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Trabalho realizado na disciplina Transmissão Digital da Informação.
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Universidade Federal da ParaíbaCentro de Ciências e TecnologiaDepartamento de Engenharia ElétricaDisciplina: Transmissão Digital da InformaçãoProfessor: José Ewerton P. de FariasAluno: Edmar José do Nascimento
Redes Ópticas usando WDM
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1.0 - Introdução....................................................................................................................... 12.0 - Componentes de um Sistema Óptico.............................................................................. 2
2.1 - A Fibra Óptica ............................................................................................................. 22.1.1 - Tipos de Fibras...................................................................................................... 4
2.2 - Lasers........................................................................................................................... 42.2.1 - Características dos Lasers..................................................................................... 52.2.2 - Modulação Óptica................................................................................................. 5
2.3 - Fotodetetores ............................................................................................................... 62.4 - Amplificadores Ópticos............................................................................................... 6
2.4.1 - Amplificador Laser Semicondutor........................................................................ 72.4.2 – Amplificador a Fibra Dopada............................................................................... 8
2.5 - Elementos de Comutação ............................................................................................ 92.5.1 – Elementos Interconectores de fibras .................................................................. 102.5.2 – Roteadores de Comprimento de Onda Não Reconfiguráveis............................. 112.5.3 – Comutadores Ativos........................................................................................... 12
2.6 - Conversão de Comprimento de Onda ....................................................................... 122.6.1 – Tecnologias de conversão de comprimento de onda.......................................... 14
2.7 – WADM ..................................................................................................................... 153.0 - A Tecnologia WDM..................................................................................................... 16
3.1 - Componentes de um Sistema WDM......................................................................... 163.2 – Redes de Transporte Ópticas .................................................................................... 173.3 – Formato do Quadro OTN ......................................................................................... 19
4.0 – Integração WDM e SDH/SONET................................................................................ 194.1 – A tecnologia SONET/SDH....................................................................................... 20
4.1.1 – Estrutura e Interfaces do Quadro SONET.......................................................... 214.1.2 – ATM sobre SONET ........................................................................................... 214.1.3 – IP sobre SONET................................................................................................. 224.1.4 – Redes SONET.................................................................................................... 224.1.5– APS ..................................................................................................................... 22
4.2 – Integração SONET/SDH e WDM ............................................................................ 234.2.1 – Encapsulamento do Quadro SONET.................................................................. 234.2.2 – Interfaces SONET para WDM........................................................................... 234.2.3 – A camada múltipla APS..................................................................................... 244.2.4 – Gerenciamento de Rede ..................................................................................... 25
5.0 – Evolução em Direção a uma Rede de Transporte Totalmente Óptica ......................... 266.0 - Conclusão ..................................................................................................................... 267.0 – Referências Bibliográficas ........................................................................................... 27
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1.0 - Introdução
O paradigma de desenvolvimento contemporâneo tem criado uma sociedade
dependente da informação. Essa informação chega até nós todos os dias graças à imensa
malha de redes de comunicações espalhada pelo mundo. Porém as implementações atuais
dessas redes, a Internet no estado atual e o modo de transferência assíncrono (ATM) por
exemplo, não possuem capacidade suficiente para suportar a demanda em taxa de
transmissão que estar por vir.
É nesse ponto que as tecnologias que usam fibras ópticas surgem como uma solução
para esses problemas em razão das suas inúmeras vantagens, tais como:
§ elevada largura de faixa (quase 50 terabits por segundo (Tbps)),
§ baixa atenuação do sinal (0,2dB/km),
§ baixa distorção do sinal,
§ baixa potência necessária,
§ baixo custo.
A taxa máxima em que um usuário final (esse usuário final pode ser uma estação de
trabalho ou um gateway que realiza a interface com sub-redes de mais baixa velocidade)
pode acessar a rede óptica é limitada pela velocidade eletrônica dos componentes (alguns
Gbps). Sendo assim, o ponto chave no projeto de redes de comunicações ópticas a fim de
explorar a elevada largura de faixa da fibra (Tbps) é desenvolver arquiteturas de redes e
protocolos que combinem simultaneamente numa única fibra as transmissões de múltiplos
usuários. Numa rede de comunicações ópticas isso pode ser feito usando a Multiplexação
por Divisão de Comprimento de Onda (WDM), a Multiplexação por Divisão do Tempo
(TDM), a Multiplexação por Divisão de Código (CDM) ou Espalhamento Espectral.
TDM e CDM ópticos não são muito atrativos, pois exigem uma elevada taxa de
processamento eletrônico, é nesse ponto que o WDM se torna vantajoso. WDM é a
tecnologia de multiplexação preferida quando se fala de redes ópticas atualmente, desde
que todos os equipamentos usuários finais necessitam somente operar na taxa de bit do
canal WDM, que pode ser escolhida arbitrariamente.
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Sendo assim veremos ao longo desse trabalho os conceitos fundamentais de uma
Rede de Comunicações Ópticas e como WDM é utilizado, bem como alguns aspectos
referentes a sua interoperabilidade com outras tecnologias de transmissão óptica.
Fig. 1 – Vários comprimentos de onda multiplexados dentro de uma mesma fibra
2.0 - Componentes de um Sistema Óptico
A seguir teremos uma visão geral dos componentes de um sistema óptico,
começaremos pelas fibras que são o meio físico por onde a informação óptica irá trafegar.
Em seguida veremos algo sobre transmissores ópticos, lasers e fotodetetores. E para
finalizar falaremos sobre amplificadores ópticos, elementos de comutação, conversores de
comprimento de onda e WADMs. Sendo estes três últimos partes essenciais de um sistema
WDM.
2.1 - A Fibra Óptica
A fibra é essencialmente um filamento fino de vidro que atua como um guia de
ondas. Um guia de ondas é um meio físico ou um caminho que permite a propagação de
ondas eletromagnéticas tais como a luz. Devido ao fenômeno de reflexão interna total, a luz
pode se propagar através da fibra com pequenas perdas.
