Redes Ópticas Passivas (PONs)

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1 Redes Ópticas Passivas (PONs)
Prof. Dr. Murilo A Romero

2 Estrutura da apresentação
Sumário: Redes Ópticas Passivas: Princípios básicos e fundamentação técnico-econômica Cenário Mudial Arquiteturas Básicas: GPON e EPON. Visão de Futuro: 4.1 Principais tendências evolutivas 4.2 Aspectos de WDM-PON Conclusões e Agradecimentos Objetivo: fornecer um panorama do estado da arte em redes ópticas passivas, apontando as tendências predominantes para a sua evolução. Sempre que pertinente será contextualizada a produção científica da EESC/USP. Murilo Araujo Romero, Ph.D.

3 Evolução das redes de comunicações: Redes Ópticas Passivas para FTTH (Fiber to the Home)
Public data networks PSDN NISDN BISDN Public telephone network Broadband Subscriber Network PSTN ADSL FTTC/VDSL FTTH Broadcasting networks CATV net HFC IMT-2000 Wireless access networks Wireless Net PCN/PCS Murilo Araujo Romero, Ph.D.

4 Evolução da Capacidade de Transmissão em Sistemas Ópticos em Backbone
Fonte: Bell Labs Technical Journal, Março 2002 Murilo Araujo Romero, Ph.D.

5 Contraste: Tecnologias para Redes de Acesso (“Subscriber Loop”)
Rede Óptica Passiva - PON Mb/s Acesso Rádio – Wi-Fi, WiMax, LMDS HFC/Cable modem 56Kb/s-10 Mb/s ADSL completo 2.5-8 Mb/s 128Kb/s-1.5 Mb/s ADSL Lite RDSI Kb/s Modem “Dial-Up” Kb/s 14.4 kb/s 100 Mb/s Murilo Araujo Romero, Ph.D.

6 Requisitos típicos de largura de banda para várias aplicações
Aplicação Sentido Downstream VoIP 80 Kbps Videofone 124 Kbps – 2Mbps Jogos on-line 256 Kbps TV (MPEG-2) 3-5 Mbps TV (MPEG-4) 2-4 Mbps HDTV (MPEG-2) 18-20 Mbps HDTV (MPEG-4) 8-15 Mbps Murilo Araujo Romero, Ph.D.

7 Esquemas de Última/Primeira Milha: Distância Coberta e Largura de Banda Disponível
8 Mbps 25 Mbps 50 Mbps 100 Mbps 4 Mbps 0,6 km 0,6 ~ 2km 2,0 ~ 3,4km FTTH ADSL2+ VDSL2 Murilo Araujo Romero, Ph.D.

8 Arquitetura de Redes Ópticas Passivas (PON) com Derivação VDSL
As redes PON possibilitam migração suave para uma topologia FTTH (Fiber to the Home): 8 milhões de usuários no Japão, 2007, NTT e KDDI FTTC VDSL Divisor Óptico Passivo FTTB Ponto de Comutação Anel Óptico Fibra Óptica VDSL FTTB FTTC FTTB: Fiber-to-the-building FTTC: Fiber-to-the-curb PON: Passive optical network VDSL: Very-high-speed digital subscriber line VDSL FTTB Murilo Araujo Romero, Ph.D.

9 Cenário Mundial Estimativa da Empresa de Consultoria OVUM para o Final de 2006: 290 milhões de assinantes de banda larga X-DSL = 68% HFC/Cable Modem = 23% FTTH (PON + Ethernet PtP) = 7% Wireless = 3% FTTH hoje: Ásia/Pacífico (87%); Europa (10%) e América do Norte (3%) Previsão para 2010: 81 milhões de usuários Murilo Araujo Romero, Ph.D.

10 Motivadores Econômicos vs. Fatores Inibidores
A CAPEX (Capital Expendinture) para FTTH se reduziu de US$ 4.000,00 no ano 2000 para US$ 1.000,00 em 2005. A substituição de cobre por fibra permite uma redução no OPEX (Operation-and-Maintenance Expense) de US$ 125,00 assinante/ano. Fonte: IEEE/OSA JLT, Dezembro/2006 (obs: grande variabilidade em função da densidade populacional). Inibidor: Políticas Regulatórias de LLU (“Local-Loop Unbundling”) Inibidor: As redes de acesso ainda não são predominantemente “video-cêntricas” Murilo Araujo Romero, Ph.D.

