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30/04/08

Artigo

Topologias para Redes GPON

Recentemente a oferta de novos servios e aplicaes cada vez mais diversificados esofisticados, como, por exemplo, video-conferncia, vdeo sob demanda, jogos on-line evoz sobre IP, justificou o investimento na tecnologia de Fiber to the Premises (FTTP), ouseja, a utilizao de fibras pticas nas redes de acesso. Segundo estimativas recentes, ademanda por largura de banda apresenta um crescimento anual superior a 50% nosltimos anos. A utilizao de FTTP atende a uma srie de requisitos da rede de acesso, entre eles:capacidade potencial de Gbit/s alcanando distncias de at dezenas de quilmetros,facilidade de instalao e atualizao, possibilidade de servios simtricos, baixo custo deoperao e manuteno, confiabilidade, imunidade a interferncias eletromagnticas,cabos mais leves e mais compactos. Entretanto, at recentemente, os equipamentosnecessrios para a implantao dessa tecnologia apresentavam custos superiores aos deoutras tecnologias e a demanda por banda no era suficiente para justificar oinvestimento nessa tecnologia. Alm da necessidade de alta capacidade de transmisso e processamento, a rede deacesso tem uma srie de requisitos especficos, entre os quais destacamos: anecessidade de oferecer multisservios (voz, vdeo e dados) a clientes variados(residncias, condomnios, empresas), a instalao de equipamentos em ambiente no-controlado (fora de estaes), a exigncia de baixo custo (infra-estrutura de redecompartilhada entre um nmero reduzido deusurios) e a expectativa de alta confiabilidade dos servios por parte do cliente. Entre as trs arquiteturas bsicas de redes pticas de acesso ponto-a-ponto, estrelapassiva e pontomultiponto , a grande maioria das redes de acesso que esto sendoinstaladas so ponto-multiponto ou redes pticas passivas (Passive Optical Networks PON), em funo da reduo nos custos de operao e manuteno quando comparadascom as outras arquiteturas. A arquitetura ponto-multiponto usa um ou mais nveis deacopladores pticos passivos para distribuir o sinal aos clientes. O acesso ao meio natransmisso ascendente feito por meio de multiplexao no tempo (TDMA), para evitarcolises no acoplador. Duas tecnologias de redes pticas passivas com TDMA so disponveis hoje: GPON (comcapacidade de Gigabit), GPON (padronizada pela ITU-T G.984) e Ethernet PON, EPON(padronizada pela IEEE 802.34h). O padro GPON foi desenvolvido pelas operadoras detelecomunicaes e oferece algumas vantagens tcnicas sobre o EPON, como, porexemplo, maiores taxas de trfego descendente e ascendente, maior eficincia de banda,maior variedade de servios e suporte a Operation, Administration and Maintenance(OAM) e serviosTime Division Multiplexing (TDM). Entretanto, o padro EPON apresenta custos menores e uma tecnologia em estgio de maturidade mais adiantado que a tecnologia GPON. Muitos pases esto realizando testes de campo e instalando produtos de acesso pticoslanados recentemente, sendo que, neste ano, o nmero de usurios conectados porfibra no mundo j ultrapassa 30 milhes. Entretanto, as redes pticas passivasrepresentam uma tecnologia ainda no completamente madura, e h vrias questes noconsolidadas. As operadoras ainda enfrentam uma srie de desafios associados aoprojeto e implantao dessas redes. Um dos principais desafios relacionados ao projetoe implantao a definio da topologia da rede, que depende da distribuiogeogrfica da demanda e da infra-estrutura existente na regio, influenciando fortementeos custos da rede de distribuio. Estudos recentes revelam que mais da metade da quantidade de fibra que est sendoinstalada no necessria para a implantao da rede de distribuio. Isso ocorre porduas razes principais: a rea de cobertura das redes de distribuio maior do que onecessrio, ou seja, no otimizada, assim como o posicionamento dos acopladores emcampo tambm no otimizado. Propomos uma nova topologia que faz uso de distribuio hbrida simtrica/ assimtricade potncia ptica para a entrega do sinal aos usurios nas rede GPON. Essa novatopologia, adequada a uma distribuio linear de ONTs. A topologia bsica debarramento, aplicada para atendimento de uma demanda de trfego distribuda ao longode uma rodovia ou para aproveitamento de infra-estrutura j existente e disposta deforma linear. O alcance geogrfico da rede GPON, ou seja, a mxima distncia entre oOLT e o ONT mais distante, apresenta uma limitao lgica e uma limitao fsica.

