III SRST – Seminário de Redes e Sistemas de Telecomunicações Instit uto Nacional de Telecomunic ações – INATEL INATEL ISSN 2358-1913 Setembro de 2015 2015
Rede GPON: Conceito e Aplicações Aplicações Odair José Picin 1 & Edson Josias Cruz Gimenez2 Abstract—The
evolution of the services offered by the internet and the accession of more users with different profiles accessing telecommunications networks means that there is need for greater bandwidth in transmission systems. As a consequence it is necessary to upgrade systems with the development of new technologies to improve their access to available services users. The main feature of PON (Passive Optical Networks - Passive Optical Networks) is the use of passive optical components. With GPON configuration can better meet the growing demand, with getting higher rates of transmission. This paper presents the concept and applications associated with GPON networks. Index Terms—PON, OLT, ONT, ONU, GPON, FTTx. Resumo—A evolução dos serviços ofertados pela internet e a adesão de mais usuários com diferenciados perfis acessando as redes de telecomunicações faz com que haja necessidade de maior largura de banda nos sistemas de transmissão. Como consequência faz-se necessário aperfeiçoar os sistemas com o desenvolvimento de novas tecnologias para melhorar o acesso destes usuários aos serviços disponíveis. Passive Optical A principal característica das redes PON ( Passive Networks – Redes Ópticas Passivas) é o uso de componentes ópticos passivos. Com a configuração GPON é possível atender melhor à demanda crescente, com a obtenção de maiores taxas de transmissão. Neste trabalho são apresentados os conceitos e as aplicações associadas às redes GPON. Palavras chave—PON, OLT, ONT, ONU, GPON, FTTx.
I. I NTRODUÇÃO Por conta da demanda crescente de serviços que exigem mais tecnologia para atender às novas necessidades de um público cada vez mais exigente, as redes metálicas estão perdendo espaço para as redes ópticas. De olho nesta demanda, as operadoras de telecomunicações estão buscando canalizar seus investimentos na implantação de redes de fibras ópticas, visto que tais redes proporcionam um aumento nas oportunidades de oferta de serviços, com maior confiabilidade e apresentam uma diminuição bastante significativa das despesas operacionais, melhorando o resultado do negócio. [1] [2] [11] A fibra óptica tem capacidade de tráfego com altas taxas de transmissão de forma confiável e segura, bem como apresenta atenuações mais baixas, se comparada a outros sistemas de Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. Msc. Edson Josias Cruz Gimenez. Trabalho aprovado em Junho/2015.
transmissão, como por exemplo a comunicação via rádio, a qual é afetada pelas altas atenuações devido à distância e condições atmosféricas diversas. II. R EDES PON – C CARACTERÍSTICAS EDES PON – A utilização de elementos passivos é a característica mais importante das redes PON. Os elementos passivos utilizados, tais como emendas ópticas e spliters , não necessitam de energia elétrica para desempenharem seus papéis, portanto não há elementos ativos entre os clientes e a operadora. [11] O sinal óptico, uma vez injetado na rede, é compartilhado por todos os usuários ligados à mesma, fazendo com que o custo operacional seja diluído. O elemento responsável por compartilhar o sinal injetado na fibra é o divisor óptico passivo ( splitter ). ). O splitter divide os sinais ópticos de acordo com o nível de divisão especificado para cada caso e os distribui ao longo da rede, a partir do OLT ( Optical Line Terminal) aos ONTs ( Optical Network Terminal) ou ONUs (Optical Network Unit ). ). [2] [11] As aplicações PONs operam atualmente com até 64 ONUs para cada OLT. A Figura 1 ilustra a arquitetura básica de transmissão de uma rede PON, com splitter 1:32.
Figura 1 – Arquitetura de transmissão PON [1].
A. Elementos da Rede PON.
O objetivo da rede PON é transmitir os sinais ópticos a partir dos OLTs, os quais são redirecionados pelos divisores ópticos passivos ( spliters) e convertidos nos ONTs e ONUs, em formato eletrônico. Esses dispositivos disponibilizam em suas saídas os sinais elétricos para os equipamentos ligados a eles (aparelhos de TV, telefones, computadores, modens e outros). [2] [11] Os principais elementos de uma rede PON são indicados a seguir. [2] OLT (Optical Line Terminal ) O OLT é o ponto de conexão entre a rede de acesso e o núcleo (core) da rede, faz a conversão do sinal elétrico-óptico
e óptico-elétrico. Também consolida e concentra o tráfego, reduzindo as interfaces interligadas ao core da rede. A multiplexação dos diferentes usuários é realizada no OLT, conforme ilustra a Figura 2.