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As fibras ópticas possuem muitas características que fazem delas um excelente meio
físico para redes de alta velocidade. Dentre essas características vale ressaltar a relação
entre a atenuação e o comprimento de onda, como mostra a figura abaixo
Fig.2 – Regiões de atenuação numa fibra
Podemos perceber que há uma faixa de 200nm centrada em aproximadamente
1300nm em que a atenuação é inferior a 0,5dB/km. A largura de faixa total nesta região é
algo em torno de 25THz. Centrada em 1500nm tem-se uma região de tamanho similar com
atenuação abaixo de 0,2dB/km. Combinadas, essas duas regiões proporcionam um limite
superior teórico de aproximadamente 50THz de largura de faixa.
Usando essas regiões de baixa atenuação, as perdas do sinal para um conjunto de
um ou mais comprimentos de onda podem ser muito pequenas, sendo assim o número de
amplificadores e repetidores necessários é reduzido. Além de sua enorme largura de faixa e
de sua baixa atenuação a fibra também proporciona baixas taxas de erro. Os sistemas de
fibras ópticas normalmente operam em BERs menores que 10-11.
Além das características citadas acima, podemos acrescentar as seguintes:
imunidade a interferências e ao ruído, pequeno tamanho e peso, custos potencialmente
baixos, alta resistência a agentes químicos e à temperatura, isolamento elétrico e
flexibilidade na expansão da capacidade.
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2.1.1 - Tipos de Fibras
Para tentar corrigir os efeitos de dispersão e de não-linearidades numa fibra, foram
desenvolvidos vários tipos de fibras. A escolha de um tipo ou de outro representa um
compromisso entre a qualidade que se deseja obter e o preço que se deseja pagar. Dentre os
vários tipos de fibras podemos citar:
§ fibras multimodo índice gradual,
§ fibras monomodo,
§ fibras com núcleo expandido (LEAF) (large-effective-core-area),
§ fibras com dispersão não zero (NZ),
§ fibras com núcleo expandido, dispersão não zero (NZ) e dispersão plana ou flat
(LEAF-NZ-DFF),
§ fibras com dispersão gerenciada,
§ fibras com dispersão gerenciada e núcleo expandido.
2.2 - Lasers
O laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) é responsável
pela geração dos sinais ópticos a serem transmitidos num sistema óptico. Isso é feito
através da emissão estimulada de fótons, que é o que permite ao laser produzir intensos
feixes de alta potência de luz coerente (luz que contém uma ou mais freqüências distintas).
Fig.3 - Estrutura geral de um laser
Excitation Device
Laser Medium
Light Beam
Reflective Mirror Partially-Transmitting Mirror
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Os lasers usados em redes WDM devem ser capazes de sintonizar diferentes
comprimentos de ondas. Para isso eles devem possuir determinadas características.
2.2.1 - Características dos Lasers
Algumas das características físicas dos lasers que podem afetar a performance do
sistema são a largura de linha do laser, a sua estabilidade em freqüência e o número de
modos longitudinais.
A largura de linha do laser é a largura espectral da luz gerada pelo laser. A largura
de linha afeta o espaçamento dos canais e também afeta a quantidade de dispersão que
ocorre quando a luz está se propagando ao longo da fibra. Esse efeito de dispersão limita a
taxa máxima de transmissão de bit.
A instabilidade de freqüência nos lasers são variações na freqüência do laser. Nos
sistemas WDM, a instabilidade de freqüência pode limitar a posição e o espaçamento entre
canais. A fim de evitar grandes deslocamentos em freqüência devem ser utilizados métodos
compensativos através de variações na temperatura ou pela injeção de corrente.
O número de modo longitudinais em um laser é o número de comprimentos de onda
que ele pode amplificar. Para lasers que consistem de uma simples cavidade, os
comprimentos de onda que serão amplificados serão aqueles cujos múltiplos inteiros são
iguais a duas vezes o comprimento da cavidade (nλ=2L). Os modos indesejados produzidos
por um laser podem resultar numa dispersão significativa, portanto é desejável que se
implemente lasers com apenas um único modo longitudinal.
Algumas características primárias de interesse para lasers sintonizáveis são a faixa
de sintonia (tuning range), o tempo de sintonia (tuning time), e se o laser é sintonizável
continuamente (sobre a sua faixa de sintonia) ou discretamente (somente para comprimento
de ondas selecionados). A faixa de sintonia corresponde a faixa de comprimentos de onda
sobre a qual o laser pode ser operado. O tempo de sintonia especifica o tempo necessário
para o laser sair de uma freqüência de sintonia para outra.
2.2.2 - Modulação Óptica
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Para transmitir dados através de uma fibra óptica, a informação deve primeiro ser
codificada, ou modulada dentro do sinal laser. As técnicas analógicas incluem modulação
AM, FM e PM. As técnicas digitais incluem ASK, FSK e PSK.
Dentre essas técnicas de modulação o ASK binário é freqüentemente o método de
modulação digital preferido em razão da sua simplicidade. No ASK binário, também
conhecido como OOK (on-off keying), o sinal é comutado entre dois níveis de potência. O
nível mais baixo representa um bit “0”, enquanto que o nível mais alto representa um bit
“1”.
Nos sistemas empregando OOK, a modulação do sinal pode ser realizada
simplesmente ligando e desligando o laser. Outra forma de modular o sinal é usando um
modulador externo, que modula a luz que está saindo do laser. O modulador externo
bloqueia ou deixa passar a luz dependendo da corrente que está sendo aplicada sobre ele.
2.3 - Fotodetetores
Nos receptores que empregam detecção direta, um fotodetetor converte o feixe de
fótons que chega num feixe de elétrons (corrente elétrica). Essa corrente é então
amplificada e passada através de um dispositivo comparador. Um bit lógico é “0”ou “1” se
a corrente está abaixo ou acima de um certo limiar durante a duração do bit. Assim, a
decisão é feita baseada no fato de haver ou não luz na duração do bit.
