1

Migração nas Redes Ópticas Passivas

Heitor Bruno Oliveira GalvãoGuilherme Enéas Vaz Silva

Sumário

1. Introdução.2. Fibra Óptica.3. Rede Óptica Passiva baseada em Multiplexação por Divisão no Tempo – TDM-PON.4. Rede Óptica Passiva baseada em Multiplexação por Divisão em Comprimento de

Onda – WDM-PON.5. Migração TDM-PON para WDM-PON.6. Resultados da Migração TDM-PON para WDM-PON7. Conclusão8. Referências Bibliográficas9. Contato

2

1. Introdução.As redes de telecomunicações podem ser classificadas, de acordo com a escala, em

redes geograficamente distribuídas (Wide Area Networks – WANs), redes metropolitanas (Metro Area Networks – MANs) e redes locais (Local Area Networks – LANs) [Tanenbaum, 2003].

Entre as MANs e as LANs estão situadas as redes de acesso, que são responsáveis pela conexão da central do provedor de serviço (Central Office - CO) aos assinantes residenciais ou empresas: redes de acesso são o maior problema (“gargalo”) das redes de telecomunicações.

3

1. Introdução.

Figura 1 - Representação das redes de acesso como gargalo da Internet [D. Gutierrez, 2007].

4

1. Introdução. Como a largura de banda de qualquer conexão ponto-a-ponto é determinada pelo

segmento da rede com menor taxa de transferência de dados (no caso, a rede de acesso),a operação em altas taxas por todo o caminho de rede até o usuário final ainda não é possível [D. Gutierrez, 2007].

Dentre as configurações presentes no cenário mundial atual, a rede óptica passiva baseada em Multiplexação por Divisão no Tempo (TDM-PON) tem ganhado espaço. Alternativamente, a PON baseada em Multiplexação por Divisão em Comprimento de Onda (WDM-PON) é capaz de prover uma maior demanda em comparação com a rede anterior.

Tendo esse cenário em vista, este trabalho faz uma análise comparativa de TDM-PON com WDM-PON que permite realizar uma proposta de migração de TDM-PON para WDM-PON para resolver o problema das redes de acesso que são o maior problema das redes de telecomunicações.

5

2. Fibra Óptica.Devido a sua alta largura de banda, as fibras ópticas têm sido tradicionalmente usadas

como meio físico para transmissão de dados em MANs e WANs [Sudhir Dixit, 2003].

Na topologia física ponto-a-ponto, o número de fibras é igual ao número de usuários, o que torna mais difícil a instalação e manutenção, portanto, inapropriada para desenvolvimento em massa.

Na arquitetura ponto-multiponto, diversos usuários compartilham uma fibra até um nó remoto (RN), a partir do qual cada cliente dispõe do seu próprio enlace óptico.

O RN pode ser passivo ou ativo, dependendo se é eletricamente alimentado ou não. Se requerer suprimento de energia, a arquitetura é chamada de Rede Óptica Ativa (AON). Caso contrário, a arquitetura recebe o nome de Rede Óptica Passiva (PON).

6

2. Fibra Óptica.

Figura 2 - Topologia em árvore de uma Rede Óptica Passiva [Silva, G.E.V.,2010].

7

2. Fibra Óptica.

Figura 3 - Redes FTTx [ C.Orencia, 2007]8

3. Rede óptica passiva baseada em Multiplexação por Divisão no Tempo - TDM-PON.A solução de acesso óptico mais difundida no mundo é a TDM-PON

No downstream, ocorre broadcast, sendo que cada ONU recebe toda a informação provida pelo OLT e filtra os dados que lhe são destinados.

No upstream cada ONU terá uma janela temporal determinada e, durante este intervalo, poderá usar toda a largura de banda provida pelo canal óptico. O splitter, atuando como um combinador de potências será responsável por combinar as janelas e mandar as informações de todos os usuários ao CO.

9

3. Rede óptica passiva baseada em Multiplexação por Divisão no Tempo - TDM-PON.O OLT é responsável por determinar as janelas temporais de cada usuário com

intuito de evitar colisões no tráfego de upstream.

