1

Redes de Comunicações ÓpticasTecnologias, Sistemas

�Passado, Presente e Futuro

� um curso inteligente e dinâmico

Redes de ComunicaRedes de Comunicaçõções es ÓÓpticaspticasTecnologias, SistemasTecnologias, Sistemas

��Passado, Presente e FuturoPassado, Presente e Futuro

�� um curso inteligente e dinum curso inteligente e dinââmicomico

mês/2003

LTF-FEEC Unicamp BRASIL

Felipe Rudge Barbosarudge@dsif.fee.unicamp.br

http://www.dsif.fee.unicamp.br/~rudge/

IE-008

Save the humans

2Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Optical Communications – Introdução Geral

� Introdução Geral� conceitos básicos e definições;

� evolução histórica; gerações de tecnologias;

� aspectos econômicos

� Bases Tecnológicas � componentes ativos e passivos;

� amplificadores e roteadores óticos;

� Redes Óticas de Transporte e Acesso� redes WDM (tronco e metro)

� redes óticas acesso

� redes fotônicas

2

3Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Definições:

� Optics – “classical” manipulation of photons and waves;

� Electronics -- manipulates eletrons ;

� Optoelectronics -- manipulates photons and eletrons, convertions eletrons�photons; “needs” Quantum Physics to work ...

� Photonics -- manipulates photons ; (includes optoelectronics)

� Electro-optics -- manipulates fotons and eletrons without conversion (!)

� Electricity -- macroscopic version of Electronics...

� these are good and simple definitions !

Introdução Geral -- conceitos básicos

4Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Espectro EletromagnEspectro Eletromagnéético tico

Luzvisível

UVRaios-X

0,1 10nm 100 300 400 ... 700 800nm 1,5µm 3 10µm 30 100 300 1000µm1 Å 100 Å 1mm

1000 Thz 200 Thz 30 Thz 1Thz 300 Ghz

IV

UV – ultra-violeta (ultra-violet UV)IV – infra-vermelho (infra-red IR)

próximo médio longo

400 500 600 700

Ē

BExB

cS

1=

near mid far

Luz (ótica) Ótica/Fotonica: >20nm até ≈ 30 µmÓtica/Fotonica:

>20nm até ≈ 30 µm

RF

este curso

3

5Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

� 1958-60 - Invenção Laser � 1962 - Laser Semicondutor ( diodo simples, 77 K)� 1970 - Laser Semicondutor T amb (diodo DH, 300 K) � 1970 - Fibra Óptica ( multimodo, 20 dB/km)

� 1973-75 - Laser, Fibras Óticas, Sistemas ( Brasil & mundo)

� 1980-82 - Laser 1300/1550 e Fibra Monomodo (0,25 dB/km)

� 1990-92 - Amplificador Ótico

� 1992-94 - Sistemas WDM Longa Distancia e Submar.

� 1998 - Sistemas WDM Metropolitanos

� 1999-2004 - Redes Óticas (Metro-Acesso e LD)

� 2006- em diante ... - Redes Fotônicas ( globais )

HistóricoHistórico

Introdução Geral

6Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

• Curtos comprimentos de onda

• Fibra multimodo

• Longos comprimentosde onda

• Fibra monomodo

• Optoeletrônica dealta velocidade

• Amplificação óptica

• Redes WDM• Redes Ópticas de Acesso

• Processamento ópticode sinais

• Redes Fotônicas

Anos 70

Anos 90

Anos 2000Redução de Custos de Transmissão e Aumento Capacidade

Alcance e Flexibilização Alcance e Flexibilização das Redes de Telecomunicaçãodas Redes de Telecomunicação

Redes Ópticas FaixaRedes Ópticas Faixa--LargaLargaTransparentes aosTransparentes aosServiçosServiços

EvoluçãoEvoluçãoSistemas Ópticos Sistemas Ópticos

Anos 80

Tempo

Capacidade

Introdução Geral

4

7Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Introdução Geral

RedesÓpticasRedesRedes

ÓpticasÓpticas

8Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Redes Ópticas -- Dimensão Espacial