Outra alternativa de detecção é a detecção coerente, nela a informação de fase é
usada na codificação e na detecção de sinais. Os receptores baseados em detecção coerente
utilizam um laser monocromático como oscilador local. O feixe óptico que chega, que está
numa freqüência ligeiramente diferente da freqüência do oscilador, é combinado com o
sinal do oscilador, resultando num sinal de freqüência diferente. Este sinal resultante, que é
um sinal na faixa de microondas, é amplificado e então fotodetetado. A detecção coerente
permite a recepção de sinais fracos em meios onde o ruído é significativo. Entretanto, em
sistemas ópticos é difícil manter a informação de fase requerida para a detecção coerente.
2.4 - Amplificadores Ópticos
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Embora o sinal óptico possa se propagar através de uma longa distância, ele precisa
antes ser amplificado. A amplificação totalmente óptica pode diferir da amplificação opto-
eletrônica, pois ela pode aumentar apenas o nível de potência do sinal, ao invés de restaurar
também a forma de onda e o relógio do sinal. Este tipo de amplificação é conhecida como
1R (regeneration), ela proporciona total transparência nos dados (o processo de
amplificação é independente do formato de modulação do sinal óptico). A amplificação 1R
está emergindo como a escolha para as redes totalmente ópticas de amanhã. Entretanto nas
redes atuais (ex. Synchronous Optical Network (SONET) e Synchronous Digital Hierarchy
(SDH)), que usam a fibra óptica apenas como meio de transmissão, os sinais ópticos são
primeiro convertidos para sinais eletrônicos para em seguida serem amplificados e
retransmitidos na forma óptica. Uma amplificação desse tipo é chamada de 3R
(regeneration, reshaping, reclocking). Contudo a técnica 3R proporciona uma menor
transparência do que a técnica 1R, o que é um fator essencial a considerar nas futuras redes
ópticas.
Em sistemas WDM com sistema de amplificação eletrônica, cada comprimento de
onda necessita ser separado antes de ser amplificado eletronicamente, e então recombinado
antes de ser retransmitido. Assim, para eliminar a necessidade de multiplexadores e
demultiplexadores ópticos, faz-se necessário que os amplificadores ópticos aumentem a
força do sinal óptico sem convertê-lo para sinais na forma elétrica. Um inconveniente disso
é que o ruído óptico também será amplificado junto com o sinal, além disso o amplificador
também introduz uma emissão espontânea de ruído.
A amplificação óptica usa o princípio da emissão estimulada, assim como o laser.
Existem dois tipos básicos de amplificadores ópticos, amplificador laser semicondutor e
amplificador a fibra dopada.
2.4.1 - Amplificador Laser Semicondutor
Um amplificador laser semicondutor consiste de um laser semicondutor modificado.
Um sinal fraco é enviado através da região ativa do semicondutor, que através do fenômeno
de emissão estimulada, amplifica o sinal.
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Fig.3 – Amplificador óptico a semicondutor
Atualmente os amplificadores semicondutores podem alcançar ganhos de 25dB com
um ganho de saturação de 10dBm, sensibilidade de polarização de 1dB e uma largura de
faixa de 40nm.
Uma vantagem dos amplificadores semicondutores é a sua capacidade de integrá-los
com outros componentes. Eles podem, por exemplo, serem usados como elementos de
portas em switches.
2.4.2 – Amplificador a Fibra Dopada
Os amplificadores a fibra dopada são pedaços de fibra dopados com um elemento
(rare earth) que pode amplificar a luz. O elemento de dopagem mais comum é o erbium,
que proporciona ganho para comprimentos de onda entre 1525nm e 1560nm. O
funcionamento desse tipo de amplificador está ilustrado na figura abaixo.
Fig.4 – Amplificador a fibra dopada com erbium
Experimentalmente, este tipo de amplificador tem alcançado ganhos de até 51dB,
sendo o ganho máximo limitado pela dispersão interna de Rayleigh, na qual uma parte da
energia luminosa do sinal é dispersada na fibra e dirigida na direção da fonte do sinal.
Um fator limitante para a amplificação óptica é o ganho espectral desigual dos
amplificadores. Outro ponto negativo é que os amplificadores ópticos também amplificam
Cladding
Cladding
Core
Cladding
Cladding
Core
Amplificadorsemicondutor
região ativa
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o ruído na mesma proporção que amplificam o sinal de dados, além disso a região ativa do
amplificador pode emitir fótons espontaneamente que também causam ruído, limitando
assim a performance dos amplificadores.
2.5 - Elementos de Comutação
Várias redes empregam atualmente o processamento eletrônico e utilizam a fibra
óptica apenas como meio de transmissão. A comutação e o processamento dos dados são
executados convertendo-se primeiramente o sinal óptico para a sua forma eletrônica, dessa
forma a rede utiliza switches eletrônicos. Esses switches proporcionam um elevado grau de
flexibilidade em termos de funções de comutação e de roteamento, entretanto a velocidade
da eletrônica é incapaz de explorar a elevada taxa de transmissão que uma fibra óptica
permite. Além disso, uma conversão eletro-óptica num nó intermediário da rede introduz
um atraso adicional. Esses fatores tem sido a razão para um grande esforço que está sendo
realizado na busca de se desenvolver redes totalmente ópticas nas quais os componentes de
comutação estão aptos a comutar seqüências de dados ópticos em elevadas taxas de
transmissão sem efetuar a conversão eletro-óptica. Na classe de dispositivos de comutação
que estão atualmente sendo desenvolvidos, o controle da função de comutação é executado
eletronicamente com a seqüência de dados ópticos sendo transparentemente roteada de uma
dada porta de entrada do switch para uma dada saída. Uma comutação transparente permite
que o switch seja independente da taxa de dados e do formato dos sinais ópticos. Para os
sistemas WDM, estão sendo também desenvolvidos switches que são dependentes do
comprimento de onda.
Os switches podem ser divididos em duas classes. A primeira classe é chamada de
“dispositivos relacionais”, ela recebe esse nome, pois os switches que pertencem a essa
classe apresentam uma relação entre as suas entradas e as suas saídas. A relação é uma
função dos sinais de controle aplicados ao dispositivo e é independente do conteúdo do
sinal ou dos dados de entrada, ou seja, a informação que trafega através desses dispositivos
não interfere na relação entre as entradas e as saídas. Essa característica dessa classe de
dispositivos proporciona “transparência aos dados”.
