( PDF ) Estudo de topologias para redes WDM-PON

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Universidade de São Paulo – USP

Escola de Engenharia de São Carlos – EESC

Departamento de Engenharia Elétrica

ESTUDO DE TOPOLOGIAS PARA REDES WDM-PO

Guilherme Enéas Vaz Silva

Dissertação de mestrado apresentada à

Escola de Engenharia de São Carlos,

Departamento de Engenharia Elétrica da

Universidade de São Paulo, como parte dos

requisitos para obtenção do título de Mestre

em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Murilo Araujo Romero

São Carlos

2010

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EPÍGRAFE

NÃO CONSEGUIMOS ENCONTRAR RESPOSTA

PARA TODOS OS NOSSOS PROBLEMAS.

AS QUE ENCONTRAMOS NOS LEVARAM

A FORMULAR NOVAS QUESTÕES

SENTIMO-NOS HOJE TÃO CONFUSOS

COMO ANTES. ACREDITAMOS, ENTRETANTO,

QUE ESTAMOS CONFUSOS EM UM NÍVEL

MAIS ALTO E SOBRE COISAS MAIS IMPORTANTES.

Cartaz de alerta aos visitantes , encontrado

na entrada do departamento de matemática

de uma universidade escandinava.

AGRADECIMETOS

A Deus, por iluminar meu caminho.

Aos meus pais, Oliveira e Regina, pelo exemplo, incentivo, carinho, paciência e por serem os principais

responsáveis por minha formação humana e profissional.

À minha filha Nicolli, que abençoou esse trabalho com seu nascimento.

À minha esposa Naiana, por seu amor, carinho e companhia.

Aos meus irmãos, sobrinhos, avós, tios, primos e cunhados, pela torcida e incentivo durante a realização

desse trabalho.

Ao meu orientador, professor Dr. Murilo Araujo Romero, pela oportunidade, orientação, profissionalismo

e imenso conhecimento repassado. Dez minutos de conversa equivaliam a um mês de estudo!

Ao meu grupo de estudo na Telecom, representado principalmente pela Regiane, pelo incentivo, apoio,

inúmeros seminários, debates e companhia nessa jornada.

Aos amigos piauienses e às diversas amizades feitas em São Carlos (baianos, mineiros, paulistas,

paraenses, maranhenses, cearenses ...), pelos bons momentos de alegria, companheirismo e apoio.

Aos professores do grupo de Telecom, pelo conhecimento repassado.

A todos os profissionais e colegas que de alguma forma contribuíram nesse trabalho.

Resumo

A demanda de largura de banda exigida pelos usuários de redes de acesso vem

aumentando rapidamente e a rede óptica passiva baseada em multiplexação por divisão de

comprimento de onda (WDM-PON) tem se destacado como a tecnologia capaz de suprir

essa demanda. Dessa forma, este trabalho conduz, inicialmente, uma comparação entre uma

rede WDM-PON ideal e uma rede TDM-PON, discutindo também aspectos de segurança

desta última, bem como estratégias de migração entre estes dois esquemas. Devido ao custo

elevado da WDM-PON em seu esquema original, investigou-se em seguida as principais

arquiteturas alternativas relatadas na literatura, em busca de maior viabilidade de imple-

mentação. Com base nesse estudo, fez-se então uma análise mais profunda sobre topologias

recentes derivadas da RITENET, referenciadas na literatura como arquiteturas baseadas em

fontes ópticas centralizadas (CLS). Tais conﬁgurações são baseadas no travamento de dio-

dos lasers Fabry-Pérot através da injeção do sinal de ASE de um EDFA e foram estudadas

por meio de simulações computacionais empregando o software OptiSystem 8.0.

Palavras-chave: WDM-PON, TDM-PON, fontes ópticas centralizadas

iii

Abstract

The demand for bandwidth by access networks users has increased rapidly and the

Wavelength Division Multiplexing - Passive Optical Network (WDM-PON) has been pointed

out as the technology capable of meeting this demand. In this framework, this work initially

carries out a comparison between an ideal WDM-PON network and a TDM-PON network,

also discussing TDM-PON security issues as well as migration strategies from TDM-PON

to WDM-PON conﬁgurations. Next, taking into account the high implementation cost

of the WDM-PON original scheme, we investigated alternative topologies available in the

literature. Based on this study, we performed a more in-depth analysis regarding recently

proposed topologies, derived from the RITENET, which are refered at the literature as

centralized light sources (CLS) based architectures. Such networks are based on the locking

of Fabry-Pérot lasers diodes through the injection of the ASE signal from an EDFA and

were studied by using the software OptiSystem 8.0.

Keywords: WDM-PON, TDM-PON, centralized light source

Lista de Figuras

1.1 Representação das redes de acesso como gargalo da Internet [3] . . . . . . . 2

1.2 Topologia em árvore de uma Rede Óptica Passiva . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Esquemas FTTx (FTTH, FTTB, FTTC e FTTCab) sendo empregados como

uma rede convergente de vídeo, voz e dados [20] . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1 Esquema de downstream da TDM-PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Esquema de upstream da TDM-PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Esquema simulado para disposição da ONU vítima e ONU maliciosa. . . . . 16

2.4 BER para potências recebidas pela ONU maliciosa e medições back-to-back 17

2.5 Taxa de erro para diversos valores de ORL de conectores mal instalados. . . 18

2.6 Representação de um splitter 1x4 formado por três acopladores . . . . . . . 19

2.7 Representação de um splitter 1x32 formado por diversos acopladores . . . . 20

2.8 Esquema idealizado de uma WDM-PON [45] . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.9 Espectro de saída (a) de um laser, (b) do multiplexador do OLT . . . . . . 28

2.10 Diagrama de olho para ONU 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.11 Varredura de potências para 1,25 Gbps, 2,5 Gbps e 10 Gbps . . . . . . . . . 31

2.12 BER dos 32 canais a 2,5Gbps em 20Km . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.13 Varredura de distâncias com potência de -4,0 dBm . . . . . . . . . . . . . . 33

2.14 Varredura de potências para GPON em 20Km . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.15 OTDV na saída (a) da ONU 1, (b) da ONU 12 e (c) do splitter. . . . . . . . 35

2.16 Espectro de saída do splitter no sentido upstream . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.17 Rede TDM-PON já instalada com OLT conectado a 8 ONUs . . . . . . . . 37

2.18 Esquema de migração de TDM-PON para WDM-PON . . . . . . . . . . . . 37

2.19 Esquema de migração de TDM-PON para WDM-PON com duas propostas

de upgrade para ONUs antigas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.20 Alternativa de upgrade com esquema duplicando largura de banda das ONUs

legadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1 Característica bidirecional do AWG [60]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2 O comportamento periódico do AWG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3 Estrutura interna do AWG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.4 Fonte óptica baseada no esquema de travamento por injeção de F-P LD [76] 44

3.5 Espectro de saída e o diagrama de olho: (a) antes do travamento de compri-

mento de onda, (b) e depois do travamento de comprimento de onda [77]. . 46

3.6 Diagrama esquemático de uma rede CPON [78] . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.7 LARNET [45] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.8 RITENET [45] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.9 Travamento por injeção de FP-LD no upstream [93] . . . . . . . . . . . . . . 50

3.10 Múltiplos estágios [100] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.11 Exemplo de escalabilidade na arquitetura Multi-Estágios [21] . . . . . . . . 56

3.12 DWDM-TDM PON de longo alcance [107] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.1 Representação esquemática da arquitetura RITENET proposta originalmente

por [87] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.2 Taxa de erro versus a potência do laser CW no OLT em 20 km de ﬁbra . . 60

4.3 Espectro de saída de um Fabry-Pérot com 9 modos sem a injeção de sinal

óptico externo. O modo central é referenciado como m = 0, os modos à sua

esquerda são numerados negativamente e os modos à direita são numerados

positivamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.4 Espectro de saída de um Fabry-Pérot com 9 modos com a injeção de sinal

óptico externo (a) travamento do modo central (m = 0), (b) travamento do

primeiro modo lateral à esquerda (m = -1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.5 Espectro banda larga de um sinal de ASE gerado a partir de componente do

software OptiSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.6 (a) sinal da ASE fatiado que sai na porta 1 do AWG, (b) sinal da ASE fatiado

que sai na porta 5 do AWG, (c) modo lateral do F-P LD (m = 4) travado com

o sinal de "a", (d) modo central do F-P LD (m = 0) travado com o sinal de "b"

4.7 Representação esquemática da rede contendo 8 ONUs equipadas com lasers

Fabry-Pérot idênticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.8 BER como função da distância considerando-se uma taxa de transmissão de

1,25 Gbps no esquema com F-P LDs situados nas ONUs. São mostrados os

modos central m = 0 e lateral m = 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.9 BER como função da distância considerando-se uma taxa de transmissão de

622 Mbps no esquema com F-P LDs situados nas ONUs. São mostrados os

modos central m = 0 e lateral m = 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.10 Representação esquemática da rede CLS simulada . . . . . . . . . . . . . . 69

4.11 Representação esquemática da fonte WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.12 Taxa de erro como função da distância considerando-se uma taxa de trans-

missão de 622 Mbps na rede CLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.13 Taxa de erro como função da distância considerando-se uma taxa de trans-

missão de 1,25 Gbps na rede CLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.14 Taxa de erro como função da distância considerando-se uma taxa de trans-

missão de 2,5 Gbps na rede CLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.15 Espectro de saída de um Fabry-Pérot com 21 modos sem a injeção de sinal

óptico externo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

vii

4.16 Taxa de erro dos modos m = -10, m = -7, m = -3 e m = 0 considerando as

taxas de transmissão de 622 Mbps, 1,25 Gbps e 2,5 Gbps . . . . . . . . . . 74

viii

Lista de Tabelas

1.1 Tecnologias DSL: alcance x taxa [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Versões do padrão DOCSIS [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1 Potência necessária para atingir uma BER de 10-9 . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2 Potência máxima no upstream - norma GPON [25] . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3 Orçamento de potência para splitter de 4 portas . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.4 Orçamento de potência para splitter de 32 portas . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.5 Orçamento de potência para splitter de 16 portas . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.6 Orçamento de potência para splitter de 8 portas . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.7 Largura de banda necessária para alguns serviços [48] . . . . . . . . . . . . 26

2.8 Principais características das tecnologias PON [57,58] . . . . . . . . . . . . 26

2.9 Orçamento de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.1 Comparativa das arquiteturas WDM-PON. Fonte: [46] . . . . . . . . . . . . 53

3.2 Opções para implementação de WDM-PONs utilizando ONUs colorless. Fonte:

[102] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.1 Valores utilizados nas simulações e disponibilizados pela literatura [75] . . . 63

Sumário

Lista de Figuras v

Lista de Tabelas vi

1 Introdução 1

1.1 Tecnologias para as redes de acesso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.1 As redes sem ﬁo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.2 xDSL e modem a cabo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1.3 Fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Descrição do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Redes Ópticas Passivas 9

2.1 TDM-PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1 Broadband PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.2 Ethernet PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.3 Gigabit PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 Problemas de segurança em TDM-PONs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.1 Ataque de falta de serviço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.2 Escuta não autorizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.3 ONU mascarada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.4 Esquema simulado e resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.5 Estudo de novos cenários . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 WDM-PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3.1 Por que utilizar WDM-PON ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.4 GPON x WDM-PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.1 Rede WDM-PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.2 GPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5 MigraçãoTDM-PON para WDM-PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3 WDM-PON: componentes e topologias 40

3.1 Principais componentes da rede WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.1 Array Waveguide Grating (AWG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.2 Fonte óptica multi-comprimento de onda . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.2 Arquiteturas WDM-PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2.1 Composite PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2.2 Local Access Router Network (LARNET) . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2.3 Remote Interrogation of Terminal Network (RITENET) . . . . . . . 48

3.2.4 WDM-PON multi-estágios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.2.5 Comparação entre as arquiteturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.3 SuperPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4 Estudo de Arquiteturas Baseadas no Travamento Óptico de Lasers Fabry-

Pérot 58

4.1 Proposta original da RITENET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2 Rede com F-P LD na ONU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.3 Rede de Fonte Óptica Centralizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.4 Rede CLS com 21 modos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5 Conclusão 76

Referências Bibliográﬁcas 78

Lista de Acrônomos

Acrônimo Português Inglês

ACTS-

PLANET

Tecnologias e Serviços

de Comunicação

Avançada — Rede

Fotônica de Acesso

Local

Advanced

Communication

Technologies and

Services — Photonic

Local Access Network

ADSL

Linha Digital de

Assinante Assimétrica

Asymmetric Digital

Subscriber Line

AES

Padrão de Encriptação

Avançado

Advanced Encryption

Standard

AON Rede Óptica Ativa Active Optical Network

APC Contato Físico Angulado Angled Physical Contact

ASE Emissão Espontânea Ampliﬁcada

Ampliﬁed Spontaneous

Emission

ATM

Modo de Transferência

Assíncrono

Asynchronous Transfer

Mode

ATM PON

(APON)

Rede Óptica Passiva

baseada no protocolo

Modo de Transferência

Assíncrono

Asynchronous Transfer

Mode Passive Optical

Network

AW Vetor de Guias de Onda Arrayed Waveguide

AWG

Grades Ordenadas em

Guias de Onda

Arrayed Waveguide

Grating

BER Taxa de Erro de Bit Bit Error Rate

BLS

Fonte de Luz de

Banda Larga

Broadband Light Source

BPON

Rede Óptica Passiva

Banda Larga

Broadband Passive

Optical Network

CATV Televisão a Cabo

Community Antenna

Television

CLS Fontes Ópticas Centralizadas Centralized Light Sources

CO Central do Provedor de Serviço Central Oﬃce

CPON

Rede Óptica

Passiva Composta

Composite Passive

Optical Network

CDWM

Multiplexação por Divisão

Esparsa de Comprimento

de Onda

Coarse Wavelength

Division Multiplexing

DBA

Alocação Dinâmica de

Largura de Banda

Dynamic Bandwidth

Allocation

DFB Realimentação Distribuída Distributed Feedback

xii

DGD Atraso Diferencial de Grupo Diﬀerential Group Delay

DOCSIS

Especiﬁcação de Interface

para o serviço "Dados

sobre Cabo"

