomínio óptico.

• A primeira etapa consiste no mapeamento dos sinais dos tributários numa trama de comprimento fixo e na adição de cabeçalhos apropriados,conduzindo à formação da entidade OTU-k (Optical Channel Transport Unit). O valor de k está associado ao débito binário (OTU-1:≈2. 67 Gb/s; OTU-2: ≈ 10.7 Gb/s e OTU-3: ≈ 43 Gb/s).

• A segunda etapa consiste na formação dos canais ópticos, na multiplexagem WDM e na introdução dos cabeçalhos apropriados e conduz à formação da entidade OTM-n.m (Optical Transport Module), (n: número de canais ópticos e m=0, para canais com débito misto e m=1, 2 ou 3, para k=1, 2 ou 3).


Estrutura de Camadas da OTH

• A estrutura de camadas da OTH está representada na figura seguinte.

Unidade de carga do canal óptico ou OPU-k

Unidade de dados do canal óptico ou ODU-k

Unidade transporte do canal óptico ou OTU-k

Clientes (SDH, ATM, IP, Ethernet)

Canal óptico ou OCh

Secção de multiplexagem óptica ou OMS-n

Secção de transmissão óptica ou OTS-n

OTM-n.m

Domínio eléctrico

Domínio óptico

OPU Carga do

cliente

ODU

OTUFEC

Adição de cabeçalhos das diferentes camadas no domínio eléctrico

Os cabeçalhos das camadas ópticas são enviados em modo não associado no canal de supervisão óptica

O sinal proveniente dos clientes é mapeado na camada OPU (optical channel payload unit). Esta camada adiciona octetos sem informação para adaptar os débitos e introduz o seu cabeçalho. A OPU é convertida em seguida na ODU (optical channel data unit) através da adição do correspondente cabeçalho. A fase seguinte consiste na conversão da ODU na OTU (optical channel transportunit) através da adição do cabeçalho e do campo FEC (forward error correction). Cada OTU vai modular uma fonte óptica. O sinal óptico obtido juntamente com um cabeçalho apropriado corresponde à entidade OCh (optical channel). A camada OMS (opticalmultiplex section) é responsável pela multiplexagem WDM e pela adição do seu cabeçalho.

(Envoltório digital)


Papel das Camadas Ópticas da OTH

• As camadas ópticas da OTH são: camada de canal óptico (OCh, opticalchannel), camada de secção de multiplexagem óptica (OMS, opticalmultiplex section) e camada de secção de transmissão óptica (OTS, optical transmission section) .

• Funcionalidades das camadas:Camada de canal óptico:Acomodação de dispersão por canal, identificação de canal, comutação de protecção de canal.Camada de secção de multiplexagem óptica:Multiplexagem óptica, atribuição de comprimento de onda, identificação do comprimento de onda, comutação de protecção de multiplexagem, conversão de comprimento de onda.Camada de secção de transmissão óptica:Amplificação óptica, compensação de dispersão através dos amplificadores de linha.


Definição das Camadas Ópticas

• O canal óptico (OCh) corresponde a uma ligação extremo a extremo numa rede totalmente óptica, também designada por caminho óptico. Cada via entre um OTM e um OADM (ou OXC) corresponde à secção de multiplexagem óptica (OMS). Cada via OMS é constituída por vários segmentos (OTS), sendo cada segmento delimitado por um estágio de amplificação.

S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão

Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem

Canal óptico (OCh)

Amplificador de linhaOTM

OXCTransponder

OXCTransponder

OADM OADM

AL

AL

OTM S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão

Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem

Canal óptico (OCh)

Caminho Óptico

Caminho Óptico (usa dois λs)

λ1 λ2


Subdivisão da Camada de Canal Óptico

• O canal óptico (OCh) por sua vez é subdividido em várias sub-camadas no domínio eléctrico: unidade de carga (OPU), unidade de dados (ODU ) e unidade de transporte (OTU).

OXC

Caminho

OADMOTMOTMOTM

OTU OTU OTU

OPU/ODU

Transponders/regeneradores

Unidade de carga (OPU) (Optical Channel Payload Unit )

Adapta o débito binário do sinal do tributário ao débito bináriodesta estrutura ( OPU-1: ≈ 2.488 Gb/s, OPU-2: ≈ 9.995 Gb/s, OPU-3: ≈ 40.15 Gb/s) através da introdução de octetos sem informação e da realização de justificação positiva/negativa.