A segunda classe de dispositivos é chamada de “dispositivos lógicos”. Em
dispositivos desse tipo, tanto os dados quanto a informação transportada pelo sinal que
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incide no dispositivo controlam o estado do mesmo, de modo que uma função booleana ou
uma combinação de funções booleanas é executada nas entradas. A capacidade que
algumas seqüências de dados possuem de mudar o estado do dispositivo permitem que
sejam acrescentadas funcionalidades adicionais, mas por outro lado limitam a taxa máxima
de transmissão de bits.
Podemos concluir a partir do que foi dito anteriormente que os “dispositivos
relacionais” são necessários para o comutação de circuitos, enquanto que os “dispositivos
lógicos” são necessários para o comutação de pacotes.
A seguir teremos uma breve descrição de alguns elementos e arquiteturas de
comutadores ópticos.
2.5.1 – Elementos Interconectores de fibras
Um elemento interconector de fibra comuta sinais ópticos de portas de entrada para
portas de saída. Esses tipos de elementos são geralmente considerados como sendo
insensitivos ao comprimento de onda, isto é, eles não são capazes de demultiplexar sinais
de diferentes comprimentos de onda numa dada fibra de entrada.
Fig.5 – Elementos interconectores 2×2 em “cross state” e “bar state”
Um elemento básico de interconecção é o elemento mostrado na Fig.5. Ele roteia
sinais ópticos de duas portas de entrada para duas portas de saída e possui dois estados:
“cross state” e “bar state”. No “cross state”, o sinal da porta de entrada superior é roteado
para a porta de saída inferior e o sinal da porta de entrada inferior é roteado para a porta de
saída superior. No “bar state”, o sinal da porta de entrada superior é roteado para a porta de
saída superior e o sinal da porta de entrada inferior é roteado para a porta de saída inferior.
cross state bar state
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2.5.2 – Roteadores de Comprimento de Onda Não Reconfiguráveis
Um dispositivo de roteamento de comprimento de onda pode rotear sinais em
diferentes fibras de entrada (portas) no dispositivo para diferentes fibras de saídas (portas)
baseado no comprimento de onda dos sinais. O roteamento de comprimento de onda é
efetuado da seguinte forma; primeiro os diversos comprimentos de onda de cada porta de
entrada são demultiplexados, depois eles podem ser opcionalmente comutados
separadamente e em seguida são multiplexados em cada porta de saída. O dispositivo pode
ser reconfigurável ou não. Nos dispositivos não reconfiguráveis, não há um estágio de
comutação entre os demultiplexadores e os multiplexadores, e as rotas para os diferentes
sinais que chegam em qualquer porta de entrada são fixadas. Nos dispositivos
reconfiguráveis, a função de roteamento do switch pode ser controlada eletronicamente.
Um roteador de comprimento de onda não reconfigurável pode ser construído com
um estágio de demultiplexadores que separam cada um dos comprimentos de onda numa
fibra que chega, seguido de um estágio de multiplexadores que recombinam os
comprimentos de ondas das várias entradas numa única saída. As saídas dos
demultiplexadores estão ligadas às entradas dos multiplexadores como mostra a figura
abaixo.
Fig.6 – Roteador 4×4
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2.5.3 – Comutadores Ativos
Os comutadores ativos possuem algumas vantagens sobre os roteadores não
reconfiguráveis. A sua matriz de roteamento pode ser reconfigurada sobre controle
eletrônico. Entretanto o comutador ativo necessita de alimentação e não é tolerante a falhas
como são os roteadores não reconfiguráveis. A figura abaixo ilustra um comutador ativo.
Fig.6 – Comutador ativo 4×4 (quatro comprimentos de onda)
2.6 - Conversão de Comprimento de Onda
Considere a figura abaixo. Ela mostra uma rede roteada por comprimentos de onda
que contém dois interconectores WDM (S1 e S2) e cinco estações de acesso (A até E).
Foram estabelecidos três caminhos de luz (lightpaths), C para A no comprimento de onda
λ1, C para B em λ2 e D para E em λ1. Para estabelecer um caminho de luz, é preciso que o
Fig.7 – Uma rede totalmente óptica roteada por comprimento de onda
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mesmo comprimento de onda seja alocado em todo o trajeto do caminho. Este requisito é
conhecido como “restrição na continuidade do comprimento de onda”.
No exemplo seguinte (Fig.8), foram estabelecidos dois caminhos de luz na rede: (i)
entre o Nó 1 e o Nó 2 no comprimento λ1, e (ii) entre o Nó 2 e o Nó 3 no comprimento de
onda λ2. Agora, supondo-se que se deseja estabelecer um caminho de luz entre o Nó 1 e o
Nó 3. Tal caminho é impossível de ser estabelecido mesmo se houvesse um comprimento
de onda livre em cada um dos enlaces ao longo do caminho que vai do Nó 1 ao Nó 3. Isto é
devido ao fato dos comprimentos de onda disponíveis nos dois enlaces serem diferentes.
Fig.8 – Restrição da continuidade do comprimento de onda
Para eliminar o problema da “restrição de comprimento de onda” é preciso
converter os dados que chegam num comprimento de onda ao longo de um enlace para
outro comprimento de onda num nó intermediário e enviá-lo para o próximo enlace. Essa
técnica é chamada de “conversão de comprimento de onda”. Esta técnica é ilustrada na
figura abaixo. Com isso um único caminho de luz pode usar um comprimento de onda
diferente em cada enlace do caminho.
Fig.9 – Restrição da continuidade do comprimento de onda
A função de um conversor de comprimento de onda é converter dados de um dado
comprimento de onda de entrada num possível comprimento de onda diferente de saída
entre os N comprimentos de onda no sistema, como ilustrado na figura abaixo. Nesta figura
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λs denota o comprimento de onda do sinal de entrada e λc, o comprimento de onda
convertido.