Data Over Cable

Service Interface

Speciﬁcations

DSL Linha Digital de Assinante Digital Subscriber Line

DWDM

Multiplexação por Divisão

de Comprimento de Onda

Denso

Dense Wavelength

Division Multiplexing

EDFA

Ampliﬁcador de Fibra

Dopada com Érbio

Erbium Doped

Fiber Ampliﬁer

EFM Ethernet na primeira milha Ethernet in the First Mile

EoD Educação sob Demanda Education on Demand

EPON

Rede Óptica Passiva

baseada no protocolo

Ethernet

Ethernet PON

F-P LD Diodo Laser Fabry-Perot Fabry-Perot laser diode

FPR Região de Propagação Livre Free Propagation Region

FSAN

Rede de Acesso de

Serviço Completo

Full Service

Access Network

FSR Região Espectral Livre Free Spectral Range

FTTB Fibra até o Prédio Fiber to the Building

FTTC Fibra até o Meio Fio Fiber to the Curb

FTTCab Fibra até o Armário Fiber to the Cabinet

FTTH Fibra até a Residência Fiber to the Home

FWM Mistura de Quatro Ondas Four Wave Mixing

GEM

Método de Encapsulamento

Genérico

Generic Framing Method

GPON

Rede Óptica Passiva

capaz de atender Gigabit

Gigabit-capable Passive

Optical Network

G.SHDSL

Linha Digital Simétrica

de Assinante de Alta

Velocidade

Symmetric High-Speed

Digital Subscriber Line

GUI Interface Gráﬁca do Usuário Graphical User Interface

HDTV Televisão de Alta Deﬁnição High Deﬁnition Television

HFC

Rede Híbrida

Fibra-Coaxial

Hybrid Fibre-Coaxial

IDSL DSL baseada em ISDN

ISDN Digital

Subscriber Line

xiii

IEEE

Instituto de Engenheiros

Eletricistas e Eletrônicos

Institute of Electrical and

Electronics Engineers

IP Protocolo de Internet Internet Protocol

ISDN

Rede Digital de

Serviços Integrados

Integrated Service

Digital Network

ITU-T

Setor de Padronização

da Telecomunicação da

União Internacional de

Telecomunicações

Telecommunication

Standardization

sector of International

Telecommunication

Union

KAIST

Instituto Coreano de

Ciência e Tecnologia

Avançada

Korea Advanced

Institute of Science and

Technology

LAN Redes Locais Local Area Networks

LARNET

Rede Roteada de

Acesso Local

Local Access

Router Network

LED Diodo Emissor de Luz Light Emitting Diode

MAC Controle de Acesso ao Meio Media Access Control

MAN Redes Metropolitanas Metro Area Networks

NRZ Não Retorno a Zero Non-return-to-zero

OADM

Multiplexador Óptico de

Inserção e Retirada de

Comprimentos de Onda

Optical Add-

Drop Multiplexer

ODN Rede de Distribuição Óptica Optical Distribution Network

OLT Terminal de Linha Óptica Optical Line Terminal

ONU Unidade de Rede Óptica Optical Network Unit

ORL Perda de Retorno Óptica Optical Return Loss

OTDV

Visualizador Óptico no

Domínio do Tempo

Optical Time-

Domain Visualizer

OXC Comutador Óptico Optical Cross-Connect

PC Contato Físico Physical Contact

PLC Circuito Óptico Planar Planar Lightwave Circuit

PON Rede Óptica Passiva Passive Optical Network

PRBS

Sequência Pseudo-

Aleatória de Bits

Pseudo Random

Binary Sequence

PSTN

Rede Pública de

Telefonia Comutada

Public Switched

Telephone Network

QoS Qualidade de Serviço Quality of Service

REAM

Modulador Reﬂexivo

de Eletro-Absorção

Reﬂective Electro-

Absorption Modulator

RF Rádio Frequência Radio frequency

xiv

RITENET

Interrogação Remota

do Terminal de Rede

Remote Interrogation

of Terminal Network

RN Nó Remoto Remote Node

RSOA

Ampliﬁcador Óptico

Semicondutor Reﬂexivo

Reﬂective semiconductor

optical ampliﬁer

SBS

Espalhamento Brillouin

Estimulado

Stimulated Brillouin

Scattering

SDSL

Linha Digital

Simétrica de Assinante

Symmetric Digital

Subscriber Line

SLA

Contrato de Nível

de Serviço

Service Level Agreement

SLED

Diodo

Superluminescente

Emissor de Luz

Superluminescent Light

Emitting Diode

SPM Automodulação de Fase Self-Phase Modulation

SRS

Espalhamento Raman

Estimulado

Stimulated Raman

Scattering

SUCCESS Stanford University Access

TDM

Multiplexação por divisão

no tempo

Time-division multiplexing

TDMA

Acesso Múltiplo por

Divisão de Tempo

Time Division

Multiple Access

TDM-PON

Rede Óptica Passiva

baseada em Multiplexação

por Divisão no Tempo

Time Division

Multiplexing - Passive

Optical Network

UPC Ultra Contato Físico Ultra Physical Contact

VDSL

Linha Digital de

Assinante de alta

velocidade

Very-high-bit-rate

Digital Subscriber

Line

VoD Vídeo sob Demanda Video on Demand

WAN

Redes Geograﬁcamente

Distribuídas

Wide Area Networks

WDM

Multiplexação por Divisão

de Comprimento de Onda

Wavelength Division

Multiplexing

WDM-PON

Rede Óptica Passiva

baseada em Multiplexação

por Divisão de

Comprimento de Onda

Wavelenght Division

Multiplexed - Passive

Optical Network

WiMax

Interoperabilidade Mundial

para Acesso por Microondas

Worldwide Interoperability

for Microwave Access

XPM Modulação de Fase Cruzada Cross-Phase Modulation

Capítulo 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) [1].

Uma WAN abrange uma grande área geográﬁca, em geral milhares de quilômet-

ros englobando um país ou continente. As taxas de dados em operação nestas redes variam

de dezenas de Gbps a Tbps. As MANs cobrem dezenas de quilômetros, geralmente cidades

ou regiões metropolitanas. Suas taxas de transmissão chegam a 40 Gbps. Já as LANs são

redes privadas contidas em um único edifício ou em um campus universitário, por exemplo.

Sua distância máxima atinge poucos quilômetros e, tradicionalmente, operam com taxas de

até 100 Mbps, porém em redes mais modernas a taxa chega a 10 Gbps [1].

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 res-

idenciais ou empresas. Essas redes atingem dezenas de quilômetros e suas taxas variam

de centenas de Kbps até poucos Mbps. Assinantes residenciais não necessariamente estão

incorporados em uma rede local, e, nesse caso, o usuário conecta-se diretamente a rede de

acesso.

De acordo com as taxas da hierarquia das redes apresentada acima, ﬁca evidente

que as redes de acesso são o maior problema (“gargalo”) das redes de telecomunicações.

Uma representação esquemática da hierarquia das redes pode ser observada na Figura 1.1.

As redes de acesso eram conhecidas antigamente como redes de última-milha, mas, devido

à relevância que vêm obtendo nos últimos anos, passaram a ser conhecidas como redes

de primeira-milha [2].A demanda de largura de banda exigida pelos usuários (sejam eles

Figura 1.1: Representação das redes de acesso como gargalo da Internet [3]

residências ou empresas) vem aumentando rapidamente e as soluções de acesso banda larga

mais utilizadas atualmente (DSL — Linha Digital de Assinante e Modem a Cabo) logo se

tornarão insuﬁcientes. As ﬁbras ópticas surgem, então, como uma boa alternativa para

atender o aumento de demanda das redes de acesso [4]. Dentre as conﬁgurações presentes

no cenário mundial atual, a rede óptica passiva (PON - Passive Optical Network) baseada

em multiplexação por divisão no tempo (TDM-PON - Time Division Multiplexing - PON)

tem recebido grande destaque. Como alternativa, a PON baseada em multiplexação por

divisão de comprimento de onda (WDM-PON - Wavelength Division Multiplexing - PON)

é capaz de atender uma maior demanda em comparação com a rede TDM-PON. Os países

asiáticos têm demonstrado grande interesse por WDM-PONs [5].

Tendo em vista esse cenário, este trabalho foca o estudo nas redes de primeira-

milha. Na continuação deste capítulo é apresentada uma revisão sobre as tecnologias para

redes de acesso mais difundidas no mundo atualmente.

1.1 Tecnologias para as redes de acesso

As redes de acesso mais usuais atualmente podem ser classiﬁcadas em:

• Sem ﬁo,

• xDSL,

• modem a cabo e

• ﬁbra óptica.

A seguir, uma breve descrição a respeito de cada uma delas.

1.1.1 As redes sem ﬁo

As redes sem ﬁo possuem o menor custo de implantação dentre as categorias citadas

e são representadas pelas tecnologias WiFi [6] e WiMAX [7].

Alguns dos principais padrões de WiFi utilizados atualmente são:

• 802.11b, que utiliza uma freqüência de 2.4 GHz e transmite 11 Mbps a um alcance de

100 m,

• 802.11a, que utiliza freqüência de 5 GHz e em 50 m atinge uma taxa máxima de

54Mbps, e

• 802.11g, que alia as vantagens dos dois padrões anteriores alcançando taxas de 54

Mbps a distâncias de 100 m.

Devido ao curto alcance, a tecnologia WiFi tem aplicação restrita a aplicações de

escala restrita, tais como parques, livrarias e aeroportos [8]. Por outro lado, tecnologia

WiMAX foi deﬁnida em abril de 2002. Ela provê uma taxa de 70 Mbps em um raio de

5 km. No Brasil, esta tecnologia foi implantada em algumas regiões, como, por exemplo,

na cidade de Mangaritiba (Rio de Janeiro) e Parintins (Amazonas) [9]-[11]. Apesar das

implementações recentes terem obtido sucesso, o WiMAX não tem tido um grande desen-

volvimento em grandes centros urbanos devido a concorrência com o DSL e modem a cabo.

A tendência é que a tecnologia ﬁxe seu nicho em zonas rurais, onde o cabeamento não seja

viável economicamente. Alguns detalhes sobre a camada física e o controle de acesso ao

meio do padrão WiMAX podem ser encontrados na Ref. [12].

Apesar da vantagem econômica apresentada pelas redes sem ﬁo descritas acima,

elas não possuem largura de banda suﬁciente para oferecer suporte a aplicações de vídeo,

como HDTV (High Deﬁnition Television), já que são ponto-multiponto, ou seja, a taxa

é compartilhada por vários usuários, em alguns casos até cerca de centenas deles. Vale

observar que, como já mencionado, as redes sem ﬁo se constituem em alternativas propícias

apenas para aplicações especíﬁcas.

Uma alternativa recente que vem sendo investigada pelas operadoras de telefonia

celular é o LTE (Long Term Evolution), solução OFDMA (Orthogonal Frequency-Division

Multiple Access) móvel pradronizada pelo 3GPP (3rd Generation Partnership Project) [13]-

[15]. O LTE seria a evolução das tecnologias 3G, porém ainda é cedo para determinar a

fração de mercado que a tecnologia vai alcançar.

1.1.2 xDSL e modem a cabo

A Linha Digital de Assinante, xDSL, é uma tecnologia baseada no fato de que os

cabos de cobre das linhas telefônicas conectam praticamente todas as residências e áreas em-

presariais com uma central telefônica. Dessa forma, companhias telefônicas podem prover

acesso banda larga a seus usuários usando parte do espectro que não é utilizado pela trans-

missão de voz.

A xDSL usa arquitetura ponto-a-ponto e seu principal limitante é o ruído resultante

da diafonia entre os cabos metálicos. Sua largura de banda depende do nível de ruído que,

por sua vez, depende do comprimento do enlace de cobre. Algumas tecnologias xDSL, como

a ADSL (DSL assimétrica), VDSL (DSL de alta velocidade), IDSL (DSL baseada em ISDN),

G.SHDSL (DSL simétrica de alta velocidade) e SDSL (DSL simétrica) estão mostradas na

Tabela 1.1 [16] com suas respectivas taxas e alcances típicos.

De forma similar às companhias telefônicas, as empresas de TV a cabo encontraram

uma forma de prover acesso banda larga a seus usuários através da tecnologia Modem a

Cabo. Esta tecnologia utiliza canais de radiofreqüência na infra-estrutura de transmissão

das TVs por assinatura. Para reduzir as perdas nos cabos coaxiais e a necessidade de

muitos ampliﬁcadores em série, as empresas passaram a utilizar ﬁbra óptica nos troncos de

distribuição, isto é, na parte mais próxima à central de serviço. Na área de distribuição aos

Downstream Upstream Alcance

ADSL

8 Mbps

1.5 Mbps

1 Mbps

640 Kbps

5.5 Km

VDSL

51 - 55 Mbps

13 Mbps

1.6 - 2.3 Mbps

0.3 Km

1.5 Km

IDSL 144 Kbps 144 Kbps 5.5 Km

G.SHDSL 2.3 Mbps — 192 Kbps 2.3 Mbps — 192 Kbps 8.52 Km

SDSL 1168 Kbps 1168 Kbps 3.65 Km

Tabela 1.1: Tecnologias DSL: alcance x taxa [16]

Versão Downstream Upstream

1.x 38 Mbps 9 Mbps

2.0 38 Mbps 27 Mbps

3.0 - 4 canais + 152 Mbps + 108 Mbps

3.0 - 8 canais + 304 Mbps + 108 Mbps

Tabela 1.2: Versões do padrão DOCSIS [17]

assinantes, continuou-se usando cabos coaxiais. Esta tecnologia mista de projeto denomina-

se planta Híbrida Óptica-Coaxial (HFC). Diferentemente do DSL, onde a arquitetura física

dos cabos de cobre é ponto-a-ponto, a tecnologia Modem a Cabo compartilha o meio, dessa

forma a largura de banda é dividida entre todos os usuários da rede.

O DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Speciﬁcations) deﬁne as taxas para

downstream e upstream, como pode ser observado na Tabela 1.2 [17]. A versão 1.x é a mais

utilizada pelas empresas e, compartilhando-se a largura de banda por algumas centenas de

usuários, a taxa individual é relativamente pequena (inferior a 1Mbps). Adicionalmente,

esta rede foi construída principalmente para oferecer serviços broadcast, o que diﬁculta o

modelo de comunicação bidirecional de uma rede de acesso.

1.1.3 Fibra óptica

Devido à sua alta largura de banda, as ﬁbras ópticas têm sido tradicionalmente

usadas como meio físico para transmissão de dados em MANs e WANs [2]. Os elevados

custos dos equipamentos ópticos não são um problema, já que estas redes chegam a conectar

milhões de usuários. Com o surgimento de novos serviços e o aumento na demanda por

largura de banda de clientes residenciais e empresas, a ﬁbra óptica tem chegado cada vez

mais próxima dos usuários. Tendo em vista que as redes de acesso geralmente conectam

algumas dezenas ou centenas de usuários, a implantação da ﬁbra nestas redes torna-se mais

cara.

As redes de ﬁbras ópticas de acesso podem ser classiﬁcadas em duas categorias

de acordo com a distribuição dos cabos ópticos: a arquitetura ponto-a-ponto e a ponto-

multiponto. 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 compartil-

ham 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). As

PONs foram inicialmente desenvolvidas na década de 80 (vide [18]) como um método ﬁnan-

ceiramente viável de compartilhamento da infra-estrutura de ﬁbra para prover telefonia a

empresas.

PONs são mais vantajosas do que as AONs em termos de instalação, operação,

manutenção da rede e possibilidade de upgrade [19]. A planta externa de uma rede óptica

passiva implica em menor gasto de capital já que não há componentes elétricos no campo,

tais como switches Ethernet ou ampliﬁcadores. Gastos operacionais também são reduzidos

na PON, tendo em vista que não há necessidade dos operadores proverem e monitorarem

a energia elétrica no campo ou manterem baterias reservas. Adicionalmente, componentes

elétricos são passíveis de falha, preocupação adicional que se deve ter com AONs. Desta

forma, as redes de acesso estudadas neste trabalho serão as redes ópticas passivas.

Nas PONs, o Terminal de Linha Óptica (Optical Line Terminal - OLT), localizado

na central do provedor de serviço (CO), é conectado a várias Unidades de Rede Óptica

(Optical Network Units - ONUs) através de um ou vários divisores ópticos, splitters, que

estão localizados dentro do RN.

A Figura 1.2 mostra uma das conﬁgurações mais utilizadas para implementação

Figura 1.2: Topologia em árvore de uma Rede Óptica Passiva

de uma Rede Óptica Passiva: a topologia em árvore.

As PONs podem ser conﬁguradas no modelo chamado FTTx:

• ﬁbra até a residência (Fiber to the Home - FTTH),

• ﬁbra até o prédio (Fiber to the Building - FTTB),

• ﬁbra até o meio ﬁo (Fiber to the Curb - FTTC) e

• ﬁbra até o armário (Fiber to the Cabinet - FTTCab).

Nesse contexto, a PON pode ser utilizada como a rede convergente de vídeo, voz

e dados, serviço denominado como “triple-play”, sendo mais baratos ao usuário do que se

fossem adquiridos separadamente, vide Figura 1.3.