Unidade de dados (ODU) (Optical Channel Data Unit)

Tal como o OPU é criado quando o sinal do tributário entra na rede óptica e mantém-se intacto ao longo da rede. É comparável aos contentores virtuais da SDH.

Unidade de transporte (OTU) (Optical Channel Transport Unit)

Esta unidade é terminada/ criada em cada ponto de regeneração. É responsável por processar o código FEC.

OTMOTM

OTM


Estrutura da Trama da OTU-k

• Numa representação bidireccional a trama da entidade OTU-k está estruturada em 4080 colunas e 4 linhas e contem os seguintes blocos: capacidade transportada, cabeçalhos de OPU, ODU e OTU e campo de FEC (Forward ErrorCorrection), este último usado para detecção e correcção de erros.

Estrutura da trama OTU-kOTU:- Enquadramento de trama (6 octetos) - Enquadramento de multitrama (1 octeto) - Monitorização de desempenho (3 octetos- Canal de comunicação de dados (2 octetos) - 2 octetos reservados.

ODU:- Monitorização de um canal em ligações em cascata - Supervisão extremo a extremo - Canal de comunicação de dados - Protecção de canal.

OPU:- Etiqueta de sinal (identifica a capacidade transportada) - Octetos para funções de justificação - Octetos reservados

OTU

Capacidade transportada

Campo

FEC

FEC Reed-Solomon Code RS (255, 238)

BER=10-4 s/FEC BER=2×10-13 c/FEC

ODU

Cab

eçal

ho d

e O

PU

1

2

3

4

1 1415-16 3824 4080 octetos

Duração das tramas (OTU-k): k=1 ⇒48.971 μs; k=2 ⇒12.191 μs; k=3 ⇒3.035 μs


Estrutura dos Cabeçalhos

• A estrutura dos cabeçalhos de ODU e OTU é a seguinte:

• No cabeçalho da OTU a função dos diferentes campos é a seguinte:

• No campo da ODU a função dos diferentes campos é a seguinte:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

PET PEM SM GCC Res

RES TCM TCM6 TCM5 TCM4

TCM3 TCM2 TCM1

FTTL

PM

GCC1 GCC2 APS RES

RES

OTU

ODU

PET- padrão de enquadramento de trama: conjunto de octetos usados para sincronizar a trama; PEM-padrão de enquadramento de multitrama: sincronizar a multitrama em que alguns sinais (ex: traço) estão estruturados;SM: monitorização de secção: inclui identificador de traço, BIP-8, BDI (backward defect indication), BEI (backward error indication, etc; GCC (General Communication Channels): canais usados para transportar informação de gestão, equivalente aos canais DCC da SDH. RES- reservado.

TCM (Tandem Connection Monitoring)- monitorização das ligações em cascata com seis níveis de monitorização: cada campo inclui um identificador de traço, BIP-8, BDI e BFI;PM (Path Monitoring) – monitorização extremo-a-extremo: inclui indicador de traço, BIP-8, BDI e BEI;APS (Automatic Protection Switching) – funções de protecção similares às da SDH; FTTL( Fault Type, Fault Location) – identificação do tipo de falha e da sua localização.


Monitorização das Ligações em Cascata

• A funcionalidade de TCM (Tandem Connection Monitoring) permite a um operador monitorizar a qualidade de uma ligação que se inicia e termina na sua rede, mas atravessa a rede de outros operadores.

• O operador A deve ter capacidade de monitorizar a qualidade do sinal que passa na rede do operador B. Em presença de uma falha na ligação, com utilização de monitorização das ligações em cascata é possível identificar facilmente a sua localização.