Fig.10 – Funcionamento de um conversor de comprimento de onda
2.6.1 – Tecnologias de conversão de comprimento de onda
As técnicas de conversão de comprimento de onda podem ser classificadas em dois
tipos: “conversão de comprimento de onda opto-eletrônica”, na qual o sinal óptico deve
primeiro ser convertido num sinal eletrônico e “conversão de comprimento de onda
totalmente óptica”, na qual o sinal permanece no domínio óptico. As técnicas de conversão
totalmente ópticas podem ainda serem subdivididas nas técnicas que empregam “efeitos
coerentes” e nas técnicas que usam “modulação cruzada”. Dessas técnicas iremos mostrar
apenas uma delas, a que emprega efeitos coerentes.
2.6.1.1 – Conversão de Comprimento de Onda Usando Efeitos Coerentes
Os métodos de conversão usando efeitos coerentes são baseados tipicamente nos
efeitos de mistura de ondas (fig.11). A mistura de ondas surge a partir de uma resposta
óptica não linear de um meio quando mais de uma onda está presente. Ela resulta na
geração de uma onda cuja intensidade é proporcional ao produto das intensidades das ondas
que interagem. A mistura de onda preserva as informações de amplitude e fase. Ela também
é a única solução que permite a conversão simultânea de um conjunto de múltiplas entradas
de comprimentos de onda para um outro conjunto de múltiplas saídas de comprimentos de
onda, além disso ela poderia acomodar sinais com taxa de transmissão de bit excedendo
100Gbps. Na figura abaixo, o valor de n = 3 corresponde a um “Misturador de Quatro
Ondas” (FWM) e n = 2 corresponde a “Geração de Diferença de Freqüências” (DFG). Na
figura abaixo λp é o comprimento de onda injetado (pump wavelenght); fs, a freqüência de
Conversor de Comprimentosde onda
λs λc
s = 1,2, ... Nc = 1,2, ... N
15
entrada; fc, a freqüência convertida, fp, a freqüência injetada; e CW, a onda contínua (sem
modulação) gerada com o sinal injetor.
Fig.11 – Conversor de comprimento de onda baseado nos efeitos não lineares de mistura de ondas
2.7 – WADM
WADM é a sigla em inglês para “Waveleght Add/Drop Multiplexer). Um WADM
(Fig.12) consiste de um demultiplexador, seguido de um conjunto de 2×2 switches – um
switch por comprimento de onda – seguido de um multiplexador. O WADM pode ser
essencialmente inserido num enlace físico de fibra. Se todos os 2×2 switches estão no “bar
state, então todos os comprimentos de onda fluirão através do WADM sem serem
perturbados. Entretanto se um dos 2×2 switches está configurado no “cross state” (como no
caso do switch λi na Fig.12) via controle eletrônico, então o sinal no comprimento de onda
correspondente é “largado” localmente e uma nova seqüência de dados pode ser adicionada
no mesmo comprimento de onda neste ponto do WADM. Mais de um comprimento de
onda pode ser “excluído e adicionado” se a interface WADM tem o hardware e a
capacidade de processamento necessários.
Fig.12 - WADM
ø(n)λs
λc
fc = (n-1)fp - fs
λpCW
Sinal de EntradaSinal convertido
16
3.0 - A Tecnologia WDM
WDM é a tecnologia que permite que vários sinais ópticos sejam transmitidos numa
única fibra. Seu princípio é essencialmente o mesmo da multiplexação por divisão em
freqüência (FDM). Isto é, vários sinais são transmitidos usando diferentes portadoras,
ocupando partes que não se sobrepõem no espectro de freqüências. No caso de WDM, a
faixa de espectro usada é a região de 1300 ou 1500nm, que são as duas janelas de
comprimento de onda em que as fibras ópticas possuem baixa atenuação no sinal.
No começo, cada janela era usada para transmitir um único sinal digital. Com o
avanço dos componentes ópticos, tais como os lasers DFB (distributed feedback), EDFAs
(erbium-doped fiber amplifiers) e fotodetetores, logo se percebeu que cada janela de
transmissão poderia ser usada por vários sinais ópticos, cada um ocupando uma pequena
fração da janela de comprimento de onda total disponível. Efetivamente, o número de sinais
ópticos multiplexados dentro de uma janela é limitado apenas pela precisão dos
componentes ópticos. Com a tecnologia atual, mais de 100 canais ópticos podem ser
multiplexados numa única fibra. A tecnologia foi então nomeada DWDM (dense WDM).
A principal vantagem da tecnologia DWDM é o aumento que ela proporciona na
utilização da largura de faixa de uma fibra. A imensa rede de fibras existente no mundo
pode de repente ter sua capacidade aumentada espantosamente sem a necessidade de por
novas fibras, que é um processo caro. Obviamente, novos equipamentos DWDM devem ser
conectados a essas fibras, além de regeneradores ópticos.
O número e a freqüência dos comprimentos de onda a serem usados estão sendo
padronizados pelo ITU-T. O conjunto de comprimento de onda usado é importante não
somente para garantir a interoperabilidade, mas também para evitar que haja interferência
destrutiva entre sinais ópticos.
3.1 - Componentes de um Sistema WDM
Os componentes de um enlace usando WDM estão ilustrados na figura abaixo.
17
Fig.13 – Enlace WDM
Os lasers do tipo DFB são usados como transmissores, sendo um laser para cada
comprimento de onda. Um multiplexador óptico combina estes sinais para que sejam
transmitidos numa fibra. Os amplificadores ópticos são usados para injetar potência no
sinal óptico a fim de compensar as perdas do sistema. No lado do receptor, os
demultiplexadores separam cada comprimento de onda para em seguida entregá-los aos
receptores ópticos. Os sinais ópticos são adicionados ao sistema através de OADMs
(optical add/drop multiplexers).
3.2 – Redes de Transporte Ópticas
Redes WDM são construídas conectando-se nós WXC (wavelenght crossconnect)
numa dada topologia escolhida. WXCs (Fig.14) são construídos a partir de multiplexadores
e demultiplexadores de comprimento de onda, de switches e de conversores de
comprimento de onda. Os sinais ópticos, multiplexados na mesma fibra, chegam num
demultiplexador óptico. O sinal é decomposto em várias portadoras de comprimento de
onda e enviado para um conjunto de switches ópticos. Os switches ópticos roteiam os
vários sinais nos seus comprimentos de onda respectivos para um conjunto de
multiplexadores de saída, onde os sinais são multiplexados e injetados nas fibras de saída
para a transmissão. Os conversores de comprimento de onda podem ser usados entre o
switch óptico e os multiplexadores de saída a fim de proporcionar mais flexibilidade de
roteamento.