Compatibilidade horizontal (Compatibilidade horizontal (ou longitudinalou longitudinal) ) Natureza & ExtensNatureza & Extensãão das Redes o das Redes ––

Distancias:

Acesso até 20 km;

Metro de 20 a 50 km;

Longa >100 km

Intercont >1000 km

� Redes são formadas por nós e enlaces� Redes são formadas por nós e enlaces

5

9Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

G&C

ServiçosServiServiççosos

Cliente/Usuário

Redes Ópticas -- Conceitos

� O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar clientes e usuários;e a rede deve funcionar de modo transparente e ininterrupto.

� Padronizaçoes (interfaces internas e externas) são sempre necessarias.

TransporteTransporteTransporte

Planta Física Planta FPlanta Fíísica sica

Rede Rede ÓÓpticaptica

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Link

Physical

Modelo OSI/ ISO

Redes Comput (mod. inicial)

Panorama Geral Panorama Geral --||-- Compatibilidade e PadronizaCompatibilidade e Padronizaçãçãoo

Modelo OTN/ ITU-T

Application

Transport

Network/IN

Link

Physical

Telecom& Internet

Atual - Geral

tempo

10Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

� O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar os múltiplos usuários.Demanda sempre crescente exige novas soluçoes e novas tecnologias.

Introdução Geral -- conceitos básicos

Toda rede

Motor EvolutivoMotor Evolutivo ::) ) Natureza & Capacidade de NNatureza & Capacidade de Nóós e Enlaces s e Enlaces ––

G&C

Cliente/UsuárioCliente/Usuário

Planta FísicaPlanta Física

Rede ÓpticaRede Óptica

ServiçosServiçosServiços

TransporteTransporteTransporte

Deman

das

Deman

das

1

Novas tecnologias 2

Possib

ilida

des

Possib

ilida

des

3

6

11Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0 Optical Communications – Histórico

cada fibramuitos lambdas(amplificaçao ótica)

muitas fibrasmetal

metal

Rede AcessoMultiserviço

muitas fibras

telefonia

telefonia

Rede AcessoMultiserviço

regeneradores

1R = potencia 2R = + atraso3R = + forma

EvoluçãoEvoluçãoSistemas ÓpticosSistemas Ópticos

Anos 80

Anos 90

Amps óticos

12Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Optical Communications – Redes

Redes Ópticas WDMRedes Ópticas WDM presente e futuro presente e futuro

Fibras Ópticas(everywhere)

Central B(comutação eroteamento)Rede Acesso A

Rede Acesso B Rede Acesso C

Rede Tronco(Anéis SDH)

Central A(comutação eroteamento)

Central NRede Acesso N

7

13Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0 Redes Ópticas de Acesso

Arquitetura Atual (e futuro próximo)

FTTC/ FTTCb

FTTH/ FTTB

HFC

Host Dig.ER UR

Fibra

MetalUR

UR

coax

par trç.

Central MultServBandLarg

NóOp

Fibra

(ONU)

(OLT )

(ONU)

(ONU)FTTA

Red

e P

ubl.S

ervi

ços

Provedor

Central Comutaçãoe Roteam.

DO

Roteador

(ONU)

(ERB)

14Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Introdução Geral

Enlaces Ópticos

Camada Fisica

Enlaces ÓpticosEnlaces Ópticos

Camada Camada FisicaFisica

8

15Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

SistemaReceptor

FotoDetetor

Fibra

SistemaTransmissor

Laser Amp. ótico

Introdução Geral -- conceitos básicos

ida

volta

Enlaces(link) Ópticos

ClienteCliente

Laser Semicondutor e Led Transmissores

Amplificador Ótico Elementos passivos

Fotodetetor PIN e APD Receptores

Fibra Monomodo Fibra Multimodo

Sistemas e WDM Redes óticas

16Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

0.10.1

0.20.2

0.30.3

0.40.4

0.50.5

0.60.6

Ate

nuaç

ão (

dB/k

m)