1.2 Descrição do trabalho

Assim sendo, a continuação deste trabalho está organizada da seguinte forma: no

capítulo 2 é feita uma discussão sobre as Redes Ópticas Passivas, mais especiﬁcamente

a TDM-PON e a WDM-PON. Após a comparação entre essas redes, foram investigadas

estratégias de migração entre elas e também discutiu-se aspectos relativos a segurança de

TDM-PONs. No capítulo 3 são descritas as principais arquiteturas WDM-PON propostas

Figura 1.3: Esquemas FTTx (FTTH, FTTB, FTTC e FTTCab) sendo empregados como

uma rede convergente de vídeo, voz e dados [20]

até hoje por grupos de pesquisadores e pela própria indústria. No capítulo 4 fez-se uma

análise mais profunda sobre topologias recentes derivadas da RITENET, as quais utilizam

travamento de diodos lasers Fabry-Pérot através da injeção do sinal de ASE. O software

OptiSystem foi a ferramenta computacional utilizada no estudo. Finalmente, o capítulo 5

apresenta as conclusões obtidas.

Capítulo 2

Redes Ópticas Passivas

Este capítulo inicia-se com uma breve discussão sobre TDM-PONs, sendo apre-

sentadas suas três principais tecnologias: BPON, EPON e GPON. Em seguida, na seção

2.2, foi investigado um grave problema de segurança presente nessas redes. Na seção 2.3,

as redes WDM-PON, de maior interesse para o trabalho, são descritas. Para efeito de

comparação entre as redes estudadas, a seção 2.4 apresenta resultados obtidos através do

software OptiSystem. Por ﬁm, na seção 2.5, uma alternativa de migração de TDM-PON

para WDM-PON é investigada.

2.1 TDM-PON

Atualmente, a solução de acesso óptico mais difundida no mundo é a TDM-PON

[21], a qual combina a alta capacidade oferecida pelas ﬁbras ópticas com o baixo custo na

instalação e manutenção da infra-estrutura passiva. Muitos países têm adotado a primeira

geração de TDM-PONs, que fornece taxas de dados para downstream de até 1,25 Gbps [22].

No downstream a transmissão ocorre em broadcasting, sendo que cada ONU recebe

toda a informação provida pelo OLT e ﬁltra os dados que lhe são destinados, como pode ser

observado na Figura 2.1. No entanto, precauções relativas à segurança devem ser tomadas

para garantir que usuários mal intencionados não tenham acesso a toda informação da rede.

A faixa de comprimento de onda utilizada nesse sentido de tráfego varia entre 1480 nm a

1500 nm.

No sentido upstream cada ONU terá uma janela temporal pré-determinada e, du-

rante 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 se-

quências de dados e mandar as informações de todos os usuários ao CO. O esquema está

mostrado na Figura 2.2. O OLT é responsável por alocar as janelas temporais de cada

usuário, com intuito de evitar colisões no tráfego de upstream. De forma complementar, as

ONUs devem negociar com o OLT quando elas podem transmitir seus dados, levando-se em

consideração as diferentes distâncias que pode haver entre elas. Nesse contexto, uma carac-

terística importante é a Alocação Dinâmica de Largura de Banda (DBA), cujos algoritmos

permitem uma melhor eﬁciência da rede, alocando um número maior de janelas temporais

para aqueles usuários com maior intensidade de tráfego. A faixa de comprimento de onda

utilizada no upstream varia entre 1260 nm a 1360 nm.

Figura 2.1: Esquema de downstream da TDM-PON

Figura 2.2: Esquema de upstream da TDM-PON

As tecnologias TDM-PON mais em uso atualmente são:

• Broadband PON (BPON) [23], introduzida anteriormente como ATM PON (Asyn-

chronous Transfer Mode PON — APON),

• Ethernet PON (EPON) [24], e

• Gigabit PON (GPON) [25].

Já existem muitas plantas TDM-PON em operação viabilizadas pelas operadoras NTT

(Japão), DT (Alemanha), BT (Inglaterra) e BellSouth (Canadá). Alguns dos maiores

parques instalados de PON são os backbones de Tokyo e Osaka da NTT (Japão)

[28]. Detalhes sobre a implantação de ﬁbras ópticas para redes de acesso nos Estados

Unidos estão descritos em [22] e [29].

2.1.1 Broadband PON

A BPON (anteriormente APON) foi proposta pelo grupo FSAN (Full Service Ac-

cess Network), formado em 1995 por vinte e uma grandes empresas de telecomunicações

ao redor do mundo. A tecnologia opera a uma taxa de downstream entre 155 Mbps e 622

Mbps, e de upstream 155 Mbps. Por utilizar o protocolo de comunicação ATM, ela oferece

grande qualidade de serviço (QoS). Por outro lado, a eﬁciência da transmissão é reduzida,

já que se utilizam muitos bytes de cabeçalho nas células.

A BPON já pode ser considerada uma tecnologia legada tendo em vista que poucos

provedores de serviço dos Estados Unidos ainda a utilizam. Em breve, estas empresas

mudarão suas arquiteturas e tecnologias para EPON ou GPON [26].

2.1.2 Ethernet PON

Em novembro de 2000, o IEEE 802.3 anunciou um grupo de estudos chamado

Ethernet na primeira milha (EFM), que tinha como objetivo utilizar a Ethernet para a rede

de acesso do usuário. Os resultados deste grupo de estudos foram ratiﬁcados em junho de

2004, tornando-se o padrão IEEE 802.3ah (o EPON) [24]. Esta rede trabalha com pacotes

de tamanho variável, diferentemente da rede anterior, o que permite grande eﬁciência no

tratamento de tráfego IP.

A EPON provê taxas de 1 Gbps nos dois sentidos usando o comprimento de onda

1490 nm para downstream e 1310 nm para upstream. O comprimento de onda 1550 nm é

reservado para serviços adicionais, como o broadcast de vídeo analógico. Considerando que

a cada OLT se conectam, tipicamente, 16 ou 32 ONUs, a largura de banda média para cada

usuário seria em torno de 60 ou 30 Mbps, respectivamente.

Em termos de evolução da EPON, o IEEE lançou a força tarefa P802.3av para

considerar a possibilidade de prover 10 Gbps no sentido downstream, e entre 1 e 10 Gbps

para upstream [27].

2.1.3 Gigabit PON

A GPON teve inicio com o consórcio FSAN em 2001. Dois anos mais tarde os

primeiros dois padrões da rede foram aprovados pelo ITU-T: o que diz respeito a requisitos

e arquitetura básica (G.984.1) e a camada dependente do meio físico (G.984.2). O método de

encapsulamento da GPON (GEM), deﬁnido na G.984.3, pode acomodar diferentes formatos

de empacotamento, podendo trabalhar somente com pacotes Ethernet, ou somente com

pacotes ATM ou ainda com pacotes dos dois tipos simultaneamente. A rede garante grande

eﬁciência no transporte de dados IP, utilizando mais de 95% da largura de banda disponível

no canal de transmissão. A QoS é proporcionada pelo contrato de nível de serviço (Service

Level Agreement - SLA), deﬁnido em G.984.4.

As taxas para downstream na GPON são 1250 ou 2500 Mbps, e para upstream

155, 622, 1250 ou 2500 Mbps. O número de ONUs por OLT são 32 ou 64. Considerando

a taxa máxima de 2,5 Gbps dividida entre 64 usuários, a largura de banda média seria 40

Mbps. Dividida entre 32 usuários, a largura de banda média para cada ONU seria 80 Mbps.

Em termos de evolução da GPON, tem-se procurado melhorar o orçamento de

potência da rede para que seja possível aumentar seu alcance e/ou aumentar o número de

ONUs por OLT. Adicionalmente, estuda-se o incremento da taxa de downstream para 10

Gbps e, para upstream, 5 ou 10 Gbps [19].

2.2 Problemas de segurança em TDM-PONs

Esta seção tem como objetivo evidenciar um grande problema das redes ópticas

passivas baseadas em multiplexação por divisão no tempo: a segurança. Os três problemas

principais de segurança em TDM-PONs (vide [30]) são:

• Ataque de falta de serviço

• Escuta não autorizada, conhecido na literatura por "eavesdropping"e

• ONU mascarada.

2.2.1 Ataque de falta de serviço

O ataque de falta de serviço pode ocorrer quando o laser de uma ONU transmitir

continuamente sinal de upstream não respeitando sua janela temporal para transmissão.

Além disso, dependendo da potência transmitida, todas as outras ONUs podem ter seus

dados perdidos. A transmissão contínua do laser pode ter como razão um defeito no dis-

positivo ou até mesmo uma alteração intencional deste dispositivo. Devido à natureza

passiva da rede, a identiﬁcação da ONU problemática é difícil e alguns mecanismos têm

sido propostos para identiﬁcação ou desconexão destas ONUs [31]-[32].

2.2.2 Escuta não autorizada

A escuta não autorizada ocorre quando uma ONU consegue interceptar os dados

enviados ou recebidos por outros usuários. O padrão EPON não especiﬁca mecanismos de

autenticação e criptograﬁa, permitindo que soluções proprietárias o façam, para garantir a

segurança da rede. Na literatura, é possível encontrar um desses mecanismos na Ref. [33].

Por outro lado, o padrão GPON recomenda o uso do Padrão de Criptograﬁa Avançado

(Advanced Encryption Standard - AES) para a transmissão downstream [25]. Todavia, com

relação ao upstream, o GPON considera que não há necessidade de encriptação, uma vez que,

a alta direcionalidade dos componentes na rede de distribuição óptica (ODN) impede que

uma ONU consiga receber os dados de outra ONU [25]. Porém, diferentememte do que foi

aﬁrmado, será constatado neste trabalho que o tráfego upstream não é seguro, possibilitando

a ocorrência de eavesdropping.

Em linhas gerais, tanto o algoritmo de criptograﬁa AES quanto o algoritmo pro-

posto na Ref. [33] utilizam uma chave, isto é, uma senha para acesso aos dados de down-

stream. Essa chave é renovada periodicamente e o OLT é responsável por solicitar à ONU

que crie uma nova chave. No caso do padrão GPON, quando a OLT envia a mensagem

key_request_message, a ONU cria, armazena e envia três vezes consecutivas sua nova chave

para o OLT. Note que este envio ocorre sem criptograﬁa, simplesmente supondo que o

tráfego em upstream é seguro, porém, na prática, a direcionalidade da ODN é questionável.

Segundo operadores de redes americanas, a perda de retorno devido a conectores mal in-

stalados é bastante elevada [34], sendo muito frequente encontrar conectores mal instalados

em redes PONs em franco funcionamento [30].

Dessa forma, devido à fenômenos de reﬂexão na rede, é possível que uma

ONU mal intencionada, denominada Maliciosa, possa receber indevidamente o tráfego de

upstream de uma outra ONU, que será denominada Vítima. Como os dados trafegando

em upstream não estão criptografados, a ONU Maliciosa pode, inclusive, ter acesso a chave

da ONU Vítima, sem causar qualquer prejuízo ao tráfego de upstream, impossibilitando ao

operador da rede a capacidade de identiﬁcar qualquer falha de segurança.

2.2.3 ONU mascarada

Por ﬁm, o terceiro problema de segurança em TDM-PONs é conhecido como

mascaramento, o qual ocorre quando uma ONU Maliciosa ﬁnge ser uma ONU Vítima. Neste

caso, se a ONU Maliciosa tem acesso a toda informação de downstream e upstream da ONU

Vítima, como discutido na Seção 2.2.2, ela pode efetivamente identiﬁcar-se como sendo essa

ONU.

2.2.4 Esquema simulado e resultados

Como descrito nas Seções 2.2.1 a 2.2.3 os problemas de segurança nas redes TDM-

PONs envolvem sérias implicações e precisam de um estudo detalhado para uma melhor

compreensão dos aspectos a ela interligados. A ferramenta computacional utilizada nas

simulações para se mensurar até que ponto estes problemas de segurança estão presentes

nas redes TDM-PON já instaladas foi o software OptiSystem 8.0, desenvolvido pela empresa

Optiwave Systems Inc, Ottawa, Canadá. O programa OptiSystem 8.0 tem como propósito

permitir que sejam realizadas simulações de sistemas de telecomunicações, dentre outras

aplicações. Para isto, dispõe de várias bibliotecas com diversos componentes utilizados nos

sistemas reais, permitindo aos usuários planejar, testar e simular enlaces ópticos na camada

de transmissão de redes ópticas modernas [35].

A representação esquemática da rede a ser investigada nessa seção está mostrada

na Figura 2.3 [30]. Nela pode-se observar que a ONU Vítima está localizada a 1,6 Km de um

splitter de quatro portas e a ONU Maliciosa a cerca de 1,2 Km. O conector, representado

pela cor azul escura na Figura 2.3, conecta o divisor óptico passivo à ﬁbra que leva o sinal

até o OLT. As taxas de transmissão para análise do tráfego de upstream foram 155 Mbps,

622 Mbps e 1,25 Gbps.

Uma das classiﬁcações que pode ser feita para conectores é quanto ao tipo de

polimento que ele recebe na superfície de contato com a ﬁbra, que pode ser PC (Physical

Contact), UPC (Ultra Physical Contact) e APC (Angled Physical Contact) [36]. Os dois

últimos tipos são os mais utilizados em redes PON. Quando em perfeito estado, o conector

UPC apresenta perda de retorno (ORL) maior que 35 dB e o APC apresenta perda de

retorno maior que 55 dB (valores disponibilizados por fabricantes [37]). Porém, de acordo

com a Ref. [34], um conector UPC mal instalado pode apresentar perda de retorno de

somente 15 dB, enquanto um APC mal instalado apresentaria uma ORL pouco maior que

22 dB. Este intervalo de valores para a perda de retorno foi utilizado nas simulações.

As curvas da Figura 2.4 mostram as taxas de erro para as potências recebidas

na ONU Maliciosa com diferentes taxas. Em cada taxa foram feitas medidas back-to-back

para determinar a sensibilidade do receptor. Em 155 Mbps, por exemplo, a taxa de erro de

2,9x10

−10

(cujo logaritmo é -9.5) é obtida com uma potência recebida de -36,41 dBm. De

acordo com as medições back-to-back, esta BER é obtida com uma potência em torno de

-36,7 dBm. Percebe-se, com o gráﬁco, que a relação sinal-ruído desta conﬁguração não será

um empecilho para que a ONU maliciosa detecte o sinal de uma ONU vizinha.

Nos gráﬁcos da Figura 2.5 tem-se a BER para a faixa de valores de perda de

Figura 2.3: Esquema simulado para disposição da ONU vítima e ONU maliciosa.

retorno de conectores mal instalados mencionada anteriormente. A potência enviada pelo

transmissor da ONU Vítima é 0 dBm. Na situação proposta, com a taxa de 622 Mbps,

por exemplo, o conector tendo perda de retorno de 17 dB, o receptor da ONU Maliciosa

está apto a recuperar o sinal de upstream com uma BER de 2,2x10

−10

(cujo logaritmo

representado na ﬁgura é -9.6).

Para tornar mais evidente o problema, foram elaboradas duas tabelas. Na Tabela

2.1 é mostrada a potência necessária no transmissor da ONU Vítima para que a ONU

Maliciosa consiga receber os dados com uma taxa de erro de 10

−9

. Três valores de ORL do

conector foram considerados: 15 dB, 20 dB e 25 dB. Para efeito de comparação, a Tabela

2.2 mostra a potência máxima no upstream para as classes A, B e C descritas na norma

GPON. Observando-se as duas tabelas, percebe-se que uma BER melhor que 10

−9

pode ser

atingida quando a ORL do conector for 15 dB em quaisquer das três taxas (155 Mbps, 622

Mbps e 1,25 Gbps) para potências de upstream da classe A. Com ORL de 20 dB, a BER

de 10

−9

poderia ser alcançada também pelas três taxas, sendo que para taxas de 155 Mbps

e 622 Mbps seria necessário que a rede fosse enquadrada na classe B, enquanto que para a

taxa de 1,25 Gbps a rede deveria ser enquadrada na classe C.