Tx
Tx
Rx
Rx
MultiplexadorÓptico
Amplificadorde Potência
Amplificadorde Linha
Pré-amplificador
DemultiplexadorÓptico
18
Fig.14 – Nó de interconecção de comprimento de onda
As redes de transporte ópticas (OTNs) são redes WDM oferecendo serviços de
transporte através de caminhos de luz (lightpath). A velocidade do caminho de luz é
determinada pela tecnologia dos componentes ópticos (lasers, amplificadores ópticos, etc.).
Atualmente, as velocidades na ordem de OC-48 (2488,32Mb/s) e OC-192 (9953,28) são
alcançáveis.
Uma OTN é composta de nós WXC mais um sistema de gerenciamento que
controla o estabelecimento e a extinção de caminhos de luz através de funções de
supervisão tais como a monitorização dos dispositivos ópticos (amplificadores, receptores),
recuperação de falhas, etc.
As OTNs possuem uma grande flexibilidade na sua utilização, dependendo do
serviço de transporte que se deseja implementar. Uma das razões para isto é que a maior
parte dos componentes ópticos são transparentes a codificação do sinal. Somente nos
limites da camada óptica, onde os sinais ópticos necessitam ser convertidos para a forma
eletrônica é que a codificação gera problemas. Sendo assim, elas suportam várias
tecnologias eletrônicas de rede existentes, tais como SONET, ATM, IP e frame relay
rodando no topo da camada óptica.
Tx RxOptical
muxOpticaldemux
λ1
λ2
λw
WC
WC
λ1λ2... λw
λ1λ2... λw
λ1λ2... λw
λ1λ2... λw
λ1λ2... λw
λ1λ2... λw
OS
λ1
λ2
λw
19
A camada óptica é dividida em três subcamadas: a camada de rede do canal óptico,
que realiza a interface com os clientes OTN fornecendo canais ópticos (Ochs); a camada de
rede de multiplexação óptica, que multiplexa vários canais num único sinal óptico; e a
camada de rede de seção de transmissão óptica, que fornece a transmissão do sinal óptico
ao longo da fibra.
3.3 – Formato do Quadro OTN
Similarmente ao uso de um quadro SONET (que veremos na seção 4), é esperado
que o acesso ao OCh seja através de um quadro OC, que está atualmente sendo definido
pelo ITU-T. O tamanho do quadro básico corresponde a velocidade OC-48, ou
2488,32Mb/s, que constitui o sinal básico OCh.
Fig.15 – Formato de um quadro OCh
A região mais a esquerda do quadro é reservada para bytes de cabeçalho. Esses
bytes são usados para funções OAM&P (operations, administration, maintenance, and
provisioning) similarmente aos bytes de cabeçalho do quadro SONET que veremos mais
tarde. A região mais a direita do quadro é reservada para um esquema FEC (forward error
correction) a ser exercitado em todo dado de informação (payload).
Vários Ochs são multiplexados no domínio óptico, para formar o sinal óptico
multiplexado (OMS).
O sinal cliente é colocado dentro do sinal de informação (payload signal) do quadro
OCh. Note que o sinal cliente não sofre restrições devido ao formato do quadro OCh. Em
vez disso, é apenas necessário que o sinal cliente tenha uma taxa digital de bit constante.
4.0 – Integração WDM e SDH/SONET
Os equipamentos de transmissão digital que estão atualmente sendo utilizados usam
fibras ópticas para transportar um único sinal por fibra e por direção de propagação. A
Payload signalOCh
OHFEC
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tecnologia de maior sucesso e que é amplamente utilizada é a “synchronous optical
network/ synchronous digital hierarchy (SONET/SDH).Vários backbones digitais de alta
velocidade são baseados em SONET/SDH.
Uma questão importante é saber é como a tecnologia WDM pode interoperar com a
estrutura SONET/SDH existente, já que durante os últimos anos foram investidos grandes
somas nessa tecnologia e para que a tecnologia WDM possa deslanchar ela precisa ser
compatível com SONET/SDH.
4.1 – A tecnologia SONET/SDH
SONET é um padrão para comunicações ópticas, provendo enquadramento, além de
uma hierarquia de taxas e parâmetros ópticos para interfaces variando de 51Mb/s (OC-1)
até 9,8Gb/s (OC-192). SONET foi adotado como um padrão pelo ANSI (American
National Standards Institute). Uma versão um pouco diferente, SDH, foi adotada pelo ITU-
T. Nesta seção não faremos diferença entre SDH e SONET, pois o que falaremos sobre um
é aplicado ao outro.
SONET foi projetado para prover um padrão de acesso ao meio de transmissão
óptico. Ela usa um formato de quadro específico para transportar dados mais bytes de
cabeçalho. Os canais SONET são síncronos. A sincronização desses canais é apoiada por
ponteiros que indicam a posição do byte inicial de cada canal no quadro SONET. Esses
ponteiros são usados para multiplexar sinais digitais num único quadro SONET de maneira
bastante eficiente.
SONET tem quatro subcamadas : caminho, linha, seção e física. A subcamada
“caminho” finaliza as conexões SONET e assim é responsável por monitorar e acompanhar
o estado e a performance das conexões. A subcamada “linha” é responsável por multiplexar
as conexões da camada de caminho num único enlace ou fibra, conectando dois nós. A
subcamada linha é também responsável pela proteção em eventos de falhas. Cada enlace é
formado por várias seções, que são segmentos delimitados pelos regeneradores de sinal. A
subcamada “seção”, localizada abaixo da subcamada linha, está presente está presente em
cada regenerador e terminal na rede. A subcamada “física” proporciona a transmissão do
sinal digital na fibra. Cada uma dessas subcamadas tem seus próprios bytes de cabeçalho no
quadro SONET.