11 Arquitetura Básica: x-PON
Switch node Home PON head end node Curb Local exchange Cabinet UNI SDH PON ADSL NTE FTTEx SW OLT ONU VDSL NTE FTTCab SW OLT ONU VDSL FTTC/ FTTBus ONU NTE SW OLT ONU NTE FTTBus/ FTTH SW OLT Murilo Araujo Romero, Ph.D.

12 Padrões: GPON vs. EPON - Timeline
2.5 Gbits/s EPON 1.25 Gbits/s 1000 BPON 622 Mbits/s VELOCIDADE DE TRANSMISSÃO (Mbits) ATM-PON 155 Mbits/s 100 ATM-PON – 54 Mbits/s 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 1990 ANO Murilo Araujo Romero, Ph.D.

13 Padrões: GPON vs. EPON - Comparação
ITEM G-PON (FSAN/ITU-T) IEEE E-PON Tráfego Full Service (Ethernet, TDM, POTS) Ethernet Data Frame Empregado GEM Frame (Camada GTC) Ethernet Frame Máximo Alcance Físico 20 km Split ratio (máximo) 64 32 Taxa de Transmissão 2.5 Gbits/s (down) e 1.25 Gbits/s (up) 1.25 Gbits/s (bidirecional) O padrão E-PON prevalece na Ásia, enquanto as empresas Verizon, AT&T, Qwest, Bell Canada, France Telecom, DT, Telefonica e Telecom Italia estão optando pelo GPON. Murilo Araujo Romero, Ph.D.

14 Tendências de Evolução: Diminuição dos COs com redução de
CAPEX e OPEX Murilo Araujo Romero, Ph.D.

15 ESQUEMA WDM-PON COM COMPRIMENTOS DE ONDA FIXOS
Cada ONU/ONT recebe um comprimento de onda dedicado e permanente. A topologia lógica é ponto-à-ponto. OLT ONT W D M Tx, l1 Tx, l33 l1 MUX Rx, l1 W D M Tx, l32 l1 ... l32 Roteador AWG l33 l l64 l64 Rx, l33 ONT l32 W D M Tx, l64 DEMUX Rx, l64 Rx, l32 Murilo Araujo Romero, Ph.D.

16 ESTRATÉGIA DE MIGRAÇÃO: DO GPON PARA WDM-PON
l1 CO WC1 20 km WC2 OLT TDM-PON (legada) Divisor l1 l8 l1 ONTs l2 Tx,Rx, l2 Roteador AWG l2 l17 MUX Tx,Rx, l17 l17 RN A migração do G-PON agregando um dispositivo de 3 portas paracombinar/separar os comprimentos de onda usados em TDM-PON (legada) e WDM-PON. É também possível implementar esquemas híbridos TDM-WDM, com o uso de filtros ópticos. Murilo Araujo Romero, Ph.D.

17 ESQUEMA WDM-PON COM COMPRIMENTOS DE ONDA FIXOS
Requer fontes ópticas multi-comprimento de onda e AWGs com estabilidade térmica Já existem sistemas em operação na Coréia do Sul com 100 mil usuarios. FONTE: “WDM-PON Experiences in Korea”, JON, Maio 2007 Murilo Araujo Romero, Ph.D.

18 TOPOLOGIA BUS CWDM Amplificador multibanda S-C-L para sistemas CWDM:
16 CWDM channels Tx1 Tx1 Rx1 Rx1 Rx2 Rx2 Rx3 Rx i Fiber Rx Rx n n - - 1 1 Tx2 Tx2 M M Tx3 Tx3 U U Drop1 Drop1 Drop2 Drop2 Drop3 Drop i Drop Drop n n Rx Rx n n . . X X . . 980/1595 mux Er: L3 Circulator 2 DCF 3 Circulator 1 980/1550 nm L1 980 nm Pump Laser L band S/C bands nm L2 muxes SC/L in out DP-EDFA . . Txn Txn Amplificador multibanda S-C-L para sistemas CWDM: Tese de doutorado de J.B. Rosolem (Engenheiro do CPqD), EESC/USP, 2005 “S-C-L Triple Band Double-Pass Erbium-Doped Silica Fiber Amplifier with an Embedded DCF Module for CWDM Applications”, IEEE/OSA JLT, Outubro 2006. Murilo Araujo Romero, Ph.D.

19 Distância Máxima de Transmissão
Murilo Araujo Romero, Ph.D.

20 Experimento de Transmissão
-21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 Received Power (dBm) B E R DP-EDFA + DCF 700 ps/nm + 82 km STD DP-EDFA + 82 km STD BKB (b) Murilo Araujo Romero, Ph.D.