Deve-se observar que taxas de erro de bit maiores que 10

−9

podem ser suﬁcientes

para que ONUs Maliciosas possam decifrar a informação de upstream de outras ONUs, o

Figura 2.4: BER para potências recebidas pela ONU maliciosa e medições back-to-back

Taxa Potência necessária com ORL do conector de

155 Mbps

622 Mbps

1,25 Gbps

15 dB 20 dB 25 dB

-5,3 dBm -0,3 dBm +4,7 dBm

-2,3 dBm +2,69 dBm +7,69 dBm

-0,7 dBm +4,3 dBm +9,3 dBm

Tabela 2.1: Potência necessária para atingir uma BER de 10-9

que torna o problema mais crítico. Se necessário, ONUs Maliciosas podem, ainda, utilizar

receptores do tipo APD e ampliﬁcadores para aumentar a sensibilidade e assim detectar

os dados trafegando na rede.

Dessa forma, ﬁca claro que o tráfego em upstream de TDM-PONs não é seguro e

há necessidade de criptograﬁa.

2.2.5 Estudo de novos cenários

O esquema simulado na Seção 2.2.4 baseava-se, como mencionado, no cenário

proposto por [30]. Para complementar as simulações relativas à segurança foram elaborados

Figura 2.5: Taxa de erro para diversos valores de ORL de conectores mal instalados.

Potência máxima

Taxa

155 Mbps

622 Mbps

1,25 Gbps

Classe A Classe B Classe C

-0 dBm +2 dBm +4 dBm

-1 dBm +4 dBm +4 dBm

+2 dBm +3 dBm +7 dBm

Tabela 2.2: Potência máxima no upstream - norma GPON [25]

novos cenários com splitters de 8, 16 e 32 portas. Porém, antes de mostrar os resultados,

uma discussão sobre o orçamento de potência será feita.

Inicialmente, considere o esquema mostrado na Figura 2.3, onde um divisor de 4

portas foi utilizado. O orçamento de potência está mostrado na Tabela 2.3. Considerando

uma potência transmitida de 0dBm pelo transmissor da ONU Vítima, a potência que entra

no splitter (sentido upstream) é -0,78 dBm, sendo a perda resultante da atenuação sofrida

em 1,6 Km de ﬁbra.

Na saída do splitter (antes do sinal chegar ao conector de cor azul na Figura 2.3),

a potência é reduzida para -8,3 dBm. Para compreender a perda inserida por um divisor

Potência do transmissor da ONU Vítima 0 dBm

Potência na saída da ﬁbra -0,78 dBm

Potência na saída do spliter (antes do conector) -8,3 dBm

Potência reﬂetida pelo conector -28,3 dBm

Potência na saída do spliter -35,8 dBm

Potência na saída ﬁbra -36,4 dBm

BER da ONU maliciosa 2,9×10

−10

Tabela 2.3: Orçamento de potência para splitter de 4 portas

Figura 2.6: Representação de um splitter 1x4 formado por três acopladores

óptico, deve-se imaginá-lo como um conjunto de acopladores. No caso do splitter 1x4,

observe a Figura 2.6, onde o sinal provindo de uma dada porta atravessa dois acopladores.

Considerando-se que a perda de um acoplador é 3 dB, já que divide a potência óptica de

entrada pela metade em cada uma das portas de saída, a perda gerada pelos dois acopladores

é 6 dB. Soma-se a isso a perda de inserção do dispositivo, cujo valor atribuído foi 1,5 dB

(valor compatível com dispositivos disponibilizados no mercado [38]). Dessa forma, a perda

total sofrida no splitter é 7,5 dB, o que explica a redução de potência do sinal mostrada na

Tabela 2.3.

Ao sair do splitter, a maior fração do sinal atravessa o conector e é transmitida

pela ﬁbra até chegar no OLT. Porém, como mencionado, uma porção do sinal é reﬂetida

por este conector. Considerando uma perda de retorno de 20 dB para um dispositivo mal

instalado (valor atribuído neste exemplo de orçamento de potência), a potência do sinal que

seria reﬂetida seria -28,3 dBm. Novamente, o sinal passa pelo divisor óptico, porém agora

no sentido de downstream. A mesma perda de 7,5 dB faz com que o sinal saia em cada uma

das quatro portas do splitter com potência de -35,8 dBm. A atenuação em 1,2 Km de ﬁbra

óptica faz com que o sinal diminua sua potência para -36,4 dBm e a taxa de erro calculada

foi 2,9 x 10

−10

Deve-se observar que neste tipo de simulação a perda mais signiﬁcante é a pro-

porcionado pelo splitter, já que o sinal passa por ele duas vezes. Tendo isso em vista, a

análise agora é feita para um cenário com splitter 1x32. A Figura 2.7 mostra a quantidade

de acopladores utilizados por este divisor óptico. O sinal provindo de uma porta de entrada

passa por cinco acopladores para alcançar a porta de saída, ou seja, a perda devido aos

acopladores é de 15 dB. Somada a perda de inserção, o valor total de perda no dispositivo

é 16,5 dB.

Figura 2.7: Representação de um splitter 1x32 formado por diversos acopladores

A Tabela 2.4 mostra o orçamento de potência para um esquema semelhante ao

mostrado na Figura 2.3, porém agora com a utilização de um divisor de 32 portas. A

potência que chega na ONU Maliciosa é muito baixa, logo a taxa de erro é 100%.

Como mencionado no início desse Capítulo, um número convencional de ONUs

por OLT são 32. Se nas TDM-PONs fossem utilizados somente splitters de 1x32, então,

Potência do transmissor da ONU Vítima 0 dBm

Potência na saída da ﬁbra -0,78 dBm

Potência na saída do spliter (antes do conector) -17,3 dBm

Potência reﬂetida pelo conector -37,3 dBm

Potência na saída do spliter -53,9 dBm

Potência na saída ﬁbra -54,5 dBm

BER da ONU maliciosa -

Tabela 2.4: Orçamento de potência para splitter de 32 portas

Taxa de

transmissão

155 Mbps 622Mbps 1,25 Gbps

Potência Máxima 4 dBm 4 dBm 7 dBm

BER 1,2 x 10

−3

- -

Tabela 2.5: Orçamento de potência para splitter de 16 portas

como observa-se na Tabela 2.4, não tería-se problemas relativos à reﬂexão de conectores

mal instalados. Porém, em redes TDM-PON já instaladas pode-se encontrar splitters em

cascata, ou seja, um divisor óptico ligado a outro na rede. Por exemplo, um splitter de

8 portas conectado a um splitter de 4 portas acomoda 32 ONUs. Deve-se observar que o

divisor de interesse é somente aquele ligado a ONU Vítima e a ONU Maliciosa, logo em

uma rede em que tem-se um divisor de 8 portas conectado a um divisor de 4 portas, tería-se

a situação ilustrada na Figura 2.3.

Por esta razão, foram feitas simulações com splitters de 8 e 16 portas. As Tabelas

2.5 e 2.6 mostram a taxa de erro de bit nestes dois esquemas para as taxas de transmissão

de 155 Mbps, 622 Mbps e 1,25 Gbps. No caso do esquema com divisor óptico de 16 portas,

foi utilizada a potência máxima deﬁnida pela norma GPON (vide Tabela 2.2) nestas três

taxas de transmissão, porém somente com 155 Mbps a ONU Maliciosa pôde detectar o sinal,

embora a BER tenha sido bastante elevada (10

−3

). Com divisor óptico de 8 portas, a ONU

maliciosa já pode detectar o sinal proveniente da ONU Vítima com taxas de erro baixas.

Taxa de

transmissão

155 Mbps 622Mbps 1,25 Gbps

Potência

1 dBm

max: 4 dBm

4 dBm

5 dBm

max: 7 dBm

BER 1,1 x 10

−9

1,6 x 10

−10

3,5 x 10

−8

Tabela 2.6: Orçamento de potência para splitter de 8 portas

2.3 WDM-PON

Embora a rede TDM-PON seja uma boa alternativa para prover acesso banda larga

ao usuário ﬁnal, ela tem duas grandes desvantagens: a primeira é relativa a segurança, como

mostrado na seção anterior. A outra desvantagem reside no fato da rede não ser escalável

devido à perda por divisão de potência nos divisores ópticos, o que limita o número possível

de ONUs. Com o objetivo de superar estas diﬁculdades pode-se, por outro lado, usar

multiplexação por divisão de comprimento de onda, aumentando a largura de banda de

uma PON e melhorando o orçamento de potência. Estas redes recebem o nome de redes

WDM-PONs.

Podem-se identiﬁcar na literatura atual três vertentes principais para os sistemas

WDM-PON.

• A primeira delas consiste no uso de múltiplos comprimentos de onda, todos localiza-

dos dentro da banda-passante dos divisores de potência de uma TDM-PON [39]-[41].

Essa é a alternativa mais imediata para migração de uma rede óptica passiva TDM

para uma rede óptica passiva WDM, e um de seus principais centros de estudo é a

Universidade de Stanford. Porém, o uso de receptores e/ou transmissores ópticos sin-

tonizáveis impõe diﬁculdades tanto no ponto de vista tecnológico quanto ﬁnanceiro. O

estudo desta alternativa constitui num tópico de interesse e remete a possíveis futuras

investigações.

• A segunda vertente emprega o conceito de WDM-PON para sistemas de ultra-longa

distância e é denominada SuperPON. Embora não seja o foco deste trabalho, no próx-

imo capítulo, seção 3.3, será apresentada uma breve discussão sobre essa alternativa.

• A terceira vertente está mostrada esquematicamente na Figura 2.8. Este conceito de

rede WDM-PON, certamente, é o que se impõe na literatura e que se constitui no foco

do trabalho [42]-[44]. A topologia lógica é a ponto-a-ponto, diferentemente da PON

convencional, e o sistema reúne múltiplos comprimentos de onda tanto no sentido

downstream como no upstream. Neste esquema, diferentes ONUs podem operar em

diferentes taxas de bits. Logo, uma variedade de serviços pode ser oferecida em uma

mesma rede. O elemento principal de uma rede WDM-PON é o Arrayed Waveguide

Grating (AWG), que faz o roteamento do sinal óptico de uma porta de entrada para

uma dada saída, baseado no comprimento de onda do sinal [21].

Figura 2.8: Esquema idealizado de uma WDM-PON [45]

Como mostrado na Figura 2.8, uma fonte de múltiplos comprimentos de onda na

OLT é usada para transmitir os comprimentos de onda que serão roteados para as diversas

ONUs no sentido downstream. Por outro lado, no sentido upstream, a OLT é equipada com

um demultiplexador WDM para receber os comprimentos de onda das ONUs. As transmis-

sões downstream e upstream ocorrem nas janelas de 1500 nm e 1300 nm, respectivamente.

Em cada janela, a separação dos comprimentos de onda é por WDM denso, sendo um

espaçamento típico entre os comprimentos de onda da ordem de 100 GHz.

A rede WDM-PON é a mais promissora solução para o gargalo das redes de teleco-

municações [46]-[47]. Porém, antes da implementação de uma rede WDM-PON, é necessário

que existam estágios intermediários. O preço de uma rede ponto a ponto é muito elevado, e

o cenário mundial atual ainda não exige toda a banda fornecida por estas redes, o que acaba

inibindo o interesse dos usuários e sua disseminação comercial. O primeiro passo, então, é

a diminuição de custos. Com este pensamento, foram propostas algumas arquiteturas de

redes WDM-PON que provêem uma elevada largura de banda e ainda possibilitam que, no

futuro, com o surgimento de novos serviços, as redes sejam adaptadas para o formato ponto

a ponto.

Conforme será descrito em detalhe no próximo capítulo, as arquiteturas WDM-

PON propostas na literatura, em sua maioria, utilizam uma mesma lógica para o tráfego

no sentido downstream: cada ONU recebe um canal de comprimento de onda. Quanto ao

upstream, deve-se levar em consideração que o preço dos equipamentos para as ONUs deve

ser relativamente baixo. De forma complementar, a utilização dos mesmos equipamentos

em todas as ONUs evita diﬁculdades de gerenciamento e manutenção. Arquiteturas mais

recentes têm se preocupado também com a questão da compatibilidade com os sistemas já

em uso.

2.3.1 Por que utilizar WDM-PON ?

O desenvolvimento do ADSL proporcionou um rápido aumento no número de

usuários de redes de banda larga, sendo o principal atrativo inicial ao acesso à Internet.

À medida que o número de usuários da rede e a largura de banda aumentam, o conteúdo

das páginas web vem deixando de ser baseado em texto e passando a ser baseado em

conteúdo multimídia. O estereótipo padrão do usuário de Internet vem também mudando,

deixando de apenas navegar na rede e passando a usá-la principalmente para download e

compartilhamento deste conteúdo multimídia [48].

O aumento no tráfego de dados acontece em grande escala. Estima-se que essa

taxa de crescimento é algo em torno de 100% por ano desde a década de 90 [49]. Pesquisas

de mercado mostram que após o upgrade para uma conexão de banda larga, de 56 Kbps

do modem convencional para 1 Mbps, por exemplo, o usuário passa 35% a mais de tempo

on line do que antes [50]. A Telcordia previu que, em 2010, 50% da receita das grandes

companhias telefônicas será baseado em serviços de vídeo [51].

Como já mencionado, existe uma tendência para o estabelecimento de um serviço

triple-play. Há pouco tempo atrás, voz, vídeo e dados eram distribuídos aos usuários em

redes separadas, a saber:

• redes telefônicas públicas comutadas (PSTN),

• redes de televisão a cabo (CATV)

• e DSL, principalmente.

No Brasil, empresas como a NET já disponibilizam estes serviços em uma única

rede, porém a taxa máxima oferecida é 12 Mbps a um custo de quase R$ 400,00 mensais

[52]. Percebe-se, então, que o principal objetivo da implantação do serviço triple-play, ou

seja, a diminuição de custos, ainda não foi alcançada.

Paralelamente a isso, aplicações emergentes, tais como Video on Demand (VoD),

HDTV, cinema digital, educação sob demanda (EoD), esquemas de vigilância on line, games

on line interativos e transmissão de áudio com alta qualidade, requerem uma alta largura de

banda tanto no downstream quanto no upstream. Outros serviços que devem ser atendidos

pela próxima geração de redes de acesso estão descritos em [53].

Alguns estudos citam que sejam necessários mais de 75 Mbps para disponibilização

de todos esses requisitos aos usuários (vide Tabela 2.7), outros apontam para valores de

100 Mbps bidirecionais [47],[54]. Taxas desta magnitude não podem ser alcançadas pelas

tecnologias de acesso xDSL e CATV.

A ﬁbra óptica apresenta-se como a alternativa para as redes de acesso. Embora as

TDM-PONs proporcionem um custo menor na instalação e manutenção, elas não exploram

completamente a vasta largura de banda oferecida pelas ﬁbras, algo que seria alcançado

somente com a tecnologia WDM. Por exemplo, enquanto uma TDM-PON poderia oferecer

2,5 Gbps através de um canal óptico para 32 usuários, uma WDM-PON poderia oferecer

2,5 Gbps para cada cliente através de 32 comprimentos de onda. Adicionalmente, o divisor

óptico passivo eleva signiﬁcativamente a perda efetiva na rede, ao contrário do AWG que

insere sua perda de inserção (em torno de 3,5 dB a 5 dB [55],[56]), não ocorrendo divisão

de potência.