21
4.1.1 – Estrutura e Interfaces do Quadro SONET
4.1.1.1 – Estrutura do Quadro
Os sinais clientes SONET são encapsulados no quadro SONET, este tem um tempo
básico de 125µs. O sinal base é o sinal de transporte síncrono nível 1 (STS-1). A estrutura
do quadro é de 90-byte × 9-colunas, nele há bytes de cabeçalho e de informação (payload).
Os bytes de cabeçalho consistem de 3 bytes/coluna. Os bytes de informação, também
chamados de SPE (synchronous payload envelope), consistem dos 87 bytes × 9 colunas
restantes. A velocidade de linha resultante STS-1 é de 51,84Mb/s.
4.1.1.2 – Interfaces
SONET é projetada para operar sobre um meio físico em fibra monomodo. A
especificação óptica das interfaces SONET incluem as características da linha óptica, assim
como os parâmetros dos transmissores e receptores ópticos. Ela também inclui as
características espectrais do sinal, a forma do pulso do transmissor e os níveis de potência
envolvidos em cada interface. Essas especificações asseguram interoperabilidade entre os
equipamentos SONET de diferentes fabricantes. Além disso, a definição do nível de
potência das várias interfaces é importante quando calculamos a potência por comprimento
de fibra, da mesma forma como o número e a localização dos regeneradores numa rede
SONET.
4.1.2 – ATM sobre SONET
ATM é uma tecnologia de comutação de pacotes em que os pacotes de 53 bytes,
chamados células, são comutados através de uma rede de transporte ATM.
ATM pode rodar no topo de várias interfaces. Em particular, o Fórum ATM definiu
interfaces SONET, que realizam o mapeamento de células num SPE. As células são
colocadas uma após a outra, depois, a célula de informação é embaralhada por um auto-
embaralhador síncrono 1 + X43. O processo de embaralhamento é necessário para garantir
22
que o sinal tenha transições suficientes a fim de permitir a recuperação do relógio no
receptor.
4.1.3 – IP sobre SONET
IP é uma outra tecnologia de redes de pacotes, que é usada intensivamente na
comunicação entre computadores em todo o mundo. Assim como ATM, há várias
interfaces sobre as quais o protocolo IP roda. Os roteadores IP acessam primeiro a rede
SONET usando ATM como uma camada intermediária através de IETF (Internet
Engineering Task Force) RFC 1483 para encapsulamento IP sobre redes ATM. Entretanto,
por motivos de eficiência, é mais vantajoso se fazer o acesso IP diretamente aos quadros
SONET. IP sobre uma interface SONET/SDH consiste de IP/PPP/HDLC sobre SONET.
Isto é, os datagramas IP são encapsulados em pacotes PPP (Point-to Point Protocol). PPP é
um protocolo que proporciona controle de erro e inicialização do enlace. Os datagramas
PPP encapsulados são então enquadrados usando HDLC (high-level data link control) e
finalmente enquadrados no SPE SONET. Os datagramas enquadrados HDLC são
embaralhados e colocados um após o outro no SPE.
4.1.4 – Redes SONET
As redes SONET são organizadas tipicamente como múltiplos anéis
interconectados. A razão para se utilizar a topologia em anel é principalmente devido ao
recurso APS (automatic protection switch) proporcionado por tais anéis. Obviamente,
enlaces ponto a ponto também existem .
4.1.5– APS
APS é o protocolo usado para a proteção das redes SONET contra falhas na fibra e
nos nós, dessa forma APS é um dos principais recursos do equipamento SONET/SDH. APS
proporciona proteção para cortes na fibra fazendo o redirecionamento automático do
tráfego para rotas alternativas. Há dois tipos de mecanismos de proteção atualmente em
uso: 1+1 e 1:1. Na proteção 1+1, um sinal SONET é transmitido através de dois caminhos
23
de fibra que não se cruzam da fonte até o destino. O destino decida qual sianl receber
baseado nas indicações de falha fornecidas pela subcamada de seção. Na proteção 1:1, dois
caminhos que não se cruzam são também usados, a diferença é que o sinal SONET é
transmitido somente num caminho, chamado de “seção de trabalho”, enquanto que o outro
caminho é chamado de “seção de proteção”. O caminho de proteção, ocioso durante a
operação normal, pode ser usado para transportar tráfego desprotegido, normalmente
chamado de “tráfego extra”. O tráfego extra é paralisado quando a fibra de proteção é
necessária ao tráfego normal. O processo de paralisar o tráfego extra é chamado de “traffic
squelching”.
4.2 – Integração SONET/SDH e WDM
4.2.1 – Encapsulamento do Quadro SONET
O quadro OCh deve ser definido tal que o encapsulamento do quadro SONET/SDH
possa ser realizado facilmente. Todo o sinal STS-48c, por exemplo, tem que ser
transportado como informação no OCh. Se um canal óptico básico OC-48 é usado, poderia
não ser possível encapsular o STS-48c SONET no OC-48 devido aos bytes do cabeçalho
OCh. O formato do quadro OCh que está sendo atualmente desenvolvido. A figura abaixo
exemplifica o encapsulamento do quadro SONET num quadro OCh.
Fig.16 – Encapsulamento do quadro SONET
4.2.2 – Interfaces SONET para WDM
Payload signalOCh
OHFEC
SONET PayloadOH
24
O equipamento WDM com interface física SONET entregará os sinais ópticos para
os dispositivos SONET. Essas interfaces devem estar de acordo com ITU-T Rec. G.957
(Optical Interfaces for Equipments and Systems Relating to the Synchronous Digital
Hierarchy) para que sejam compatíveis com a tecnologia SONET. Portanto, os dispositivos
SONET não necessitam conhecer a tecnologia WDM usada no transporte do sinal. Neste
caso, o WXC “excluirá” e adicionará no meio óptico o comprimento de onda originalmente
usado no anel SONET. Desse modo, as camadas WDM e SONET estão completamente
desacopladas, o que é necessário para a interoperabilidade entre WDM e o equipamento
SONET existente. Note também que isto põe restrições extras na seleção dos comprimentos
de onda na camada óptica, desde que o último salto no comprimento de onda (last-hop
wavelengh), aquele que realiza a interface com o dispositivo SONET, deve ser o mesmo
usado belo dispositivo SONET para finalizar o caminho óptico, se a conversão de
comprimento de onda não é fornecida dentro do dispositivo SONET.