Operador A Operador B Operador A

Utilizador Utilizador

TCM1 – Monitorização de QoS a nível do utilizador

TCM2 – Monitorização de QoS a nível do operador

TCM3 – Monitorização dos vários domínios de interligação


Códigos FEC• Os códigos FEC usados na OTN são os códigos de Reed-Solomon. Estes códigos fazem

partem dos códigos de blocos cíclicos e lineares usados para detectar e corrigir erros. Estes códigos partem de k símbolos de informação e geram n símbolos, introduzindo r=n-k símbolos redundantes - RS(n,k). Admitindo que um símbolo tem m bits, tem-se que n=2m-1. Estes códigos têm capacidade para corrigir r/2 símbolos errados. Para as aplicações nas redes ópticas tem-se, habitualmente, m=8, n=255 e r=16 o que conduz ao código RS(255,239).

• Os códigos RS(255, 239) apresentam ganhos de codificação da ordem dos 6 dB, o que permite reduzir significativamente o valor do BER (Ex: 10-4 s/FEC e 2x10-13 c/FEC).

• Para feitos de processamento do FEC cada linha da OTU é sub-dividida em 16 sub-linhas (3824/16=239) usando interposição de byte. Cada codificador FEC processa uma desta sub-linhas gerando 16 octetos redundantes. Os octetos redundantes das 16 sub-linhas são multiplexados, originando os 256 octetos que são colocados no fim do campo OTU.

Para exemplificar o funcionamento de um código de blocos considere-se um código de Hamming (7,4), Este código parte de símbolos com 4 bits e gera palavras de código com 7 bits. Ex:

Número do bloco 0 1 2 3 4 5 6 7 Sequências de entrada 0000 1000 0100 1100 0010 1010 0110 1110 Sequências de saída 000+0000 110+1000 011+0100 101+1100 111+0010 001+1010 100+0110 010+1110

O número de bits diferentes entre duas palavras do código designa-se por distância de Hamming p. No caso anterior p=3. Este código permite detectar até p-1 erros e corrigir até (p-1)/2 erros


Transmissão de Cabeçalhos das Camadas Ópticas

• Os cabeçalhos associados às diferentes camadas ópticas são transmitidos no canal de supervisão óptica (OSC, optical supervisory channel), normalizado pelo ITU-T para ser transmitido no comprimento de onda de 1510 nm.

• Cada caminho óptico é caracterizado pelo seu identificador de canal óptico, o qual permite identificar, verificar a integridade e gerir a conectividade desse caminho.

• Para transmitir o identificador de canal óptico, adiciona-se uma sub-portadora, designado por piloto, ao sinal que modula o laser. Esse piloto tem uma frequência, normalmente na banda entre 1 e 2 MHz. O piloto pode ser também usado para monitorizar a potência.

• Cada caminho óptico pode ser caracterizado por um piloto com frequência única, a qual funciona como identificador de canal. Pode-se ainda ter uma frequência piloto por cada comprimento de onda, sendo o identificador de canal um sinal digital que modula o piloto.

OXC

Transponder

AL OADM

Inserção do piloto

Monitorização do piloto

Monitorização do piloto

Terminação do piloto

OSC OSC OSC

O canal de supervisão óptica é extraído, processado e inserido em todos os elementos de rede


Aspectos de Gestão

• Os diferentes elementos a gerir (amplificadores ópticos, OTMs, OADMs e OXCs) designam-se por elementos de rede (NE). Cada elemento de rede é gerido pelo seu sistema de gestão de elemento ou EMS (element management system). A informação de gestão é processada em cada NE, pelo agente (software implementado num microprocessador), o qual comunica com o EMS. Um EMS pode gerir um ou mais elementos de rede.

• A comunicação do EMS com os elementos de rede é feita através da rede de comunicação de dados ou DCN (data communication network). O DCN pode ser transmitido pelo canal de supervisão óptica. Os diferentes EMS comunicam com o sistema de gestão de rede, através da rede de gestão ( rede IP).

OXCOADM OADMAL

OTM

Rede de comunicação de dados Rede de comunicação de dados

Sistema de gestão de elemento Sistema de gestão

de elementoSistema de gestão

de rede

Tem uma visão completa da rede, permitindo estabelecer caminhos ópticos

OSC OSC

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Planeamento e Projecto de Redes Capítulo 4 Redes de ... · calculada na tabela seguinte: ... • Baixa atenuação ... Um cabo óptico ocupa uma secção que é 1/10 da secção