Serviços

Largura de banda

(Mbps)

Três canais de HDTV 60

Internet 10

Vídeo Conferência (telefone) 2

Telemetria / controle remoto 1

Total > 75

Tabela 2.7: Largura de banda necessária para alguns serviços [48]

TDM-PON WDM-PON

EPON BPON GPON

Padrão IEEE 802.3ah ITU G.983 ITU G.984 Nenhum

Protocolo Ethernet ATM GEM/ATM Não necessário

Largura de

banda máxima

1 Gbps 622 Mbps 2.488 Gbps

Ilimitada

(restrições físicas

do equipamento)

Usuários/PON 16 32 64

Limitado pelo

número de

portas do AWG

Largura de

banda média

por usuário

60Mbps 20Mbps 40Mbps

Ilimitada

(restrições físicas

do equipamento)

Vídeo RF / IP RF RF / IP RF / IP

Custo relativo Muito baixo Baixo Médio Alto

Capacidade

de upgrade

Difícil Difícil Difícil Fácil

Tabela 2.8: Principais características das tecnologias PON [57,58]

Para efeito de comparação, a Tabela 2.8 resume algumas das principais caracterís-

ticas das redes TDM-PON e WDM-PON [57],[58].

Arquiteturas híbridas TDM/WDM PON logo serão necessários para suprir a de-

manda exigida por um número cada vez maior de usuários e, no passo seguinte, a WDM-

PON será a tendência natural para as redes de acesso. O grande empecilho atualmente

para implantação dessas redes é o elevado custo de seus equipamentos. Porém, esquemas

viáveis vêm sendo propostos na literatura, como será discutido no Capítulo 4.

2.4 GPON x WDM-PON

No decorrer da presente seção, o software OptiSystem 8.0 será empregado para

uma análise comparativa entre redes TDM-PON e uma versão idealizada da rede WDM-

PON. Versões mais realistas das redes WDM-PON serão discutidas nos próximos capítulos.

2.4.1 Rede WDM-PON

A rede WDM-PON investigada nesta seção está representada esquematicamente

na Figura 2.8. Nela pode-se observar que, no OLT estão presentes uma fonte WDM e um

receptor WDM.

Para um melhor entendimento,

1. A fonte WDM pode ser representada por um array de 32 lasers DFB ("Distrib-

uted Feedback Laser") com modulação NRZ ("Non Return to Zero"), onde são considerados:

• Comprimento de onda central de 1550 nm e espaçamento de 100 GHz.

• Taxas simétricas para downstream e upstream de 1,25 Gbps, 2,5 Gbps e 10 Gbps, e

• Taxas de 2

bits para o gerador de sequência de bit pseudo-randômico (PRBS).

2. O receptor WDM é composto por um demultiplexador capaz de separar cada um

dos 32 comprimentos de onda utilizados no upstream e encaminhá-los para seus respectivos

fotodetectores PIN, cuja responsividade é da ordem de 1 A/W. A Figura 2.9 mostra, à

esquerda, o espectro obtido na saída de um único laser, e à direita, o espectro na saída do

multiplexador.

Alguns outros parâmetros de importância para a simulação são discutidos a seguir.

• A distância entre o OLT e o AWG é de 20 Km.

• Os valores considerados de atenuação e dispersão na ﬁbra bidirecional para

Figura 2.9: Espectro de saída (a) de um laser, (b) do multiplexador do OLT

— o comprimento de onda de 1550 nm são de 0,2 dB/Km e 16,75 ps/(nm.km),

respectivamente, e para

— o comprimento de onda de 1310 nm, utilizada para o upstream, são de 0,5 dB/Km

e 0 ps/(nm.km), respectivamente.

Para tornar os cálculos mais realistas, a simulação incluiu os efeitos não lineares,

dos quais destacamos:

• Modulação de Fase Cruzada (XPM),

• Automodulação de Fase (SPM),

• Espalhamento Raman (SRS),

• espalhamento Brillouin (SBS) e

• Mistura de Quatro Ondas (FWM).

No entanto, observou-se que a inﬂuência desses efeitos nas simulações não foi

detectada.

Um outro ponto que merece destaque é a utilização do recurso que simula, no

programa OptiSystem 8.0, o uso do AWG na rede. De fato, na rede real, o AWG localizado

no nó remoto (RN) apresenta 1x32 portas, entretanto o OptiSystem 8.0 não disponibiliza

um AWG 1x32 portas, fornecendo apenas um de 32x32 portas. Sendo assim, para a uti-

lização dos recursos disponíveis no software de simulação, deve-se selecionar corretamente a

porta de entrada do dispositivo, considerando-se o sentido upstream, no qual determinado

comprimento de onda deve entrar. Fazendo-se, portanto, a combinação correta da porta

de entrada com o comprimento de onda, é possível que todos os canais ópticos saiam em

uma mesma porta. Dessa forma, as outras N-1 portas não são utilizadas e o dispositivo

comporta-se como sendo um AWG 1xN, não acarretando em restrições na sua utilização.

Relativo ao AWG, cabe comentar os seguintes parâmetros:

• Largura de banda por canal de 70 GHz,

• Perda de inserção de 3,5 dB,

• Perda de retorno de -65 dB e

• Filtro retangular (todos esses valores compatíveis com AWGs disponíveis no mercado

[55]-[56]).

Especiﬁcamente, cada porta de saída do AWG na direção de downstream apre-

senta um comprimento de onda diferente que será encaminhado para a respectiva ONU.

Além disso, cada ONU está equipada com um fotodetector PIN para receber o sinal de

downstream, e um laser DFB é colocado em cada cliente. Os 32 comprimentos de onda de

upstream atuam na janela de 1310 nm e são espaçados em 100 GHz. Eles são multiplexados

no AWG e percorrem a ﬁbra até chegar ao OLT. Vale ressaltar que a periodicidade do AWG

permite que seja utilizado por diferentes janelas espectrais.

A Figura 2.10 mostra o diagrama de olho obtido pelo programa Optisystem 8.0

para o sinal de downstream da ONU 1, considerando a potência de -13 dBm do laser no

OLT a uma taxa de 1,25 Gbps.

Como pode ser observado analisando-se a Figura 2.10, o diagrama de olho apre-

senta aspecto relativamente satisfatório e, de acordo com o software, corresponde a taxa de

Figura 2.10: Diagrama de olho para ONU 1

erro de bit (BER) de 10

−12

, valor típico recomendado atualmente para transmissão livre de

erro.

A Figura 2.11 mostra o gráﬁco da varredura de potências transmitidas em 20Km

de ﬁbra, utilizando-se para tanto o canal que apresenta o pior desempenho, ou seja, a maior

taxa de erro de bit entre todos os 32 canais no sentido downstream. Como esperado, uma

menor taxa de erros de bit requer uma maior potência. Sendo assim, para prover uma BER

de 10

−12

, tem-se que, para uma taxa de:

• 1,25 Gbps, requer uma potência de -13,5 dBm,

• 2,5 Gbps, requer uma potência de -12,0 dBm, e

• 10 Gbps, requer uma potência de - 9,2 dBm.

De um ponto de vista mais especíﬁco, de modo a validar as simulações realizadas,

foi efetuado o cálculo do orçamento de potência para o comprimento de onda de 1537,4

nm com taxa de 2,5 Gbps no sentido downstream. De fato, como pode ser observado na

Tabela 2.9, após 20km de ﬁbra a potência é reduzida em 4,3 dB, o qual pode ser considerado

um resultado consistente levando-se em conta a atenuação sofrida por este comprimento de

Figura 2.11: Varredura de potências para 1,25 Gbps, 2,5 Gbps e 10 Gbps

Potência no

transmissor

(OLT)

Potência na

saída da

ﬁbra (20km)

Potência na

saída do

AWG

Taxa de

erro de

bit (ONU)

1537,4 nm -12,5 dBm -16,8 dBm -20,3 dBm 1, 2x10

−10

Tabela 2.9: Orçamento de potência

onda. A perda de inserção do AWG é de 3,5 dB, dessa forma a potência foi reduzida de -16,8

dBm para -20,3 dBm na saída do dispositivo. Finalmente, através de medições back-to-back

para veriﬁcar a sensibilidade do receptor, observou-se que para uma potência de -20,3 dBm

a BER encontrada foi 1,7x10

−10

, resultado compatível com o apresentado na Tabela 2.9.

A Figura 2.12 mostra o comportamento de cada um dos 32 comprimentos de onda

utilizados, com uma taxa de 2,5 Gbps em 20 Km, para as mesmas potências do resultado

anterior.

O padrão ITU-T G.984 deﬁne algumas classes de redes PON de acordo com a

perda na ﬁbra, potência enviada, sensibilidade do receptor e BER estipulada. Para a Classe

A, a perda total na rede de distribuição está na faixa de 5,0 a 20,0 dB. Dessa forma, a rede

WDM-PON simulada em 20 Km pode se enquadrar nesta classe. A potência mínima de

um transmissor no OLT a uma taxa de 1,25 Gbps deﬁnida para esta classe é -4 dBm. Para

Figura 2.12: BER dos 32 canais a 2,5Gbps em 20Km

avaliar o alcance da rede WDM-PON, fez-se uma varredura de distâncias com os lasers do

array no OLT operando a -4,0 dBm. Os resultados estão mostrados na Figura 2.13, na qual

o canal com pior desempenho é mostrado.

De acordo com a Figura 2.13, considerando-se o valor de BER máximo 10

−12

e taxa

de 2,5 Gbps, por exemplo, pode-se alcançar uma distância de aproximadamente 58 Km. Os

gráﬁcos foram feitos considerando-se o sentido downstream, sendo importante ressaltar que

para o upstream, banda de 1300 nm, deve-se levar em consideração que o valor da atenuação

é maior, logo o alcance é menor. Adicionalmente, vale à pena observar que a inserção

de efeitos não-lineares nos sistemas investigados não inﬂuenciaram o comportamento dos

canais.

Figura 2.13: Varredura de distâncias com potência de -4,0 dBm

2.4.2 GPON

A estrutura da rede GPON analisada nesta seção, e simulada a partir do software

Optsystem 8.0, assemelha-se à rede WDM-PON descrita na seção anterior, na qual um OLT

é conectado a 32 ONUs, porém, agora através de um divisor óptico passivo, em lugar do

AWG.

A seguir, são descritos os parâmetros de interesse para a simulação completa da

rede:

• No OLT é utilizado um laser DFB com comprimento de onda de 1490 nm, modulação

NRZ e gerador PRBS com 2

bits.

• Na ONU, para o upstream, é usado um laser semelhante operando em 1310 nm.

• A ﬁbra óptica é a mesma da simulação anterior.

• Foram utilizadas as taxas de transmissão de:

— 1,25 Gbps,

— 2,5 Gbps e

— 10 Gbps.

Como já discutido no Capítulo 2, redes TDM-PON compartilham a largura de

banda no tempo, de modo que, enviando-se 1,25 Gbps para 32 ONUs, tem-se como taxa

individual 40 Mbps.

O splitter localizado no RN possui perda de inserção de 1,5 dB, valor compatível

com dispositivos disponibilizados no mercado [38]. Esse dispositivo divide a potência no

sentido downstream, fazendo com que o requerimento da potência enviada pelo OLT seja

bem maior do que na WDM-PON, como pode ser observado na Figura 2.14. Para obter-se

uma taxa de erro de 10

−12

a 1,25 Gbps na GPON a potência enviada no transmissor do

OLT necessita ser cerca de -1,0 dBm, enquanto que na rede WDM-PON essa potência seria

aproximadamente de -13,5 dBm.

Figura 2.14: Varredura de potências para GPON em 20Km

A Figura 2.15 ilustra como é tratada a questão do compartilhamento de

tempo no sentido upstream, onde cada um dos 32 canais recebe uma janela temporal, como

mostrado no Visualizador Óptico no Domínio do Tempo (OTDV), e o splitter, atuando

como um combinador de potência, é o responsável por juntar toda a informação e enviá-la

ao OLT.

A Figura 2.16 mostra o espectro de saída do divisor no sentido upstream.

Figura 2.15: OTDV na saída (a) da ONU 1, (b) da ONU 12 e (c) do splitter.

Percebe-se que existe uma potência residual no comprimento de onda 1490 nm, utilizado

no downstream, devido à perda de retorno do dispositivo, no caso, 65 dB. Implicações a

respeito dessa perda de retorno foram discutidas anteriormente.

Comparando-se o esquema WDM-PON apresentado na seção 2.4.1 com o esquema

GPON mostrado nesta seção pode-se concluir que para uma mesma taxa de transmissão,

a potência a ser transmitida pelo laser de uma TDM-PON deve ser bem maior que a

transmitida pelo laser da WDM-PON. Como já mencionado, essa diferença é ocasionada

principalmente pelo dispositivo utilizado no nó remoto (divisor óptico passivo ou AWG).

De forma complementar, as taxas efetivas de cada ONU em um esquema TDM-PON são

relativamente menores do que as taxas que podem ser alcançadas pelas ONUs em sistemas

Figura 2.16: Espectro de saída do splitter no sentido upstream

WDM-PON.

2.5 MigraçãoTDM-PON para WDM-PON

Um esquema de migração de TDM-PONs para a WDM-PON de interesse para este

trabalho foi proposto por Choi et al [59]. Na rede já instalada, mostrada na Figura 2.17,

o divisor conecta 8 ONUs. As faixas de comprimento de onda utilizadas no downstream e

no upstream são 1480 - 1500 nm e 1260 - 1360 nm, respectivamente. Dessa forma, para o

upgrade, devem-se utilizar bandas diferentes. A TDM-PON em questão pode ser BPON,

EPON ou GPON.

Para realização desse esquema de migração sem mudar substancialmente a estru-

tura 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, ele está presente no OLT e no RN (WC

e WC

), como

mostra a Figura 2.18. A perda inserida para cada WC foi de 1 dB. A banda C (1540,94

Figura 2.17: Rede TDM-PON já instalada com OLT conectado a 8 ONUs

nm - 1546,89 nm) e a banda L (1589,76 nm - 1595,89 nm) foram utilizadas para prover os

comprimentos de onda de upstream e downstream, respectivamente.

Para o upgrade, inseriu-se no OLT uma fonte óptica gerando 16 novos comprimen-

tos de onda, que através do WC

integram-se ao λ

e são lançados na ﬁbra. No RN, o WC

separa os novos comprimentos de onda e os envia para a porta de entrada do AWG, enquanto

o λ

continua conectando-se ao divisor óptico passivo. Dessa forma, ter-se-ia um aumento

do número de usuários aproveitando-se o máximo possível da estrutura já instalada.

Figura 2.18: Esquema de migração de TDM-PON para WDM-PON

Quando um usuário antigo desejar receber os serviços de próxima geração (que

precisam de um λ dedicado), sua conexão correspondente na ﬁbra de distribuição pode ser

trocada do divisor para o AWG, como se pode observar na Figura 2.19 na ONU antiga que

recebe o λ

Caso o usuário deseje usufruir dos serviços correntes (até então providos pelo

divisor) e também os serviços de nova geração, será então necessário acrescentar-se mais 2

WCs, um no RN e outro na própria ONU, como se pode observar na segunda ONU antiga,

que recebe o λ

e λ

Figura 2.19: Esquema de migração de TDM-PON para WDM-PON com duas propostas de

upgrade para ONUs antigas

Alternativamente, outra forma de upgrade pode ser implementada para as ONUs

já instaladas utilizando-se um esquema semelhante. Um dos comprimentos de onda novos

gerado pela fonte óptica inserida no OLT passará a pertencer a mesma banda do compri-

mento de onda gerado pelo OLT TDM-PON (no caso, o λ

). Como pode ser observado na

Figura 2.20, dois comprimentos de onda vão passar pelo WC

em direção ao splitter: o λ

que já era utilizado anteriormente para prover os serviços legados, e o λ

. Os demais com-

primentos de onda gerados vão seguir do WC

para o AWG, sendo utilizados pelas ONUs

novas. Dessa forma, este esquema de upgrade além de adicionar novos usuários com canais

ópticos dedicados, duplica a largura de banda dos clientes antigos.