Figura 2 – Funcionamento do OLT [2]. ONU (Optical Network Unit)
A conversão do sinal óptico em sinal elétrico, que será encaminhado para as portas padrões dos equipamentos do usuário final, é realizada por este equipamento. O ONU possui banda dinamicamente alocada, na qual recebe e transmite sinais em um canal próprio, possibilitando ainda a utilização de SLAs (Services Level Agrement ) e QoS ( Quality of Service ) próprios. A Figura 3 ilustra o funcionamento típico das ONUs.
Figura 3 – Funcionamento da ONU [2]. ONT (Optical Network Terminal ).
Figura 4 – Local da instalação do ONT [3].
B. Arquitetura, Topologia e Segmentos da Rede PON.
Dois principais tipos de arquitetura que utilizam fibras ópticas são: configuração ponto-a-ponto ( point-to-point ) e configuração ponto-multiponto ( point-to-multipoint ), ilustradas na Figura 5.
Figura 5 – Exemplo de rede ponto-a-ponto e rede ponto-multiponto [10].
O ONT pode ser comparado a um ONU, porém, instalado Na configuração ponto-a-ponto utilizam-se fibras dedicadas no ambiente do usuário e, com isso, ser utilizado para aplicações FTTH ( Fiber To The Home) ou FTTB ( Fiber To para cada assinante, o que acarreta uma baixa penetração no The Building). O ONT também possui duas portas Ethernet mercado em função do alto custo de infraestrutura, se para tráfego de dados e até duas portas E1 para o transporte de comparado ao custo da arquitetura compartilhada. [2] Na configuração ponto-multiponto uma mesma fibra pode voz. É geralmente utilizado em instalações residenciais ou corporativas. Na Figura 4 é possível verificar a topologia ser compartilhada por múltiplos pontos de atendimento básica da rede PON e a localização dos ONTs. (corporativo e residencial) e não se usa elementos ativos entre OLT (Optical Line Terminal) e ONU ( Optical Network Terminal) ou OLT ( Optical Line Terminal), fazendo com que haja uma considerável economia (não há necessidade de pontos de captação de energia ao longo da rede (sites) e não há necessidade de manutenção em equipamentos eletrônicos). [2] A topologia básica de uma rede PON é baseada em arquitetura ponto-multiponto e é constituída de diferentes segmentos, conforme ilustra a Figura 6. Uma explicação rápida de cada um desses segmentos é dada a seguir.
Figura 6 – Topologia básica de arquitetura PON [1]. Central de Equipamentos (Central Office)
- Local onde estão instalados os equipamentos ópticos de transmissão, bem como o Distribuidor Geral Óptico (DGO) destinado à conexão entre os cabos ópticos e os equipamentos de transmissão. Deste local saem os cabos que são destinados aos pontos de distribuição. [1] Rede Óptica ( Feeder) - Composta por cabos ópticos aéreos ou subterrâneos os quais transmitem o sinal da central aos pontos de distribuição. [1] Pontos de Distribuição/Centros de Distribuição - Locais onde é feita a divisão, a distribuição e a gestão do sinal óptico associado a uma determinada área. Geralmente utiliza-se a topologia em estrela, permitindo uma melhor utilização das fibras. Neste ponto se concentram as fibras que chegam da central e as fibras de acesso aos usuários. [1] Rede Óptica de Distribuição - É constituída de cabos ópticos, os quais levam os sinais dos pontos de distribuição às áreas de atendimento especificadas no projeto. Visando a facilidade na instalação, geralmente usa-se cabos com núcleo seco, autossustentáveis. Caixas de emendas são utilizadas para derivar as fibras e se obter uma melhor distribuição do sinal. Nas terminações desta rede, caixas de emenda terminal, também conhecidas como Network Access Point (NAP), são instaladas de forma estratégica para a distribuição do sinal e realização da transição da rede óptica de backbone ( feeder ) à rede óptica terminal ( drop). [1] Rede Óptica Drop - É uma rede onde são implantados cabos ópticos autossustentados, de quantidade reduzida de fibras (baixa capacidade), os quais levam, a partir da caixa de emenda terminal (NAP), o