21 Técnicas de Múltiplo Acesso “Upstream”: TDMA x WDMA
TDMA: Designa “time-slots” específicas para cada ONU operando no sentido upstream. São necessárias informações precisas do retardo de propagação para cada ONU para garantir a sincronia OLT-ONU. É fundamental o uso de “burst-mode receivers”: dificuldades para operação 10 Gbits/s. A capacidade do canal pode ser dividida de forma DESIGUAL entre as ONUs: Dynamic Bandwidth Allocation (DBA). Murilo Araujo Romero, Ph.D.

22 Atraso Médio de Quadro vs. Tráfego Total: 16 ONUs e 1 a 4 ls
cada l: 1 Gbps 8 ONUs não-WDM taxa garantida 120 Mbps 8 ONUs WDM, Tráfego ONU não-WDM: 10 a 120 Mbps Tráfego ONU WDM: 20 a 240 Mbps Tráfego Poissoniano: intervalo entre chegadas de quadros e duração dos quadros: distribuição exponencial Dissertação de Mestrado de C. Arbieto, EESC/USP, 2006, “Alocação Dinâmica de Largura de Banda em Redes EPON” Orientador: A.C. César. Se observa que com a aumento de um novo comprimento de onda de operação o atraso é diminuído significativamente. Porém, quando a rede está operando com 4 comprimentos de onda o atraso é diminuído minimamente, isto é explicado porque a taxa garantida das ONUs não-WDM será 120 Mbps. Aproximadamente numa carga total do sistema de 3 Gbps essas ONUs estão experimentando uma carga de 125 Mbps, acima da sua taxa garantida. Portanto, apresentam atrasos maiores, o qual é observado na curva da rede operando com 4 comprimentos de onda. Uma forma de diminuir o atraso experimentado pelos quadros é atualizar mais quadros não-WDM para WDM. Murilo Araujo Romero, Ph.D.

23 Receptor Óptico Sintonizável para WDMA
1 , l 2 3 4 R f Vg amplificador TZ circuitos de chaveamento fotodetetores demultiplexador óptico não - reconfigurável fibra óptica amplificador TZ circuitos de chaveamento fotodetetores demultiplexador óptico não - reconfigurável fibra óptica FE1 fotodetetores l l amplificador TZ 1 1 l l R R 2 2 f f Vg Vg l l , l , l , l , l , l , l 1 1 1 1 2 2 3 3 4 4 l l fibra óptica 3 3 Vg Vg 2 2 l l 4 4 Vg Vg 3 3 demultiplexador Vg Vg óptico FE1 4 4 não - reconfigurável circuitos de chaveamento Receptor Óptico Proposto Tese de Doutoramento de S.K. Manfrin, encerrada, colaboração com a Univ. Roma, Tor Vergata Implementação FE1 Murilo Araujo Romero, Ph.D.

24 Resposta em Frequência
Resultados Canal 1, FE2: (Ch 1) saída chaveada, (Ch 2) sinal de entrada de 1 GHz e (Ch 3) sinal de controle de aproximadamente 10 MHz. Base de tempo do osciloscópio de 5 ns/div. Resposta em Frequência Trabalhos apresentados na European Microwave Week de 2001 (versão 4 x 1) e 2002 (versão 16 x 1) “An Improved Electronic Selector Circuit for WDM Optical Receivers in Packet-Switched PON Networks”, Microwave and Optical Technology Letters, Setembro 2004. Murilo Araujo Romero, Ph.D.

25 CONCLUSÕES Redes Ópticas Passivas (PONs), são a plataforma ideal para implementação de esquemas FTTH/FTTP. No momento, o padrão EPON (IEEE) é dominante mas o padrão GPON vêm ganhando terreno rapidamente no eixo EUA/Europa. Tendências para os próximos 5 anos: upgrade de ambos os padrões para 10 Gbits/s, já em estudo. Aumento da distância coberta e taxa de divisão óptica, com provável necessidade da introdução de amplificadores ópticos: busca-se consolidar os equipamentos terminais empregados, com redução de CAPEX e OPEX. - Coexistência progressiva das redes TDM-PON legadas com esquemas WDM-PON. Murilo Araujo Romero, Ph.D.

26 CONTATO Prof. Dr. Murilo A. Romero Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos Av. Dr. Carlos Botelho 1465 São Carlos - SP Endereço Eletrônico: Telefone: (16) Murilo Araujo Romero, Ph.D.