Figura 2.20: Alternativa de upgrade com esquema duplicando largura de banda das ONUs

legadas

Capítulo 3

WDM-PON: componentes e

topologias

Como discutido no capítulo anterior, a literatura tem buscado propor e aper-

feiçoar arquiteturas que tornem os sistemas WDM-PON mais viáveis economicamente.

Dessa forma, após análise de uma rede WDM-PON ideal, efetuada no capitulo anterior,

este capítulo descreve as principais arquiteturas, mostrando as propostas originais e suas

variações recentes. Porém, antes de descrever as arquiteturas existentes, serão discutidos

na Seção 3.1 alguns aspectos relativos aos seus principais componentes: o AWG e a fonte

óptica multi-comprimento de onda. Por ﬁm, na Seção 3.3 será abordado brevemente uma

descrição de uma outra vertente WDM-PON: a SuperPON.

3.1 Principais componentes da rede WDM

3.1.1 Array Waveguide Grating (AWG)

O Array Waveguide Grating (AWG) é um dispositivo que exerce a função de

roteador passivo de comprimento de onda e assume um papel essencial nas redes WDM-

PON. O AWG é um dispositivo passivo que provê o roteamento ﬁxo de um sinal óptico a

partir de uma dada porta de entrada para uma determinada porta de saída, baseado no

comprimento de onda do sinal. Múltiplos comprimentos de onda de uma entrada podem ser

separados em diferentes portas de saída pelo AWG, podendo ainda combinar vários canais

de diferentes entradas em uma mesma saída. Uma grande vantagem do dispositivo é que ele

pode ser utilizado nas duas direções simultaneamente, exercendo os papéis de multiplexador

e demultiplexador, como mostra a Figura 3.1. Nesta ﬁgura, da esquerda para a direita, os

canais do set WDM na porta de entrada são separados nas portas de saída, ocorrendo o

inverso no sentido oposto. Isso mostra uma importante propriedade do AWG: a dependência

da resposta óptica com o comprimento de onda.

Figura 3.1: Característica bidirecional do AWG [60].

O AWG é construído a partir de uma tecnologia de guia de onda planar (Planar

Lightwave Circuit -PLC) e possui perda de inserção entre 3.5 e 5 dB [55],[56]. Ele possui uma

estrutura muito complexa, tipicamente muitos centímetros quadrados de área, compreen-

dendo múltiplos guias de onda. Suas dimensões básicas são determinadas principalmente

pelos seguintes parâmetros [61]:

• espaçamento do guia de onda receptor,

• comprimento da região de propagação livre (Free Propagation Region - FPR),

• incremento do comprimento do vetor de guia de onda (Arrayed Waveguide - AW),

• largura da abertura do AW

• e região espectral livre (Free Spectral Range - FSR).

No projeto de um AWG, além de tais características, outras questões importantes

devem ser levadas em conta, tais como: diafonia (crosstalk), perda de inserção e perda

dependente de polarização, discutidas em [62].

Uma segunda propriedade muito importante do AWG é o seu comportamento

periódico, mostrado na Figura 3.2. Dois sinais ópticos consecutivos que entram na porta x

e são roteados para a porta y separam-se por um intervalo de comprimento de onda ﬁxo, a

região espectral livre (FSR). Este intervalo é determinado pela construção do AWG. Dessa

forma, considerando um comprimento de onda λ

, as saídas de uma dada porta y seriam:

, λ

+F SR, λ

+ 2F SR, e assim por diante. Para a porta de saída y + 1, os canais

roteados a partir da porta x sofrem um deslocamento de ∆λ comparados a y. Dessa forma,

os comprimentos de onda na porta y + 1 são λ

+ ∆λ, λ

+ ∆λ + F SR, λ

+ ∆λ+ 2F SR,

e assim por diante [21].

Figura 3.2: O comportamento periódico do AWG

Analisando internamente um AWG, pode-se dividi-lo em cinco partes, como mostra

a Figura 3.3. A parte 1 representa os guias de onda de entrada (na ﬁgura, por questão de

simplicidade, apenas um guia é representado). A luz que entra por esses guias é acoplada

no vetor de guias de onda através de uma região de propagação livre (FPR), onde ocorre

difração (parte 2). Os guias de onda do vetor (parte 3) possuem diferentes comprimentos

(a diferença nos comprimentos de guias de ondas adjacentes é constante), implicando em

mudanças de fase diferentes para os comprimentos de onda que passam por essa região. Na

saída do guia, a luz atravessa outra FPR (parte 4), cuja ação combinada com o vetor de guias

ópticos proporciona a separação espacial dos comprimentos de onda, que são encaminhados

para os guias de onda de saída (parte 5).

Além de atuar como multiplexador e demultiplexador, o AWG pode exercer di-

versas funções, tais como: OADM (Optical Add-Drop Multiplexer — multiplexador óptico

que insere e retira comprimentos de onda) [63], OXC (Optical Cross-Connect — comutador

óptico) [63] e compensador de dispersão [64]. Porém a função mais importante desse dispos-

itivo, no que diz respeito às WDM-PONs, é o roteamento de comprimentos de onda NxN

[65],[66].

Figura 3.3: Estrutura interna do AWG

3.1.2 Fonte óptica multi-comprimento de onda

A fonte óptica multi-comprimento de onda é um dos dispositivos mais impor-

tantes na implementação de uma rede WDM-PON. Algumas propostas na literatura para

construção desta fonte incluem o vetor de lasers DFB, o laser multi-frequência e fontes óp-

ticas sintonizáveis em comprimento de onda [67]-[69]. Porém, estas alternativas apresentam

custo elevado, tornando-se inapropriadas para produção comercial em massa.

Uma opção que vem sendo amplamente estudada atualmente é o travamento

(injection-locking) de diodos lasers Fabry-Pérot (F-P LD) através da injeção do sinal de

ASE (Emissão Espontânea Ampliﬁcada) de um EDFA (Ampliﬁcador de Fibra Dopada com

Érbio). O conceito de travamento por injeção de laser é bem antigo (vide [70]), e, desde

que foi proposto como uma fonte de baixo custo para WDM-PON, muitos sistemas e re-

sultados experimentais foram publicados [71]-[72], inclusive por grandes empresas, como a

Samsung [73] e institutos de pesquisa como o KAIST [74]. Em 2005, um modelo teórico de

travamento por injeção de F-P LDs foi proposto baseado nas equações de taxa para o diodo

laser semicondutor [75].

Injetando-se uma banda estreita de um sinal de ASE devidamente ﬁltrado em um

laser Fabry-Pérot é possível obter-se uma saída monomodo, ao contrário da saída multimodo

convencional de um F-P LD. A Fig. 3.4 mostra a conﬁguração da fonte WDM. Observe que

o AWG localizado dentro da fonte óptica é responsável pelo fatiamento espectral (spectral

slicing), de modo que cada F-P LD receba uma pequena parte do espectro do sinal de ASE.

Figura 3.4: Fonte óptica baseada no esquema de travamento por injeção de F-P LD [76]

Sem a injeção de ASE no F-P LD, a saída multimodo do laser é mostrada na

Fig. 3.5-a. Depois que a luz é ﬁltrada pelo AWG, pode-se observar a presença de um pico

monomodo. Entretanto, os dados não podem ser transmitidos com sucesso, como se pode

ver no diagrama de olho (completamente fechado). Isso se deve ao fato de que a potência

de um modo particular ﬂutua aleatoriamente com o tempo, ﬂutuação essa gerada pela

propriedade aleatória da emissão espontânea acoplada a cada modo. Injetando-se no laser

uma fonte de luz banda larga fatiada espectralmente (BLS), a saída do F-P LD torna-se

praticamente monomodo, Fig. 3.5-b, resultando em um ótimo diagrama de olho.

Comparada às alternativas supracitadas, esta fonte WDM apresenta um menor

custo, já que se utiliza somente uma fonte ASE, um AWG e vários lasers Fabry-Pérot idên-

ticos, sendo, então, uma boa alternativa para o downstream [77]. Um esquema semelhante

a esse pode ser usado também para prover o tráﬁco de upstream, fazendo com que todas as

ONUs possuam os mesmos dispositivos para modulação (ou seja, seriam utilizados trans-

missores ópticosindependentes do comprimento de onda) e todas as fontes ópticas estariam

localizadas nas ONUs, de onde provêm as portadoras ópticas a serem moduladas. Este es-

quema será tratado na seção 3.2.3 e investigado mais detalhadamente no próximo capítulo.

A seguir, serão descritas as principais arquiteturas WDM-PON.

3.2 Arquiteturas WDM-PON

3.2.1 Composite PON

Uma das primeiras arquiteturas implementadas para resolver a questão da redução

de custos mencionada anteriormente nas PONs convencionais foi a Composite PON (CPON)

[78]. Esta arquitetura utiliza roteamento WDM para distribuir os sinais downstream, que

trafegam na banda 1550 nm, e faz combinação de potência para os sinais upstream, que

trafegam em TDM na banda 1300 nm. Dessa forma, a descida assemelha-se ao WDM-PON

ponto a ponto, enquanto que a subida assemelha-se a TDM-PON. Como o tráfego nesses

dois sentidos é separado por CWDM, a arquitetura necessita apenas de uma ﬁbra, embora

tenha sido proposta inicialmente com duas ﬁbras [79]-[80].

A Figura 3.6 mostra cada ONU possuindo um receptor e um transmissor de com-

Figura 3.5: Espectro de saída e o diagrama de olho: (a) antes do travamento de comprimento

de onda, (b) e depois do travamento de comprimento de onda [77].

primento de onda único (no caso, um laser Fabry-Pérot). Na direção de upstream utiliza-se

um protocolo TDMA, obrigando o OLT ser equipado com um receptor no modo rajada

(sendo este desnecessário na ONU devido ao fato de no downstream a transmissão ser con-

tínua). O receptor no modo rajada sincroniza os sinais dos relógios das ONUs que estão

localizadas em diferentes distâncias do OLT, sendo capaz de lidar com diversos níveis de

potência.

Em [81] é proposto um protocolo de controle de acesso ao meio (MAC) para CPON.

O esquema de rede adotado para utilização do protocolo possui 4 comprimentos de onda

espaçados por 400 Ghz, com taxa na descida de 622 Mbps e na subida de 155 Mbps, sendo

Figura 3.6: Diagrama esquemático de uma rede CPON [78]

utilizadas 16 ONUs.

3.2.2 Local Access Router Network (LARNET)

A LARNET é uma arquitetura WDM-PON baseada na utilização de uma fonte

banda larga de baixo custo nas ONUs, como, por exemplo, os diodos emissores de luz

(LEDs) [82]. Estes dispositivos, que emitem um espectro largo de comprimentos de onda,

apresentam como grande vantagem o preço, já que são equipamentos bem mais baratos do

que os lasers.

Cada porta de entrada do AWG, considerando o sentido upstream, recebe um

espectro largo e seleciona uma faixa do espectro para encaminhá-la à porta de saída (fatia-

mento espectral). Dessa forma, na saída, diversas faixas do espectro são observadas, cada

qual sendo enviada por uma ONU.

Nesta arquitetura, cada ONU tem sua própria portadora óptica para upstream

e, diferentemente da arquitetura CPON, todas as ONUs têm o mesmo dispositivo. Desse

modo, são utilizados transmissores ópticos colorless, isto é, transmissores que podem ser

utilizados em quaisquer ONUs do sistema independentemente do seu comprimento de onda

especíﬁco de operação.

Como desvantagens da LARNET podem-se citar: a alta perda por fatiamento

(slicing loss), que ocorre quando a luz do LED é transmitida através dos roteadores; a

diafonia gerada pelo AWG (já que no fatiamento espectral ele permite pequenos níveis de

potência de comprimentos de onda não desejados em cada canal) e também pelo demulti-

plexador na OLT; e a distância da OLT para cada ONU, que é consideravelmente reduzida

devido à falta de orçamento de potência gerada pelo fatiamento espectral no AWG. Como

se pode observar, o orçamento de potência nesta arquitetura é muito prejudicado.

Uma variação da arquitetura LARNET utilizando-se LEDs e EDFAs foi demon-

strada em [83]. Como proposto em [84], lasers Fabry-Pérot também podem ser usados em

redes PON como fonte banda larga para fatiamento espectral. Alternativamente, pode-

se usar também um LED superluminescente (SLED) [85] ou a emissão espontânea de um

EDFA [86].

Figura 3.7: LARNET [45]

3.2.3 Remote Interrogation of Terminal Network (RITENET)

A RITENET surge como uma alternativa para diminuir o custo das ONUs ao

excluir a necessidade de uma fonte óptica em cada uma delas [87]. Parte do sinal de

downstream é modulado na ONU e mandado de volta para o OLT, processo denominado

loop-back. Nesta porção do sinal óptico, o usuário insere seus dados e os envia. A outra

parte do sinal de downstream contém, evidentemente, a informação que será detectada por

um receptor da ONU.

Na proposta original, o sinal vindo do OLT foi dividido para downstream e up-

stream por divisão de tempo e, como o mesmo canal óptico foi usado nos dois sentidos de

tráfego, a arquitetura precisava ter duas ﬁbras separadas. Em [88], pode-se encontrar um

reﬁnamento deste esquema. A Fig. 3.8 mostra o esquema original da RITENET.

Figura 3.8: RITENET [45]

Como todas as fontes ópticas estão localizadas no OLT, a LARNET é também

referenciada como WDM-PON baseada em fontes ópticas centralizadas (centralized light

sources - CLS). Variações da WDM-PON baseada em CLS têm ganhado atenção nos últi-

mos anos e utilizam, para o upstream, moduladores ópticos alimentados por sinal de uma

fonte compartilhada [89]-[91]. Deve-se observar que todo o aparato para transmissão está

localizado no OLT, tornando o custo das ONUs reduzido.

Uma destas variações utiliza o travamento por injeção de laser Fabry-Pérot, que já

foi discutido anteriormente como uma boa alternativa para fonte óptica multi-comprimento

de onda para o OLT. Agora, esta técnica é aplicada no sentido de upstream [92]. O sinal

de travamento é localizado no OLT, enquanto o Fabry-Pérot a ser travado está situado na

ONU. Dessa forma, uma série de lasers idênticos e de baixo custo pode ser utilizada para

gerar quaisquer comprimentos de onda, implementando assim um esquema colorless (vide

Fig. 3.9).

Na Coréia do Sul, onde está implantada comercialmente uma WDM-PON, o trava-

mento por injeção de lasers F-P LD foi utilizado tanto no downstream (banda E, 1426 -1449

nm), quanto no upstream (banda C, 1534-1559 nm) [93]-[94]. Dessa forma, uma série de

lasers idênticos e de baixo custo foram utilizados para prover uma taxa de 100 Mbps.

A utilização de F-P LDs nas ONUs, no entanto, contraria o conceito de fontes

ópticas centralizadas. Pode-se, então, utilizar a técnica de travamento de F-P LDs de

forma que a rede seja ainda CLS: todos os lasers estariam localizados no OLT e as ONUs

possuiriam moduladores Mach-Zehnder, por exemplo. Uma comparação essas duas opções

será investigada no próximo capítulo.

Figura 3.9: Travamento por injeção de FP-LD no upstream [93]

Outra alternativa é a utilização de ampliﬁcador óptico semicondutor reﬂexivo

(RSOA) nas ONUs [90], [95]. Um dos primeiros trabalhos utilizando RSOAs nas ONUs

remodulando o sinal de downstream para obtenção do sinal de upstream foi publicado em

2005 [96]. Três anos mais tarde, esquema semelhante foi proposto em [97] utilizando-se F-P

LDs nos OLTs como fonte de onda contínua para injeção nos RSOAs das ONUs, provendo

uma taxa de 2,5 Gbps para upstream. Um RSOA para este tipo de aplicação pode ser

encontrado em [98] com o nome de SOA-RL-OEC-1550.