AFDE

120 nm � 15 THz

Espaçamento dos canais ópticos50-100-200 GHz

30 + 40 nm

AtenuaAtenuaçãçãoo ---- FibrasFibras ÓÓpticaspticas

Rayleigh

IR

OH -80 nm �13 THz

1600 1700140013001200 15001100

Comprimento de Onda (nm)

Transmissão

Visível Infra-vermelho

2a. 3a.1a.850

9

17Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

100

10

1

0.1 1 10 100 1 10MHz GHz

Absorptionand

Attenuation Bandwidth

(dB/km)

Twisted pair

Transmission Frequency

(Hz)

Coax

MM Fiber

SM Fiber

Transmission media -- evolution

⇒diferentes meios de transmissão podem coexistir na mesma rede , mas muito cuidado nas interfaces !! .

Banda Passante – transmissão cabeada

∞

18Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

� Wavelength Division Multiplexing – multiplexação por divisão de comprimentos de onda (lambda);

� cada fibra (monomodo) suporta dezenas de lambdas, até >1 centena;� cada lambda suporta dezenas de Gb/s... � portanto, sendo 100x10=1000, UMA fibra suporta >Terabit/s de informação !!

� cabos de fibras contém dezenas até centenas de fibras (12, 18, 36, 72, 144)

� mas, cada fibra requer UM amplificador optico.

Transmission media -- evolution

Sistemas Sistemas WWDDMM em Fibrasem FibrasÓÓpticaspticas

λ1λ2λ3λκλn

uma fibrauma fibra

10

19Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0 Transmission media – evolution !!

Optical FibersTransforming Chaos

intoOrder

De poucos kb/s

para > varios Tb/s

12 fi x 12 λ x 10 G = 1,4 Tb

20Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Panorama Mundial

Fonte: Alcatel ; 2011

11

21Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

� Navio lançador

Meios Transmissao – evolution !!

Fonte: FranceTelecom - Orange ; 2013

22Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Panorama Nacional (parcial)

Rede Óptica de Transporte da EmbratelAno 2010

MT

PA

AM

MS

BA

MG2004-2009 Na verdade tudo isso, e até mais,

está implantado e operando!

O proprietário da rede era o Governo brasileiro, que hoje “apenas” controla a prestação de serviço. A concessão é vendida a quem quiser (dentro de regras...);

Embratel hoje é empresa mexicana).

12

23Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Arquitetura de Redes Óticas

Introdução Geral

� Atributos � define mecanismos de comunicação comuns a toda a rede ; � define interfaces padronizadas

Externas: para os usuários da rede ; Internas: para interconexões dos nós da rede;

� aborda aspectos físicos e funcionais da rede.

� Abrangência (aspectos físicos e funcionais)

� Topologia da rede e suas Interconexões;� Protocolos de acesso e Interfaces;� Abrangencia física (curta-media-longa distancia); � Sistemas de transmiss. & transp.); multiplexação, roteamento;; � Supervisão (controle) e Gerência; � Sinalização e Proteção (sobrevivência de serviços).

24Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Redes Ópticas -- Conceitos

Transporte(algum detalhamento)

Transporte(algum detalhamento)

13

25Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0 Introdução Geral – Protocolos de Rede

SDHSDH

WDM Optical NetworkWDM Optical Network

HFC

PDH

ATM

IP

Camadas & InterfacesCamadas & Interfaces(dimensão vertical) (dimensão vertical) Cenário Atual – Redes Óticas

GMPLS

Ethernet

Serviços

__________

Transporte__________

Rede óptica

Wireless

Serviços (3P): voz; dados [Internet, imagem]; video

=> => tudotudo sobre Redes Óticas !! sobre Redes Óticas !!

OTN

26Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Introdução Geral -

� Devido á multiplicidade de idéias e de fabricantes, sempre cada um achando que a sua própria é muito boa, talvez a melhor...