sinal óptico até o assinante. Estes cabos podem terminar em Distribuidores Internos Ópticos (DIOs), onde ocorre a transição do cabo para cordão óptico, ou em caixas de bloqueios ópticos, onde ocorre a transição do cabo para a extensão óptica. [1] Rede Interna - É constituída de extensões ópticas ou cordões ópticos utilizados para levar o sinal, a partir da caixa de bloqueio óptico ou do DIO, até o receptor interno do assinante. Para evitar atenuação do sinal devido às curvas acentuadas que podem ocorrer nas edificações, geralmente são utilizadas fibras ópticas com características especiais, que suportam ângulos menores de curvaturas. [1]
III. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DA R EDE GPON Um projeto visando especificar um padrão mais flexível para suportar taxas de transmissão mais altas em redes PON foi iniciado em 2001, pela FSAN ( Full Service Access Network ) - associação mundial de fabricantes e operadoras que implementam equipamentos com as tecnologias PON. [4] A ITU-T ( International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector ) elaborou e aprovou a arquitetura GPON ( Gigabit PON) entre 2003 e 2004, tendo como resultado, as especificações ITU-T G.984.x, em que são detalhadas as características gerais do sistema, são especificados os requisitos para camada física e camada de enlace de dados. Com o aumento dos serviços que podem ser oferecidos aos clientes, e com o aumento da capacidade dos mesmos, as principais operadoras de telecomunicações do mundo tendem a utilizar redes convergentes avançadas de banda larga baseadas em IP, que permitem oferecer mais serviços sobre a mesma infraestrutura. [11] A utilização da tecnologia GPON na evolução das redes de acesso atual pode ser justificada pelos seguintes argumentos: 1. Tecnologia com elevado grau de padronização; 2. Implementações comerciais disponíveis; 3. Permite upgrade da rede existente; 4. Percurso de evolução já previsto pela padronização; A Figura 7 mostra uma lista com normas do ITU-T associadas às redes GPON. [10]
GPON
Figura 7 – Lista de Normas ITU-T [10].
[15] Elementos de rede: Uma Rede Óptica Passiva é constituída de em um terminal de linha óptico (OLT) situado no lado da operadora da rede e uma série de terminais de rede óptica associados, situados nas instalações do cliente (ONT) ou em armário de rua (ONU). A ligação entre estes terminais é suportada por uma rede óptica composta por fibras e dispositivos passivos ( splitters) que dividem a potência do sinal óptico. A Figura 8 ilustra os elementos citados.
A. Caraterísticas Gerais da GPON (G.984.1)
Equipamentoativo Equipamento ativo
(1310ηm). Numa implementação típica GPON, os valores utilizados para os comprimentos de onda, e débitos, são os apresentados na Tabela 2. [10] TABELA II ALOCAÇÃO DE COMPRIMENTO DE O NDA. SENTIDO
λ
Descendente
1490ηm
Figura 8 – Elementos de Rede GPON [10].
B. Camada Física, PMD (G.984.2)[16]
Limite de terminais de rede óptica por porta óptica PON de equipamento de central: Para cada porta PON podese ter 64 terminais de rede óptica. Isto é conseguido mediante a utilização de divisores ópticos ( splitters). Os divisores ópticos são elementos passivos que dividem o sinal óptico recebido na entrada, em vários sinais de saída de menor potência que o sinal de entrada. O nível final de divisão 1:64 pode ser obtido combinando dois ou mais níveis (estágios) de divisão em cascata. A Figura 9 ilustra esta situação. Nº UC
ET
Descendente
1550ηm
Ascendente
1310ηm
OBSERVAÇÃO Saída do OLT (Equipamento GPON de estação) Sinal digital (IPTV, Voip, acesso internet, VoD) Débito agregado: 2,5Gb/s Saída do equipamento RF RFoPON (RF over PON): Sinal analógico (sinal RF que transporta vários canais de vídeo analógico) Saída do ONT (Equipamento GPON de estação) Sinal digital (VoIP, acesso internet, canal de retorno – IPTV, VoD) Débito agregado: 1,2Gb/s
A Figura 10 ilustra uma implementação típica de rede GPON.