Uma característica importante é a Alocação Dinâmica de Largura de Banda (DBA), cujos algoritmos permitem uma maior eficiência da rede alocando intervalos de tempo maiores para aqueles usuários com maior intensidade de tráfego. A faixa de comprimento de onda utilizada no upstream varia entre 1260nm a 1360nm.

10

3. Rede óptica passiva baseada em Multiplexação por Divisão no Tempo - TDM-PON.

Figura 4 - Esquema de downstream e upstream da TDM-PON [Ferreira & Silva, 2011]

11

4. Rede óptica passiva baseada em Multiplexação por Divisão em Comprimento de ONDA- WDM-PON.

Vertentes do WDM-PON:1) uso de múltiplos comprimentos de onda, todos localizados dentro da banda passante dos

divisores de potência de uma TDM-PON [F.T. Na],[Y.-L. Hsueh,2005],[Michael P. et al.,2006]

2) a segunda vertente emprega o conceito de WDM-PON para sistemas de ultralonga distância;

3) a terceira vertente na figura 5. A topologia lógica é a ponto-a-ponto (diferentemente da PON convencional) e o sistema reúne múltiplos comprimentos de onda tanto na direção downstream como na upstream. Diferentes ONUs podem operar em diferentes taxas de bits, logo uma variedade de serviços pode ser oferecida em uma mesma rede. O equipamento principal de uma rede WDM-PON é o Arrayed Waveguide Grating (AWG), que faz o roteamento do sinal óptico de uma dada porta de entrada para uma dada saída, baseado no comprimento de onda do sinal[Biswanath Mukherjee, 2006].

12

4. Rede óptica passiva baseada em Multiplexação por Divisão em Comprimento de ONDA- WDM-PON.

Figura 5 - Esquema simplificado de uma WDM-PON [A. Banerjee et al., 2006].

13

5. Migração TDM-PON para WDM-PON.Esquemas de migração de TDM-PONs para a WDM-PON simulada foram proposta

em [K.M. Choi et al., 2007]. Para realizar o upgrade sem mudar substancialmente a estrutura da rede já instalada foi empregado um dispositivo de três portas que combina/divide banda de comprimento de onda, representado no artigo citado e aqui no trabalho pela sigla WC.

No esquema de migração original, o WC está presente no OLT e no RN (WC1 e WC2), como mostra a Figura 6. A TDM-PON em questão pode ser BPON que foi o primeiro padrão completo definido pelo International Telecomunication Union (ITU), EPON que foi introduzido em 2004 pelo Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) e o GPON que é uma evolução do EPON, a diferença entre eles é o comprimento de onda utilizado tanto no downstream quanto no upstream. 14

5. Migração TDM-PON para WDM-PON.

Figura 6 – Estrutura de filtros utilizada no WC [K.M. Choi et al., 2007].

15

5. Migração TDM-PON para WDM-PON.

Figura 7 - Esquema de migração de TDM-PON para WDM-PON 16

6. Resultados da Migração TDM-PON para WDM-PON.

Figura 8 - Taxa de erro x potência recebida (downstream)

17

6. Resultados da Migração TDM-PON para WDM-PON.

Figura 9 - Taxa de erro x potência recebida (downstream)

18

7. Conclusão.Este trabalho mostrou uma alternativa de migração de redes TDM-PON para futuras

WDM-PON. Baseado nela foi possível inclusive propor uma nova forma para upgrade de TDM-PONs para WDM-PONs adicionando novas ONUs à rede e duplicando a largura de banda das ONUs já instaladas.

Para dar continuidade ao trabalho, pretende-se, ainda, discorrer sobre outra vertente de migração de TDM-PON para WDM-PON que vem sendo estudada na universidade de Stanford, denominada SUCCESS (Stanford University Access).

19

8. Referências Bibliográficas.Andrew S. Tanenbaum, Computer networks, 4ª edição, Prentice Hall, Vrije

University,Amsterdam, 2003.A. Banerjee, Y. Park, F. Clarke, H. Song, S. Yang, G. Kramer, K. Kim, and B. Mukherjee,

"Wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM-PON) technologies for broadband access: a review [Invited]," J. Opt. Netw. 4, 737-758 (2005).