� Torna-se necessário haver padrões (standards), a fim de que equipamentos e sistemas diferentes possam se interconectar...

� Alem disso, ao mudar de local ou equipamento os usuários não podem/ não devem ficar inoperantes ou incomunicáveis.

� Os sistemas de padronizaçao visam especificar as tecnologias(sistemas e equipamentos) e as suas interfaces, para uso geral.� Assim, fabricantes e fornecedores podem explorar sua criatividade

para inovar, copiar quando permitido, e suprir o mercado de modo amplo e permanente.

� Inovação (ampliaçao, renovaçao ou mudança de paradigma) deve via-de-regra buscar compatibilidade com os sistemas em operaçao.

Camadas & Interfaces Camadas & Interfaces ---- Padronização Padronização

14

27Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Protocolos de Transporte em Redes Óticas (padronizados)

� Telecom� PDH – hierarquia digital plesiócrona (final 1970-1980-1990)� SONET -- rede ótica síncrona (meados 1980-1990-2000..) � SDH -- hierarquia digital síncrona (meados 1980-1990-2000..)� ATM – modo transferencia assincrona (final 1980-2000..)

� Redes Dados (computadores/Internet) � Ethernet � TCP-UDP/ IP � e mais uma “infinidade”...

� Redes Fotonicas (convergencia de redes !) � GMPLS

� OTN e ASON

-- Sistemas Ópticos --

28Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Evolução Capacidade –tecnologias convergentes

SDH SONET Taxa Canais Voz

Sigla Sigla (Mb/s) (64k)

“STM 0” OC-1 51,84 672 (810#) STM-1 OC-3 155,52 1920

-- OC-9 466,56

STM-4 OC-12 622,08 7680

STM-16 OC-48 2488,32 (2,5 Gb/s )

30720 (**)

STM-64 OC-192 9953,28 (10 Gb/s)

122880 (**)

STM-256 OC-768 39813,12 (40 Gb/s)

491520 (**)

(**) equivalencia ilustrativa apenas.

(#) comunicação digital pura

PDH Taxa Canais de Voz (*)

Sigla (Mb/s)

E-0 0,064 1

E-1 2,048 30

E-2 8,448 120

E-3 34,368 480

E-4 139,264 1920 (*) equivalencia exata.

Ethernet Taxa

Sigla (Mb/s)

10 base T 10

Fast Eth 100

GbE 1 Gb/s

10 GE 10 Gb/s

100 GE 100 Gb/s

Sistemas Ópticos - Transporte

(1)*

(2)*

*1-transiçao histórica*2-uniáo historica !

=> Veremos mais adiante a transiçao atual de

SDH OTN

15

29Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0 Sistemas Ópticos

Evolução Histórica = Capacidade Evolução Histórica = Capacidade

=> Optical Communication systems represent a revolution in

all Telecommunications, (not just an evolution).

� a Killer technology surpasses by far all the competing alternatives.

Multichannel(WDM)

Singlechannel(EDM)

OPTICALFIBER

SYSTEMS

Terabit Capacity

Gigabit Capacity

primeiras linhas telefone

multiplex 12 linhas telefone em par cobre

primeiros sistemas coaxiais

sistemas avançadoscoaxiais e satélite

Communication SatellitesMegabit Capacity

“ killer technology”

30Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Redes Ópticas = Transporte

Source: Infonetics Research, Dec. 2012

CapEx Trends -- a multi-Billion market ...

� Tendencias: WDM continuará “sempre” como tecnologia dominante (layers 1,2,3);

diversos sistemas de transporte estaraõ competindo;

roteadores Ethernet/IP já superaram sistemas PDH/SDH; mas...