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A limitao lgica, de 60 km, est associada aos protocolos de comunicao entre OLT eONT, que tm como requisito um tempo mximo de recebimento de mensagens. Adiferena entre as distncias do ONT mais afastado e o ONT mais prximo do OLT nodeve superar 20 km para que o protocolo de ranging funcione adequadamente. A limitao fsica do alcance dessas redes estrelacionada s caractersticas pticas darede. Nesse caso, o alcance depende fortemente da topologia da rede de distribuio,alm de fatores como atenuao das fibras nos comprimentos de onda ascendente edescendente, nmero de ONTs ligados a cada OLT, nmero de nveis de distribuio,potncia de sada dos transmissores e sensibilidade dos receptores utilizados. Foram realizadas anlises de uma rede com 32 e 64 ONTs distribudas de forma linear econsiderando o trfego ascendente, pois a maior limitao do alcance est associada aele, em virtude da maior atenuao da fibra no seu comprimento de onda. A Figura 1mostra os diagramas esquemticos das duas topologias comparadas.

Figura 1 Rede de distribuio para GPON de 32 ONTs com acopladores simtricos e assimtricos, acopladores simtricoscom trs estgios de distribuio. As Tabelas 1 e 2 mostram os valores das margens e as quantidades de fibra para os doistipos de topologia, sendo que para a topologia simtrica, so apresentadas trscombinaes possveis de acopladores. Tabela 1 Comparao entre as margens das topologias hbrida simtrica/assimtrica esimtricas convencionais para 32 ONTs

Topologia 32 ONTs Mdia(dB)Mnima

(dB)Mxima

(dB)Quant.

Fibra (km)

HbridaSim/Assim 5,1 4,0 6,3 32

Simtrica1:2/1:4/1:4 5,2 4,8 5,6 50

Simtrica1:4/1:2/1:4 5,2 4,8 5,6 54

Simtrica1:8/1:4 6,3 5,1 7,5 58

Tabela 2 Comparao entre margens das topologias hbrida simtrica/assimtrica esimtricas convencionais para 64 ONTs

Topologia 64 ONTs Mdia(dB)Mnima

(dB)Mxima

(dB)Quant.

Fibra (km)

HbridaSim/Assim 1,3 0,5 2,1 48

Simtrica1:2/1:4/1:8 1,5 1,1 1,9 66

Simtrica1:4/1:2/1:8 1,5 1,1 1,9 70

Simtrica1:8/1:8 2,6 1,4 3,0 74

Quando avaliada e comparada com as topologias convencionais, em que o sinal distribudo apenas de forma simtrica, a topologia hbrida simtricaassimtrica requeruma quantidade menor de fibra com um melhor aproveitamento das fibras no cabo. Astopologias convencionais com distribuio simtrica geram um desperdcio de fibras nocabo, pois somente parte das fibras usadas na distribuio so utilizadas ao longo detodo o cabo, e algumas fibras ficam com trechos sem utilizao, conforme Figura 1b. Na

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nova topologia proposta com distribuidores assimtricos, as fibras so utilizadas ao longode todo o cabo. As margens de potncia ptica da nova topologia so inferiores s das topologiasconvencionais, porm, bastante prximas. importante destacar que esta topologia paraa rede de distribuio, baseada em distribuio hbrida simtrica/assimtrica de potnciaptica adequada para aplicao em um conjunto de ONTs dispostos de forma linear. Aidentificao e anlise de topologias deve ser realizada para cada geografia de demandae um passo essencial para o projeto de redes PON eficientes e otimizadas em custo. Miriam Regina Xavier de Barros pesquisadora do CPqD

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