Pode-se, ainda, utilizar o modulador de eletro-absorção reﬂexivo (REAM) nas

ONUs (um dispositivo desse tipo pode ser encontrado em [98] com o nome de R-EAM-

1550). Com este modulador, taxas de modulação de dados de 10 Gbps (ou até mesmo 40

Gbps) são possíveis, porém, diferentemente do esquema com RSOAs, nenhuma ampliﬁcação

é feita nas ONUs [91], [99].

3.2.4 WDM-PON multi-estágios

As arquiteturas LARNET e RITENET sofrem duas limitações principais: diﬁcul-

dade quanto a escalabilidade do número de ONUs depois que a rede é instalada e limitação

da quantidade de usuários devido ao número de portas suportadas por um AWG. A arquite-

tura WDM-PON com multi-estágios [100]-[101] surge como uma alternativa para superação

destas limitações. Ela faz uso das propriedades de roteamento dos AWGs para colocá-los

em cascata, de modo que seja possível utilizar um dado comprimento de onda para mais de

um usuário.

Na rede, os AWGs têm o mesmo número de entradas e saídas, numeradas de 1 a

M. Quando um comprimento de onda entra a partir de uma dada entrada i e é roteado para

uma dada saída j, o AWG comporta-se como um ﬁltro periódico passa-banda, e sua função

de transferência de potência tem picos de repetição em um intervalo ﬁxo de comprimento

de onda, o FSR. A função de transferência para a entrada i + 1 para uma dada saída j

tem a mesma forma da função de transferência anterior (para i), mas é deslocado no eixo

do comprimento de onda pelo intervalo ∆λ. Como no AWG o mesmo comprimento de

onda pode ser usado em portas diferentes sem que ocorra interferência (outra propriedade

importante do dispositivo), é possível que o mesmo comprimento de onda seja utilizado por

ONUs diferentes.

A Fig. 3.10 representa o esquema de uma WDM-PON com múltiplos estágios

conectando U ONUs a um CO. A estrutura é composta por k estágios interconectados por

enlaces de ﬁbra óptica. Em cada estágio existe um AWG e todos eles são iguais. Dado o

número de ONUs que devemos conectar e o número de comprimentos de onda que queremos

transmitir a partir do CO, pode-se determinar todas as possíveis arquiteturas variando o

número de estágios, o número de AWGs por estágio, o número de entradas usadas e o

número de comprimentos de onda roteados por uma dada porta (esparsidade) do AWG.

Figura 3.10: Múltiplos estágios [100]

Entre todas essas possibilidades, deve-se encontrar a combinação ótima de parâmetros, isto

é, que minimize os custos (as técnicas de programação linear podem ser utilizadas).

A função de roteamento do AWG é deﬁnida como [101]:

j = 1 +



i − 1 +



f − 1





mod M

onde i, j e f representam a porta de entrada, porta de saída e o comprimento de onda,

respectivamente; M representa o tamanho do AWG, C a esparsidade (deﬁnida acima), e

mod o módulo; e i, j ∈ [1,M ] e f ∈ [1,∞] . O módulo M na equação é conseqüência da

propriedade periódica do dispositivo (FSR). Esta função de transferência do dispositivo foi

utilizada nas simulações com o software OptiSystem.

Para exempliﬁcar a facilidade no escalonamento proposta por esta arquitetura,

tem-se o exemplo da Fig. 3.11. Inicialmente, 2 lasers comunicam-se com 8 ONUs através

de um AWG 2× 8. Para adicionar mais usuários à rede reutilizando a arquitetura instalada,

pode-se adicionar 8 novos AWGs 1 × 4, tendo-se agora um total de 32 ONUs. Cada laser

que fornecia 4 comprimentos de onda, passa a oferecer 16 canais ópticos. A nomenclatura

utilizada para deﬁnir cada canal é a seguinte: em λ

, o subscrito 3 denota o número do

comprimento de onda e o sobrescrito 1 denota a fonte, ou seja, comprimento de onda 3 da

fonte 1. Dessa forma, as ONUs originais (ONU

a ONU

) continuam usando os mesmos

comprimentos de onda que usavam antes do upgrade (λ

a λ

e λ

a λ

Figura 3.11: Exemplo de escalabilidade na arquitetura Multi-Estágios [21]

3.2.5 Comparação entre as arquiteturas

A Tabela 3.1 [46] apresenta algumas características das arquiteturas supracitadas

para efeito de comparação. As siglas LB e Nu representam a largura de banda máxima de

downstream e o número de usuários, respectivamente.

Parâmetro CPON LARNET RITENET Multi-Estágios

Conﬁguração Estrela Estrela Estrela

Barramento

+ Estrela

Compartilha-

mento da ﬁbra

Compar-

tilhado ou

separado

Compar-

tilhado

Compar-

tilhado ou

separado

Compar-

tilhado ou

separado

Compartilha-

mento do λ de

downstream

1 λ / ONU 1 λ / ONU

Compar-

tilhado

1 λ / ONU

Compartilha-

mento do λ de

upstream

Compar-

tilhado

Compar-

tilhado

Compar-

tilhado

1 λ / ONU

Largura de

banda do

upstream

LB / Nu LB / Nu LB / Nu LB

Tabela 3.1: Comparativa das arquiteturas WDM-PON. Fonte: [46]

Em resumo, com base na análise das diversas arquiteturas, a literatura recente

têm se dedicado ao estudo de dispositivos colorless, nos quais, segundo [102], podem ser

classiﬁcados em dois esquemas: emisão local e suprimento remoto de comprimento de onda,

mostrados na Tabela 3.2.

3.3 SuperPON

Como mencionado capítulo anterior, uma das vertentes encontrada na literatura

para sistemas WDM-PON emprega a idéia de redes de longo alcance. Uma breve discussão

a seu respeito será feita a partir de agora.

A associação ACTS-PLANET (Advanced Communication Technologies and Ser-

vices — Photonic Local Access Network) foi criada em meados da década de 90 com o

objetivo de deﬁnir uma rede de acesso óptica de baixo custo para atender as necessidades e

desenvolvimentos dentro das telecomunicações nos próximos anos [103]-[104]. A arquitetura

Emissão Local

Suprimento

comprimento

remoto de

de onda

Fonte

Óptica

sintonizável

Fatiamento

espectral

Travamento

por injeção

Loop back

Conﬁgura-

ção da

ONU

Receptor

e laser

sintonizável

Receptor

e fonte

banda lar-

ga (BLS)

Receptor

e Fabry-

Pérot

Receptor,

modulador e

ampliﬁcador

Número

de ﬁbras

1 1 1 ou 2 1 ou 2

Coerência

da luz do

sinal de

upstream

Coerente Incoerente

Depende

da condi-

ção de tra-

vamento e

o tipo de luz

de alimen-

tação

Depende

do tipo

de luz de

alimen-

tação

Taxa de

transmis-

são típi-

10 Gbps

ou mais

2,5 Gbps 2,5 Gbps

2,5 Gbps

(1 ﬁbra) ou

10 Gbps

(2 ﬁbras)

Diﬁculda-

des

técnicas

Custo de

implemen-

tação

- Ruído da

BLS

- Tolerân-

cia a

dispersão

- Back

reﬂection

- SNR da

luz de

alimentação

- Não

travamento

- Back

reﬂection

- SNR da

luz de

alimentação

Tabela 3.2: Opções para implementação de WDM-PONs utilizando ONUs colorless. Fonte:

[102]

escolhida foi chamada de SuperPON. No projeto original, ela atende 2048 ONUs e cobre

uma área de 100 km por meio do uso de ampliﬁcadores ópticos. O sistema de transporte de

dados era baseado em células ATM (lembrando a ATM PON), sendo que para downstream

utiliza-se TDM (com uma taxa de transmissão de 2,5 Gbps) e para upstream utiliza-se um

protocolo TDMA (com uma taxa de 311 Mbps). A arquitetura não é propriamente passiva,

já que utiliza componentes ativos (como ampliﬁcadores ópticos) entre o OLT e as ONUs.

Porém essa desvantagem é compensada com o alcance e número de usuários da rede.

Nos últimos anos têm-se buscado simpliﬁcar a hierarquia das redes de telecomu-

nicações integrando a rede de acesso diretamente à rede backbone [46]. Nesse contexto,

a SuperPON destaca-se por possibilitar uma rede de longo alcance. Algumas arquiteturas

recentes reﬁnam a proposta original utilizando somente multiplexação por divisão no tempo

[105]-[106], porém necessitam de ampliﬁcadores ópticos e compensadores de dispersão para

aumentar a distância na transmissão.

Alternativamente, duas propostas têm sido estudadas para esta arquitetura: um

modelo híbrido de DWDM-TDM PON de longo alcance [107] e um modelo exclusivamente

DWDM para SuperPONs [108].

O primeiro esquema, proposto em 2006, agrega 17 TDM-PONs, cada uma com taxa

de upstream de 10 Gbps. A fonte colorless escolhida para as ONUs foi um modulador de

eletro-absorção semicondutor integrado com ampliﬁcadores ópticos semicondutores (EAM-

SOA). Considerando que cada PON fosse composta por 256 usuários, o esquema agregaria

4352 clientes. O esquema proposto está mostrado na Fig. 3.12.

A segunda alternativa, chamada DWDM-PON de longo alcance, foi proposta em

2007. A arquitetura é, basicamente, um esquema WDM-PON ponto a ponto bidirecional

com 64 para downstream e mais 64 para upstream (espaçamento de 50 Ghz entre os compri-

mentos de onda de cada banda) utilizando o travamento por injeção de lasers Fabry-Pérot.

Cada canal opera a uma taxa de mais de 100 Mbps e o alcance da ﬁbra é de 70 Km.

Figura 3.12: DWDM-TDM PON de longo alcance [107]

Capítulo 4

Estudo de Arquiteturas Baseadas

no Travamento Óptico de Lasers

Fabry-Pérot

Como já discutido no capítulo anterior, o fato de não precisar de uma fonte óptica

na ONU fez com que a RITENET ganhasse certo destaque perante as demais arquiteturas

citadas no capítulo anterior. Dessa forma, foi feito um estudo para maior aprofundamento

sobre a arquitetura e suas variações na literatura recente. A ferramenta utilizada na simu-

lação foi o software OptiSystem 8.

O capítulo está dividido em quatro partes: inicialmente investigou-se a RITENET

em sua proposta original [87]; em seguida, é apresentada uma variação da proposta inicial, na

qual o F-P LD a ser travado encontra-se na ONU[109],[110]; na terceira seção foi discutida

outra variação, na qual utiliza-se o travamento de lasers Fabry-Pérot através da injeção

externa de sinal de ASE para obter uma rede baseada em fontes ópticas centralizadas; por

ﬁm, simulou-se uma rede com a quantidade máxima de modos que o OptiSystem permite

utilizar.

4.1 Proposta original da RITENET

Inicialmente foi investigada uma rede semelhante à arquitetura RITENET original

na qual, no OLT, 32 lasers emitem luz de forma contínua (CW) para prover o sinal de

upstream. Os comprimentos de onda (localizados na banda 1550 nm), atravessam 20 km de

ﬁbra óptica e, ao chegarem no AWG, são demultiplexados. Cada um deles é encaminhado a

uma ONU especíﬁca. Na ONU está presente um modulador Mach-Zehnder (assim como em

[87]) que recebe o sinal, realiza a modulação com os dados do usuário (sinal de upstream) e

manda de volta para o OLT em esquema loop-back. No processo de subida, o sinal percorre

novamente 20 km de ﬁbra e o AWG é responsável por realizar a multiplexação dos 32

comprimentos de onda provindos das ONUs.

O caso de interesse está representado esquematicamente na Figura 4.1. Na arquite-

tura RITENET original, de forma intercalada no domínio do tempo, a portadora é enviada

pelo OLT alternadamente com modulação (isto é, contendo os dados de downstream) e não

modulada. No esquema investigado, no sentido OLT-ONU, apenas a porção não modulada

foi utilizada, ou seja, considerou-se apenas o sinal de upstream. As taxas de transmissão

utilizadas foram 622 Mbps, 1,25 Gbps, 2,5 Gbps e 10 Gbps.

A Figura 4.2 mostra a taxa de erro como função da potência necessária emitida

pelos lasers CW no OLT, de forma que o gráﬁco mostra apenas o comportamento da ONU

que apresenta o pior desempenho. Como pode ser observado, para a taxa 622 Mbps é

necessário que a potência transmitida pelo laser CW do OLT seja aproximadamente -5,5

dBm a ﬁm de que se possa obter uma BER de 10

−12

. Para obtenção dessa mesma taxa de

erro em 10 Gbps, uma potência de aproximadamente 0,8 dBm seria necessária no laser do

OLT.

Como mencionado no capítulo anterior, a arquitetura RITENET provê uma

rede baseada em fonte óptica centralizada, já que os transmissores encontram-se no OLT.

Porém, ela apresenta como desvantagem a necessidade de que a central do provedor de

serviço disponha de um elevado número de lasers em estoque, tendo em vista que cada

ONU usaria um laser especíﬁco. Dessa forma, duas alternativas foram investigadas nas

seções 4.2 e 4.3. A primeira delas, mostrada a seguir, utiliza lasers Fabry-Pérot idênticos

Figura 4.1: Representação esquemática da arquitetura RITENET proposta originalmente

por [87]

Figura 4.2: Taxa de erro versus a potência do laser CW no OLT em 20 km de ﬁbra

nas ONUs, na qual o comprimento de onda especíﬁco de atuação é determinado pelo sinal

externo que irá travar o laser.

4.2 Rede com F-P LD na ONU

Nesta arquitetura é empregada a técnica de travamento de um laser Fabry Pérot

por injeção de um sinal externo [111]. Quando a frequência central da fonte óptica externa

estiver próxima a um dos modos do Fabry-Pérot, a potência óptica emitida pelos demais

modos é suprimida, enquanto ocorre ganho em potência do modo escolhido. Dessa forma,

o laser passa a oscilar praticamente em monomodo, travando o dispositivo semicondutor.

Por meio do software OptiSystem, o resultado do emprego dessa técnica pode ser

analisado nas ﬁguras abaixo. A Figura 4.3 mostra o espectro de saída de um laser Fabry-

Pérot de 9 modos, cujo modo central está localizado em 1550 nm. Injetando-se o sinal de

um laser CW com comprimento de onda central 1550 nm, o modo de interesse do F-P LD é

travado (Figura 4.4a). Devido à signiﬁcativa diferença de potência entre o modo travado e

os demais modos, pode-se considerar a saída do F-P LD aproximadamente monomodo. De

forma similar, pode-se travar qualquer um dos modos como pode ser visto na Figura 4.4b,

na qual escolheu-se para travamento o primeiro modo lateral da esquerda, indicado por m

= -1.

Os parâmetros dos F-P LDs utilizados nas simulações estão mostrados na Tabela

4.1. Esses valores são compatíveis com trabalhos encontrados na literatura [75]. Estudos re-

centes sobre algumas características do F-P LD travado, tais como reﬂetividades requeridas,

corrente de polarização, modulação e ruído, podem ser encontrados em [112]-[114].

Uma alternativa mais viável do que utilizar vários lasers CW como fonte de sinal

óptico externo para realizar o travamento é a utilização da emissão espontânea, ASE, de

um EDFA. Fatiando-se devidamente o sinal banda larga da ASE, somente uma pequena

parte do espectro é encaminhada ao F-P LD. Se a frequência central dessa fatia do espectro

estiver em fase e for próxima à frequência de um dos modos do F-P LD, esse modo será

travado. Para o fatiamento espectral, pode-se utilizar, por exemplo, o AWG.