Optical vs Routers and Switch Revenue

$0

$10,000

$20,000

$30,000

$40,000

CY06 CY07 CY08 CY09 CY10 CY11 CY12 CY13 CY14 CY15 CY16

Rev

enue

(US

$ M

illion

s)

0%

25%

50%

75%

100%

WDM SONET/SDH Router/CES % Router/CES

RecuperaçaoCrise anterior

NovaCrise

Estabiliz./Crescim.

20122012--20142014Cenário Mundial -- atual e futuro

WDM/OTN

IP/IP/EthernetEthernet

16

31Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0 Aspectos Econômico-Financeiros

The Money$$$

Grana

=> mas quanto custa isso ??

... quem paga a conta?

32Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Ciência TecnologiaMercado

Quem paga a conta ??

Sociedade

Paga quem compra !!

Conhecimento Produtos

The Money --

Aplicações

17

33Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0 $$ The Money $$

Investimentos emInvestimentos emTelecomTelecom& TI & TI (n(nãão o ReceitaReceita))

WWW Internet

“popular”

“Quebra” Nasdaq

Sept. 11

O que aconteceu nos bastidores...

Dow-Jones

Nasdaq

34Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Previsões de 1998Realizado 2000:U$ ~ 9 bilhões

Fontes: KMI, 2003; 2006Pioneer 2002

U$ 3,5 bi

U$ 9 bi

Optical Optical Systems Expenditures Systems Expenditures (& (& revenuesrevenues))

Optical Communications – Economics

Previsões de 2000Realizado 2001-3 Realizado 2004-6

2006 2007

Prejuízo setoracumulado> U$ 18 bi !!

Crise setorial 1999-2000

18

35Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0 The Money (cont.)

Nasdaq

2009-201020092009--20102010

O que ocorreu bem depois...2008-09 -- ( paises ricos...) !!

US$ x1mi (= bilhões dolares)

NYSE

Nasdaq

2009

Recuperação

36Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

.. e o reflexo ( tardio ) aqui !!

2010-201120102010--20112011

$ The Money $

Indice Bovespa: industria

mid-2010

70.000

60.000

19

37Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0 $$ The Money $$

.. E agora , pra onde está indo a grana ?! ...

industria de trasnformaçao não inclui mineraçao nem construçao civil;

=> Inclui eletro-eletronica, automotivo, peças, tudo...

ou seja, os investimentos não estão indo pro setor produtivo industrial,

consequentemente menos ainda pra altas tecnologias !!

2012-- 201420122012---- 20142014

o

2014-2015continua baixando!

Brasil

o 12,4

38Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

Introdução Geral - Conclusão

Reunindo todos os aspectos tecno-economicos que vimos nesta Introduçao Geral ; pode-se concluir que:

Sistemas Óticos são hoje a base de TODAS as Redes de Comunicações; com os seguintes destaques :

� A única opção para altíssima capacidade (Terabits) nas Redes Longa Distancia e Metropolitanas tronco (backbone); ..

� mais alta capacidade nas Redes de Acesso, interfaceando com outras redes locais (debates nos custos, disponibilidade, flexidade)

� Altíssima confiabilidade e permanência;

� Elevados custos de instalaçao e operaçao, mas Banda passante maior que qualquer outro meio => o menor (custo/ bit / assinante;

� Permitiram desenvolvimento mundial da Internet como é Hoje; (interfaceando c/ outras tecnologias) , e fazendo das Tecnologias de Informaçao e Comunicaçao (TIC) -- a maior atividade econômica do planeta.

� >>> ...

20

39Dire

itos

Res

erva

dos

–B

lue

Sky

Con

sult

2009

-201

0

:

� Interfaceamento com outras tecnologias é sempre necessáriapara múltiplas aplicações e para chegar ao usuário !

� Aspectos economico-financeiros são os controladores; não são controlados pelas tecnologias () !!

� Disponibilidade e conveniencia de investimentos podem ser determinantes no direcionamento da evoluçao tecnologica ...

=> Além das condiçoes sociais, politicas e geograficas.

�� “Fim”

Comentários adicionais ... Comentários adicionais ...

Introdução Geral - Conclusão II