4.2.3 – A camada múltipla APS
Os anéis SONET tem seu próprio protocolo APS, descrito anteriormente. Os OChs
também terão funcionalidades de proteção. Portanto, a proteção na camada OCh deve ser
tal que ela não interfira desfavoravelmente com o APS SONET. O APS óptico deve então
reagir numa escala de tempo mais rápida que o APS SONET, ou seja mais rápido que
50ms, tal que a recuperação é tentada primeiro na camada OTN mais baixa. De fato, num
ambiente multicamada, as várias escalas de tempo dos mecanismos de recuperação devem
operar numa escala de tempo de resposta ascendente.
Note que embora a restauração é mais rápida em WDM que em SDH, a detecção de
falhas em WDM é mais lenta. Para que haja a sobreposição sem riscos dos mecanismos de
proteção WDM/SDH é necessário um rápido esquema de proteção WDM.
Alternativamente, o APS SONET poderia ser tornado mais lento artificialmente se os
clientes SONET suportarem a degradação de performance ocasionadas por tais
procedimentos. A recuperação de falhas desnecessária nas camadas mais altas pode causar
instabilidade nas rotas e congestionamento no tráfego; portanto, ela deve ser evitada a
qualquer custo. A checagem persistente de falhas pode ser usada em camadas mais altas
para evitar reações precipitadas às falhas nas camadas mais baixas.
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Um procedimento de recuperação na subcamada OMS pode substituir os
procedimentos de recuperação dos sinais SONET servidos pela camada óptica em várias
situações em várias situações. Assim, um número potencialmente grande de clientes
SONET são poupados de iniciar os procedimentos de recuperação de falhas nas suas
camadas. Portanto, uma única recuperação de falha na subcamada óptica OMS pode
poupar, por exemplo, centenas, se não milhares de atualizações nas tabelas de roteamento
na camada IP.
4.2.4 – Gerenciamento de Rede
Os procedimentos OAM&P são essenciais para o sucesso de qualquer rede de
transporte de alta capacidade. Nas redes SONET esses procedimentos são proprietários,
cada fabricante decide como implementar seu sistema de gerenciamento de rede, NMS. O
resultado disso é que os dispositivos SONET de fabricantes distintos não interoperam.
Além disso, essas soluções proprietárias normalmente trabalham isoladamente de um anel a
outro, mesmo sendo elas pertencentes ao mesmo fabricante. Isto tem se mostrado como um
sério inconveniente d os anéis SONET.
Uma plataforma OAM&P está sendo construída através da definição de blocos de
informação de gerência (MIBs) para as várias subcamadas ópticas. Os MIBs devem incluir
vários tipos de informação, tais como as características físicas (tipo de fibra, taxas
máximas, facilidades de conversão de comprimento de onda), controle de proteção e níveis
de potência. Eles podem pertencer a subcamadas ópticas separadas, ou incluir informações
adicionais sobre várias subcamadas. A definição exata dos MIBs a serem usados depende
enormemente da implementação da plataforma de gerência de rede.
Há um esforço contínuo para integrar e gerenciar as redes de transporte existentes,
de forma que elas sejam independentes do fabricante. As maiores indústrias de
telecomunicações tem juntado esforços para produzir um NMS comum, o CORBA
(Common Object Request Broker Architecture). A função do NMS CORBA é prover uma
arquitetura integrada de gerência para os vários tipos de rede, incluindo redes SONET,
WDM e ATM. No ambiente de tecnologia multicamada atual uma plataforma desse tipo
não é apenas necessária, mas obrigatória.
26
5.0 – Evolução em Direção a uma Rede de Transporte Totalmente Óptica
A evolução para uma rede WDM totalmente óptica vai provavelmente ocorrer
gradualmente. Primeiro, os dispositivos WXC serão conectados às fibras existentes. Alguns
componentes adicionais poderiam ser necessários ao enlace óptico, tais como EDFAs, a fim
de tornar os enlaces de fibra adequados a tecnologia WDM. Os WXCs farão a interface
com os equipamentos existentes, tais como os equipamentos SONET e FDDI (Fiber
Distributed Data Interface). Neste estágio, a arquitetura e a topologia lógica das camadas
WDM e SONET, discutidos anteriormente, são pontos importantes a considerar.
As subredes ópticas (possivelmente anéis) serão interconectadas por equipamentos
SDH ou ATM. Assim, o sinal óptico será trazido de volta ao domínio eletrônico em cada
ponto de interconexão. Esta abordagem permite um monitoramento forte de falhas, tais
como corte na fibra e falhas no laser ou detetor, tornando realizáveis a implementação de
mecanismos de proteção sofisticados na camada óptica. Novas ferramentas de gerencia
necessitam ser desenvolvidas para este cenário. O lado ruim desse tipo de abordagem é que
um caminho de luz através das subredes WDM não serão transparentes, no que se refere ao
fato que somente os sinais codificados SONET poderão ser transmitidos adequadamente.
Como os dispositivos SONET sofrem depreciação, logo surgem novas soluções de
acesso, eliminando a camada SONET da pilha de protocolos da rede óptica juntamente com
a conversão óptico/eletrônica nos pontos intermediários do caminho de luz. Isto tornará a
rede verdadeiramente transparente, porém o lado ruim desse cenário é que a tarefa de
detecção de falhas torna-se complicada.
6.0 - Conclusão
Neste trabalho vimos os conceitos fundamentais de redes de transmissão ópticas
usando WDM. Vimos também como esse tipo de rede pode interoperar com as tecnologias
já existentes e evoluir para redes totalmente ópticas
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7.0 – Referências Bibliográficas
[1] D. Cavendish, ”Evolution of Optical Transport Technologies: From SONET/SDH to
WDM,” IEEE Communications Magazine, June 2000.
[2] B. Mukherjee, ”Optical Communication Networks,” McGraw-Hill, 1997