Figura 4.3: Espectro de saída de um Fabry-Pérot com 9 modos sem a injeção de sinal

óptico externo. O modo central é referenciado como m = 0, os modos à sua esquerda são

numerados negativamente e os modos à direita são numerados positivamente

Figura 4.4: Espectro de saída de um Fabry-Pérot com 9 modos com a injeção de sinal óptico

externo (a) travamento do modo central (m = 0), (b) travamento do primeiro modo lateral

à esquerda (m = -1)

Parâmetros Símbolos Valores

Comprimento da Cavidade

Largura da Região Ativa

Espessura da Região Ativa

Volume da Região Ativa

Fator de Conﬁnamento Óptico

Índice de Grupo

Índice efetivo da Região Ativa

Pernas Internas

Reﬂetividade na Face Frontal

Reﬂetividade na Face Traseira

Comprimento de onda do modo central

Velocidade da luz no vácuo

Densidade de Portadores Eletrônicos

na transparência

Corrente de Polarização

Largura de Ganho de 3dB

Coeﬁciente de Recombinação Não-Radiativa

Coeﬁciente de Recombinação Radiativa

Coeﬁciente Auger

m-ésimo modo

Espaçamento modal

Eﬁciência Quântica Diferencial

int

∆λ

aug

∆λ

428 µm

15 µm

0,2 µm

1284 µm

0,5

3,5

1x10

−3

(µm)

−1

0,01

0,3

1550 nm

3x10

m/s

1x10

(µm)

−3

30 mA =1,3 I

3,5 THz =28 nm

1x10

−1

1x10

−10

−1

4x10

−29

−1

(-4 . . . 0 ... 4)

100 GHz =0,8 nm

0,4

Tabela 4.1: Valores utilizados nas simulações e disponibilizados pela literatura [75]

Figura 4.5: Espectro banda larga de um sinal de ASE gerado a partir de componente do

software OptiSystem

O espectro banda larga de uma ASE obtido a partir da utilização da ferramenta

computacional OptiSystem está mostrado na Figura 4.5. A obtenção desse sinal foi possível

através do componente do software chamado "EDFA Measured", com o qual foi possível

obter um espectro de ASE semelhante ao utilizado nas Referência [75].

O AWG pode fatiar esse sinal de forma que tenhamos, por exemplo, na porta

de saída 1 do dispositivo o espectro mostrado na Figura 4.6a e na porta de saída 5 do

AWG o espectro mostrado na Figura 4.6b. As portas de saída do AWG são encaminhadas

a lasers Fabry-Pérot idênticos. A fração do espectro da Figura 4.6a utilizado como sinal

óptico externo do F-P LD correspondente produz o espectro de saída mostrado na Figura

4.6c. Analogamente, a injeção do sinal mostrado na Figura 4.6b no F-P LD correspondente,

produz o espectro de saída mostrado em 4.6d.

Tendo em vista as informações acima, a primeira variação da arquitetura RITENET

investigada emprega F-P LDs nas ONUs. Isto é, a ONU possui como fonte óptica o laser

Fabry-Pérot que será travado a partir do sinal de ASE de um EDFA localizado no OLT.

Dessa forma, todas as ONUs possuiriam fontes ópticas idênticas (esquema colorless), porém

a arquitetura não é centralizada.

Figura 4.6: (a) sinal da ASE fatiado que sai na porta 1 do AWG, (b) sinal da ASE fatiado

que sai na porta 5 do AWG, (c) modo lateral do F-P LD (m = 4) travado com o sinal de

"a", (d) modo central do F-P LD (m = 0) travado com o sinal de "b"

Figura 4.7: Representação esquemática da rede contendo 8 ONUs equipadas com lasers

Fabry-Pérot idênticos

No esquema investigado, mostrado na Figura 4.7, o sinal de ASE gerado no OLT

percorre a ﬁbra óptica e é fatiado espectralmente pelo AWG. Cada ONU recebe, então, uma

estreita fatia do espectro que será responsável por travar um dos modos do F-P LD. Como

o laser encontra-se nas instalações do usuário, a modulação é direta. Após a modulação, o

sinal de upstream de cada ONU percorre o caminho de volta para o OLT.

Os F-P LDs utilizados na simulação seguem o padrão descrito anteriormente e o

sinal de ASE é o mesmo mostrado na Figura 4.5. Nesse esquema foi utilizada a taxa de

transmissão de 1,25 Gbps e 622 Mbps e o resultado está mostrado nas Figuras 4.8 e 4.9.

Como pode ser observado pela Figura 4.8, para a taxa de 1,25 Gbps, nem mesmo

o modo central consegue atingir uma taxa de erro satisfatória a uma distância de 20 km.

Para esse modo, uma BER de 10

−12

é alcançada apenas com a distância de 5 km. Para a

taxa de transmissão de 622 Mbps (Figura 4.9), uma BER de 10

−12

é alcançada pelo modo

Figura 4.8: BER como função da distância considerando-se uma taxa de transmissão de

1,25 Gbps no esquema com F-P LDs situados nas ONUs. São mostrados os modos central

m = 0 e lateral m = 4

central quando sua respectiva ONU está localizada a uma distância de aproximadamente

30 Km. Considerando o modo lateral m = 4, essa mesma taxa de erro é obtida a uma

distância de aproximadamente 17 Km.

Alternativamente, o esquema de travamento pode ser utilizado com F-P LDs idênti-

cos localizados no OLT e as ONUs sendo equipadas apenas com moduladores Mach-Zehnder

(ou RSOAs), em esquema semelhante ao mostrado na Seção 4.1, como será mostrado a

seguir.

4.3 Rede de Fonte Óptica Centralizada

O esquema investigado nessa seção está mostrado na Figura 4.10 e utiliza o trava-

mento de F-P LDs através da injeção do sinal de ASE fatiado para prover uma arquitetura

baseada em fontes ópticas centralizadas. A portadora não modulada é enviada pelo OLT e

pecorre 20 Km de ﬁbra até chegar na ONU, onde será modulada com os dados de upstream

através de um modulador Mach-Zehnder. Dessa forma, assim como na seção anterior, a rede

Figura 4.9: BER como função da distância considerando-se uma taxa de transmissão de

622 Mbps no esquema com F-P LDs situados nas ONUs. São mostrados os modos central

m = 0 e lateral m = 4

Figura 4.10: Representação esquemática da rede CLS simulada

também apresenta ONUs com esquema colorless. A Figura 4.11 mostra em detalhes a fonte

WDM presente no OLT, que é composta pela fonte ASE, um AWG e 8 lasers Fabry-Pérot

idênticos travados em modos distintos.

Para demonstrar o avaliar da rede, foi feita uma varredura de distâncias considerando-

se o modo central e o modo lateral mais afastado. Os resultados estão mostrados nas Figuras

4.12, 4.13 e 4.14, com taxas de transmissão de 622 Mbps, 1,25 Gbps e 2,5 Gbps, respecti-

vamente.

Para 622 Mbps (Figura 4.12), uma taxa de erro de 10

−12

pode ser obtida pelo

modo central a uma distância de aproximadamente 46 km. Enquanto que, para o modo

lateral m = 4, a distância máxima para atingir tal BER seria aproximadamente 37 km.

Dessa forma, tendo em vista que ONUs podem se localizar a diferentes distâncias do OLT,

pode-se alocar os modos centrais para ONUs mais distantes. No caso da taxa de 622 Mbps,

a distância máxima que uma ONU poderia estar do OLT seria 46 km.

Para 1,25 Mbps (Figura 4.13), a ONU associada ao modo central pode estar situada

a uma distância de até 38 km para atingir uma taxa de erro de, no máximo, 10

−12

. Para

atingir essa mesma taxa de erro, a ONU correspondente ao modo lateral m = 4 deve estar

Figura 4.11: Representação esquemática da fonte WDM

Figura 4.12: Taxa de erro como função da distância considerando-se uma taxa de transmis-

são de 622 Mbps na rede CLS

distante do OLT de, no máximo, 29 km.

E, como pode ser observado na Figura 4.14, com a taxa de 2,5 Gbps a ONU

associada ao modo central pode estar situada a uma distância máxima de 26 km para uma

BER menor do que 10

−12

. Enquanto que, para o modo lateral m = 4, a distância máxima

é reduzida para apenas 9 km.

A rede investigada nesta seção, assim como a rede mostrada na seção 4.2, utilizam

dispositivos colorless nas ONUs. Enquanto a rede CLS emprega modulares Mach-Zehnder

idênticos nas ONUs, a outra alternativa descrita emprega lasers Fabry Pérot idêntidos como

fonte óptica das ONUs. O fato da rede ser centralizada acarreta em uma grande vantagem

quanto a gerenciamento e manutenção, já que estes processos seriam facilitados pelo fato

de que, caso ocorresse algum problema nos lasers ou no EDFA (fonte ASE), tudo seria

resolvido no próprio OLT, sem a necessidade do deslocamento de técnicos ao nó remoto

ou à casa do usuário. Quanto ao gerenciamento do estoque de componentes, as duas redes

investigadas são viáveis, tendo em vista que o provedor de serviço não precisa se preocupar

Figura 4.13: Taxa de erro como função da distância considerando-se uma taxa de transmis-

são de 1,25 Gbps na rede CLS

Figura 4.14: Taxa de erro como função da distância considerando-se uma taxa de transmis-

são de 2,5 Gbps na rede CLS

em ter guardado n lasers diferentes para suprir eventuais defeitos. Seriam necessários

apenas algumas unidades do mesmo laser. Uma desvantagem da rede CLS é a modulação

externa exercida pelo Mach-Zehnder, o que aumenta o custo deste esquema em comparação

ao esquema apresentado na seção 4.2. Por ﬁm, como pôde ser percebido na comparação

entre os resultados das duas seções, a rede CLS obteve um melhor desempenho, indicando

ser uma melhor alternativa para implementação de um sistema WDM-PON.

4.4 Rede CLS com 21 modos

Nos esquemas investigados nas seções 4.2 e 4.3 foram utilizados F-P LDs com 9

modos. Nesta seção é estendida a análise realizada nas seções anteriores para um número de

modos igual a 21, que corresponde ao número máximo de modos permitidos pelo software

Optisystem na versão 8.0.

A Figura 4.15 mostra o espectro de saída de um Fabry-Pérot não travado com 21

modos. Dessa forma, utilizando a mesma nomenclatura adotada anteriormente, os modos

mais afastados do modo central são identiﬁcados como m = -10, indicando o modo mais

afastado localizado a esquerda do modo central, e m = 10, indicando o modo mais afastado

localizado a direita do modo central.

Os F-P LDs foram utilizados para prover uma rede baseada em fontes ópticas

centralizadas, de forma similar a rede mostrada na seção anterior. Fixada a distância em

20 km, o comportamento de alguns modos está mostrado na Figura 4.16. As taxas de

transmissão consideradas foram 622 Mbps, 1,25 Gbps e 2,5 Gbps.

Como pode ser observado pela ﬁgura, o modo central (m = 0) está centrado no

comprimento de onda 1550 nm e apresenta desempenho satisfatório nas três taxas de trans-

missão utilizadas. Em 622 Mbps, sua BER é inferior a 10

−20

; em 1,25 Gbps sua BER é

inferior a 10

−15

; e em 2,5 Gbps, sua BER é aproximadamente 10

−12

Esse desempenho, porém, não é repetido nos demais modos. Por exemplo, o modo

m = -7, centrado no comprimento de onda 1555,6 nm, só apresenta uma taxa de erro inferior

a 10

−12

quando a taxa de transmissão é 622 Mbps. Para o modo mais afastado m = -10, a

taxa de erro é superior a 10

−12

em qualquer uma das taxas de transmissão consideradas.

Figura 4.15: Espectro de saída de um Fabry-Pérot com 21 modos sem a injeção de sinal

óptico externo

Figura 4.16: Taxa de erro dos modos m = -10, m = -7, m = -3 e m = 0 considerando as

taxas de transmissão de 622 Mbps, 1,25 Gbps e 2,5 Gbps

Dessa forma, para utilização de altas taxas de transmissão, o número de modos não

pode ser grande, tendo em vista que os modos laterais mais afastados apresentam potência

consideravelmente reduzida em comparação ao modo central.

Para ﬁnalizar a discussão do capítulo, uma ressalva importante deve ser feita:

em sistemas que utilizam o loop-back, o parâmetro de ﬁbra óptica "Rayleigh backscatter-

ing"assume um papel importante. Esse parâmetro deﬁne a quanto da potência incidente é

reﬂetido de volta pela própria ﬁbra. Apesar de o parâmetro ter sido considerado nas sim-

ulações realizadas utilizando o OptiSystem, uma investigação aprofundada sobre o retroes-

palhamento Rayleigh é uma sugestão interessante para um trabalho futuro.

Capítulo 5

Conclusão

A ﬁbra óptica certamente será a solução para as redes de acesso e este trabalho

fornece subsídios para evidenciar isso. Dentre as possibilidades com ﬁbra, as redes ópticas

passivas reunem vantagens que as tornam mais viáveis do que as redes ópticas ativas. Como

mencionado, sistemas PON utilizando multiplexação por divisão no tempo já estão em uso

no mercado de telecomunicações.

A TDM-PON, porém, pode não ser suﬁciente para atender a demanda futura das

redes de acesso. Dessa forma, procurou-se estabelecer neste trabalho a necessidade de PONs

utilizando multiplexação por divisão de comprimento de onda. A WDM-PON apresenta

aspectos vantajosos em relação à TDM-PON em termos de largura de banda, transparência

de protocolo, segurança, baixa latência, não necessidade de divisão de potência, dentre

outros. Inclusive, a questão da segurança em TDM-PONs foi investigada e concluiu-se que

o tráfego de upstream dessas redes não é seguro, isto é, haveria a necessidade de criptograﬁa

(algo não implementado nas diversas redes TDM-PON já instaladas).

Simulações relativas às TDM-PONs e WDM-PONs foram feitas com intuito de

comparar estas alternativas. Embora este segundo tipo de rede óptica apresente algumas

vantagens, principalmente no que diz respeito a largura de banda, o preço de instalação é

um fator limitante a sua implantação. Dessa forma, este trabalho buscou elucidar algumas

arquiteturas WDM-PON presentes na literatura que são mais viáveis economicamente. As

pesquisas nessa área estão em plena ascensão, como pode ser percebido pela referencias

mencionadas.

Quanto a estas arquiteturas, ﬁca clara a necessidade de transmissores ópticos color-

less. Isso ocorre porque o uso de lasers sintonizáveis atualmente disponíveis comercialmente

para transmissão em redes em WDM de longa distância é inconveniente em WDM-PONs

devido ao elevado custo. Por outro lado, cada ONU não pode ser equipada com lasers de

comprimento de onda ﬁxo, já que tornaria complicada e custosa a questão do gerenciamento

do estoque de lasers. Dessa forma, como foi mostrado, a literatura está convergindo para o

uso de transmissores idênticos atuando em todas as ONUs.

Adicionalmente, outra característica interessante é que a rede seja baseada em

fontes ópticas centralizadas, de forma que todo o aparato para transmissão esteja local-

izado no OLT. Uma alternativa de rede CLS foi investigada utilizando-se o travamento

de lasers Fabry-Pérot através da injeção de sinal de ASE. Essa rede foi comparada com

uma rede semelhante, porém que não utiliza esquema CLS, e os resultados indicaram que

o desempenho da rede baseada em fontes ópticas centralizadas é mais satisfatório.

Alguns tópicos que podem dar continuidade a este trabalho são: estudo da ver-

tente WDM-PON voltada para migração TDM-PON para WDM-PON denominada SUC-

CESS (Stanford University Access); investigação das redes SuperPONs como alternativa de

integração das redes de acesso à rede backbone; estudo detalhado do parâmetro "retroespal-

hamento Rayleigh"e suas implicações em esquemas loop back; e investigação de arquiteturas

RITENET utilizando RSOAs.

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