Biswanath Mukherjee, Optical WDM Networks, Springer-Verlag New York, Inc., Secaucus, NJ, 2006.

C. Orencia, “Alocação dinâmica de largura de banda em redes EPON”, Dissertação de mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Carlos, São Paulo, 2007.

Chang-Hee Lee, Wayne V. Sorin, and Byoung Yoon Kim, "Fiber to the Home Using a PON Infrastructure," J. Lightwave Technol. 24, 4568-4583 (2006). 20

8. Referências Bibliográficas.D. Gutierrez, “Next-Generation Fiber-To-The-Home Networks”, Tese de Doutorado,

Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade de Stanford, Califórnia, dezembro de 2007.

D. Nowak and J. Murphy, “FTTH: The overview of existing technologies,” in Proc. SPIE Optoelectronics, Photonic Devices, and Optical Networks, Opto-Ireland, 2005, vol. 5825, pp. 500–509.

F. Effenberger, D. Cleary, O.Haran, G. Kramer et al., "An Introduction to PON Technologies", IEEE Communications Magazine, março de 2007.

Ferreira, R. J. L.; Silva, G.E.V. Redes de Acesso Óptico da Próxima Geração. In: Escola Regional de Computação Ceará Maranhão Piauí (ERCEMAPI), Teresina, 2011.

Ferreira,R.J.L.; Silva,G.E.V.; Análises das Principais Arquiteturas em Redes Ópticas Passivas.10ª Conferência Brasileira de Dinâmica, Controle e Aplicações. Águas de Lindóia, São Paulo 2011.

21

8. Referências Bibliográficas.Ferreira,R.J.L.; Silva,G.E.V.; Análises das Principais Arquiteturas em Redes Ópticas

Passivas.10ª Conferência Brasileira de Dinâmica, Controle e Aplicações. Águas de Lindóia, São Paulo 2011.

F. T. An, K. S. Kim, D. Gutierrez, S. Yam, E. Hu, K. Shrikhande, and L. G. Kazovsky,59 “SUCCESS: A next-generation hybrid WDM/TDM optical access network architecture,” J. Lightw. Technol., vol. 22, no. 11, pp. 2557-2569, Nov. 2004.

H. Matsuda, T. Kaminogou, T. Yasui, “A challenge to access/backbone integrated network,” IEICE Transactions on Communications, Vol. 90, No. 8, pp. 1960-1967, January 2007

J.R. Stern, et al., “TPON-a passive optical network for telephony”, in Proc. ECOC 1988, Brighton, UK, pp. 203-206

K.M. Choi, S.M. Lee, M.H. Kim, and C.H. Lee, “An Efficient Evolution Method From TDM-PON to Next-Generation PON”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 19, Nº 9, Setembro 2007.

22

8. Referências Bibliográficas.Michael P. MacGarry, Martin Reisslen e Martin Maier, “WDM Ethernet Passive Optical

Networks”, IEEE Optical Communications Magazine, vol. 44, Nº 2, pp. 15-22, Fevereiro de 2006.

OptiSystem 12, http://www.optiwave.com/site/products/system.html. Acesso em: 11 de março de 2015.

Suzart, S.T. Redes Óticas de Acesso de Banda Ultra Larga: Conservação de Potência em OLTs na arquitetura TWDM-PON.2014.32f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharel em Engenharia da Computação), Universidade Federal de Pernambuco, UFPE, Brasil.

Silva, G. E. V. Estudo de Topologias e Arquiteturas para Redes WDM-PON. 2010.89f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica), Universidade de São Paulo, USP, Brasil.

Sudhir Dixit, “IP Over WDM: building the cnext-generation optical internet”, Wiley Interscience, New York, NY, 2003.

23

8. Referências Bibliográficas.Teleco, http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialgmredes1/pagina_2.asp. Acesso

em: 25 de março de 2015.Y.-L. Hsueh, “A Highly Flexible and Efficient Passive Optical Network Employing

Dynamic Wavelength Allocation,” J. Lightwave Tech., Jan. 2005.

24

9. Contato

heitorbrunogalvao@gmail.comLattes: http://lattes.cnpq.br/2259281526229375

25