64
Splitter
OLT ONT
UC
Splitter Porta GPON
Figura 9 – Rede FTTH-GPON [10].
Taxas agregadas: As taxas agregadas são de 2,5Gbit/s no sentido da estação para o cliente. No sentido do cliente para a estação, embora a norma permita 2,5Gbit/s no máximo, as implementações atuais apresentam um débito agregado no sentido ascendente de 1,2Gbit/s. [10] Orçamento de potência óptica: O orçamento de potência óptica define os limites, superior e inferior, da atenuação permitida no percurso óptico entre a estação e o cliente. O limite máximo de atenuação condiciona o alcance geográfico da PON. A normalização define cinco classes de PON caraterizadas pelo seu orçamento de potência óptica. As classes são indicadas na Tabela 1. [10] TABELA I CLASSES PADRONIZADAS PELO ITU. CLASSE A B B+ C C+
ATENUAÇÃO de 5 dB a 20 dB de 10 dB a 25 dB de 13 dB a 28 dB de 15 dB a 30 dB de 17 dB a 32 dB
OBSERVAÇÃO
Anexo 1 à norma de 2006 Anexo 2 à norma de 2008
As implementações atuais de GPON são classe B+, correspondendo assim a um limite máximo de atenuação de 28dB. [10] Alocação de comprimentos de onda: A GPON utiliza WDM alocando três comprimentos de onda, dois no sentido descendente (1490 ηm e 1550 ηm) e um no sentido ascendente
Figura 10 – Implementação típica de rede GPON [10].
Funcionamento genérico da rede: Na rede GPON, no sentido descendente, toda a informação chega a todos os extremos da rede, no entanto cada ONT apenas reconhece a informação que lhe é destinada. No sentido do cliente para a estação todos os ONTs enviam ao meio físico por multiplexagem no domínio do tempo. A atribuição de intervalos de tempo é um processo dinâmico, liderado pelo OLT, que atribui a cada ONT um instante e um intervalo de duração para que o ONT transmita a informação armazenada. Através da Figura 11 é possível ter uma ideia sobre este funcionamento.
A
B
C
extensões ópticas. Este modelo é semelhante à arquitetura FTTH. [1]
A
OTN A
B. FTTB (Fiber To The Building) A
B
C
A
B
C
B
OTN B
Splitter
A
B
C
C
OTN C
Sentido Descendente
A
A
OTN A
A
B
C
B
C. FTTC (Fiber To The Curb) B
OTN B
Splitter
C
Sentido Ascendente
Neste modelo a rede óptica termina em um prédio, podendo este ser comercial ou residencial. O encaminhamento interno, do ponto de chegada, na entrada do edifício, até o assinante, geralmente é feito utilizando-se uma rede de cabeamento estruturado. A chegada da fibra óptica na entrada do edifício evita degradação do sinal. [1] [7] [10]
C
OTN C
Neste modelo a rede é formada por unidades remotas, as quais atendem um número reduzido de assinantes. A fibra é levada até armários situados no máximo a trezentos metros das edificações. A partir destes armários utilizam-se cabos de par metálico para transportar o sinal até os assinantes. [1] D. FTTD (Fiber To The Desk)
Figura 11: Funcionamento genérico da rede GPON [10].
As diversas formas de atendimento de uma rede GPON são especificadas de acordo com a demanda de uma determinada área, podendo ser mesclados os atendimentos residenciais e corporativos a partir de uma mesma estação (sala GPON), conforme ilustra a Figura 12.
Este modelo é utilizado quando a oferta de banda de transmissão necessita de capacidade adicional à das ofertadas nas redes locais. É um modelo que proporciona o uso de banda larga para transmissão de dados, voz e imagem, sendo usado principalmente para atendimento às redes de clientes corporativos. [1] E. FTTH (Fiber To The Home)
Neste modelo a rede drop termina na casa do assinante. A realização da transição do sinal geralmente é feita com a utilização de DIOs (Distribuidores Internos Ópticos) ou FOBs (Bloqueios Ópticos). Uma vez realizada a transição, a condução do sinal até o receptor óptico do assinante é feita utilizando-se extensão óptica ou cordão óptico. [1] [10] F. FTTN (Fiber To The Node)
Neste modelo as fibras ópticas são levadas diretamente da central telefônica até um armário de distribuição localizado na rua. Depois deste ponto o sinal passa por uma transformação, de óptico para elétrico, e é distribuído até os pontos de atendimento através de cabo metálico. [1] Figura 12 – Exemplo de Arquitetura GPON [6].
