Redes de Transporte Ópticas - Autenticação · Janela Designação Banda (nm) Tipo de fibra Aplicações ©João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 241 Transmissão Digital

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Redes de Telecomunicações

Capítulo 5

Redes de Transporte Ópticas


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


Fibras Ópticas

• As fibras ópticas dividem-se em fibras monomodais e fibras multimodais. As redes WDM (Wavelength Division Multiplexing) só usam fibras monomodais.

• Os principais fenómenos limitativos são a atenuação e a dispersão. O primeira é responsável por reduzir a amplitude dos pulsos e a segunda por alargá-los.

0

1

2

3

4

5

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Comprimento Onda (μm)

Coe

ficie

nte

de a

tenu

ação

(dB

/km

)

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 Onda (μm)

Fibra óptica monomodal normal Fibra óptica monomodal “AllWave”

Coe

ficie

nte

de a

tenu

ação

(dB

/km

)

1330-1625 nm

0.35 dB/km0.35 dB/km

1440-1625 nm

A fibra óptica monomodal normal apresenta um pico de atenuação devido à absorção OH em 1385 nm. A fibra “AllWave” elimina este pico.

A banda disponível para WDM (atenuação ≤ 0.35 dB/km) situa-se entre os 1440 e 1625 nm, o que corresponde a 370 canais para um espaçamento de 0.5 nm.

Fibra Normal

A banda disponível para WDM (atenuação ≤ 0.35 dB/km) situa-se entre os 1330 e 1625 nm, o que corresponde a 590 canais para um espaçamento de 0.5 nm.

Fibra “AllWave”

Sinal WDM


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 mw 30 dBm= 1W

dB)((dBm))0(dBm))(( foo APLP −=

(km)/)dB((dB/km) LAf=α


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


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)


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

Par electrão-lacuna

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

Par electrão-lacuna

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 fazerPr(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


Sistemas com Cadeias de Amplificadores Ópticos

• No estudo de sistemas com cadeias de amplificadores ópticos admite-se que quando o sistema não opera em saturação o ganho de cada amplificador compensa exactamente a atenuação do troço de fibra anterior.

• Cada amplificador óptico para além de amplificar o sinal também vai introduzir ruído, designado por ruído de emissão espontânea.

• Os amplificadores ópticos mais usados usam como elemento de amplificação um troço de fibra dopada com érbio e como fonte energética um laser.

Fonte óptica

Fibra ÓpticaReceptor

óptico

Amplificador ópticoPs(0)

Ps(1)

Ps(0)

Ps(1)

G GG

Laser bomba

Fibra dopada com érbio Isolador

Emite nos comprimentos de onda de 980 nm e 1480 nm

EDFA (Erbium DopedFiber Amplifier)

Os EDFAs normais só amplificam na banda C, enquanto os EDFAs de banda ulta-larga amplificam nas bandas C e L.


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

Combinador óptico

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 Ópticos

• 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


Equipamento versus Camadas Ópticas

• Exemplo da relação entre algumas funções das camadas ópticas e oequipamento terminal WDM.

• Função dos cabeçalhos:OCh: Fixação da potência emitida e monitorização da recebida, alarmes (perda de sinal).OMS: Monitorização e configuração de equipamento( nível de sinal, frequência dos canais demux, selecção dos canais inseridos/extraídos, etc.), alarmes, informação de protecção.OTS: Identificação do amplificador, controlo do amplificador (ganho, potência da bomba), controlo da compensação de dispersão e dos comutadores de protecção, alarmes,etc.

Multiplexer WDM

Laser (OSC)

Laser Laser

PilotoIdentificação

de canal

Potência do canal

Atribuição de λ

Cabeçalho de OMS

Cabeçalho de OTS

OCh

OMS

OTS Amplificador

Controlo do ganho


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


Protecção e Restauro Ópticos

• A protecção óptica pode ser linear ou de anel. Qualquer uma destas protecções pode ser dedicada (1+1), ou partilhada (1:1).

• A protecção linear é aplicada em ligações ponto-a-ponto. Essa protecção pode ser realizada a nível de canal óptico (protecção OCh), ou a nível de secção de multiplexagem óptica (protecção OMS). A protecção OCh protege os canais ópticos (comprimentos de onda) individualmente, enquanto a protecção OMS protege o sinal WDM.

• A protecção de anel aplica-se a topologias físicas em anel e também pode ser realizada a nível OCh, ou OMS. Os anéis podem usar duas ou quatro fibras como no caso da protecção a nível da SDH.

• O restauro óptico aplica-se a redes com uma topologia física em malha e consiste em encontrar caminhos ópticos alternativos aos caminhos com falhas, sendo a operação coordenada pelo centro de gestão de rede.

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