IV. PRINCIPAIS APLICAÇÕES (FTTX) O termo FTTx é utilizado para identificar arquiteturas de redes de transmissão de alto desempenho, as quais são baseadas em tecnologia totalmente óptica. A sigla FTTx significa Fiber To The X , na qual X representa o tipo de arquitetura utilizada. [1] [5] [7] [10] A seguir, são relacionados alguns modelos de aplicações, com algumas particularidades de cada modelo. [1] [10] A. FTTA (Fiber To The Apartment)
Neste modelo a rede óptica drop termina em um edifício, o qual pode ser comercial ou residencial, e chega em uma sala de equipamentos. A partir desta sala o sinal pode ser dividido através de divisores ópticos ( splitters), sendo encaminhado aos apartamentos ou salas comerciais utilizando-se cordões ou
V. CONCLUSÃO A evolução tecnológica a respeito de GPON contribui com o atendimento das novas necessidades do mercado, que possui clientes cada vez mais exigentes e conscientes das possibilidades de inovação. Serviços de telecomunicações de alta qualidade podem representar um grande diferencial para clientes corporativos, podendo ter como consequência um grande diferencial em relação aos seus concorrentes e ganhos consideráveis em seus ramos de atuação. Já para clientes residenciais a oferta de novos serviços pode proporcionar até mesmo uma melhoria de qualidade de vida. O que se vê, na prática, é que a evolução tecnológica acontece com rapidez muito maior que a capacidade de implementação dessa tecnologia pelas empresas operadoras de telecomunicações, com isso, o cliente demora muito para ter acesso às melhorias que o sistema poderia oferecer. A qualificação de profissionais é essencial para que os
serviços sejam entregues aos clientes com a qualidade disponível na tecnologia, a qual é indicada na divulgação e na comercialização do produto. Cabe aos órgãos competentes regularem os serviços oferecidos pelas operadoras de telecomunicações e exigir uma boa prestação de serviço por parte dos seus contratados, de forma a entregar um produto de qualidade e contribuir com o desenvolvimento de novas soluções.
Georgia e Wisconsin para as empresas Comquest, Adhelphia e Charter, empresas operadoras de TV a Cabo nos Estados Unidos. De 2007 a 2008, foi gerente no Hotel Delta de Maresias, no litoral norte do estado de São Paulo. Em 2009 coordenou execução de obras de infraestrutura para FTTH para a empresa Verizon em Long Island, Nova Iorque e realizou atividades de site survey para ampliação e implantação de sistemas de comunicação 3G para a empresa Time Warner, em Cleveland, no estado de Ohio (EUA). Em 2010 e 2011 atuou como coordenador de OSP ( out side plant ) na GVT, em Fortaleza (CE). Desde abril de 2011, trabalha na área de planejamento de rede externa da Oi, onde ocupa atualmente o cargo de especialista em telecomunicações consultor, no Rio de Janeiro (RJ).
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Odair José Picin nasceu em Olímpia, SP, em 21 de novembro de 1965. Recebeu o título de Engenheiro Eletricista (Inatel, 1991). De 1992 a 1998 atuou como engenheiro na empresa Formato Construções, em Cascavel (PR) onde, durante este período, foi responsável técnico em eletricidade (CREA-PR) e teve cargos como gerente de obras, gerente de projetos e gerente de contratos. De 1998 a 2003 atuou na área de treinamentos na Dale Carnegie Training, na filial de Cascavel (PR), com os cargos de instrutor e diretor de área. Em 2003 foi gerente de unidade na Fortesul Distribuidora em Curitiba (PR), empresa do ramo de alimentos. Entre 2003 e 2007 coordenou equipes na prestação de serviços de implantação na Flórida,
Edson Josias Cruz Gimenez - graduação em Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (1987), especialização em Informática Gerencial pela Faculdade de Administração e Informática (1994), especialização em Educação Matemática pela Pontifícia Universidade Católica de Campinas (1987) e mestrado em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (2004). Professor titular do Inatel.
