Estrutura WDWM Ufrj.br

5/10/2018 Estrutura WDWM Ufrj.br - slidepdf.com

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Resumo O objetivo deste trabalho é apresentar o WDM (Wavelength DivisionMultiplexing), tratar de sua definição e de suas características. OWDM é uma tecnologia utilizada para a multiplexação de dados econsiste em reunir, numa mesma fibra, vários sinais de luz comcomprimentos de onda diferentes. No receptor, os sinais sãonovamente separados. Apresentaremos ainda o WDMA (Wavelength Division Multiple Access), que é um protocolo de múltiplo acesso, além de outrastecnologias de multiplexação baseadas no WDM, entre elas o DWDM

(Wavelength Division Multiplexing) e o CWDM (Coarse WavelengthDivision Multiplexing). Essas tecnologias, apesar de apresentarem omesmo princípio, apresentam diferenças em algumas características,como, por exemplo, na capacidade de transmissão de dados e noespaçamento entre canais.



Índice de Figuras

Figura 1 - Princípio do TDMFonte: http://www.ee.duke.edu/~yc/hot_links.html Figura 2 - Princípio do WDMFonte: http://www.ee.duke.edu/~yc/hot_links.html Figura 3 - Princípio do DWDMFonte:http://www.poncedaher.com.br/papers/dwdm/dwdm04.htm Figura 4 - Enlace DWDM Ponto-a-pontoFonte:http://www.poncedaher.com.br/papers/dwdm/dwdm03.htm Figura 5 - Estrutura de uma Fibra Óptica Figura 6 - Fenômeno da Reflexão na Fibra Óptica Figura 7 - Fibra MonomodoFonte: http://www.lucalm.hpg.ig.com.br/ fibras_opticas.htm Figura 8 - Gráfico Atenuação X Comprimento de onda paraPadrões G.652Fonte:http://www.rnp.br/_arquivo/wrnp2/2003/cwdm_dwdm.pdf Figura 9 - Laser DFB Anritsu para Sistemas DWDMFonte:http://www.anritsu.co.uk/products/default.php?p=132&model=

DWDM+DFB+Laser+Diodes Figura 10 - Optical Add/Drop Multiplexer Fonte: http://www.mrv.com/wdm/tech_mux.php Figura 11 - Multiplexação através de um PrismaFonte:http://www.ee.pucrs.br/~decastro/pdf/Redes_Comutadas_Cap3_2.pdf Figura 12 - Demultiplexação através de um PrismaFonte:http://www.ee.pucrs.br/~decastro/pdf/Redes_Comutadas_Cap

3_2.pdf Figura 13 - Multiplexação através de Grades de DifraçãoFonte:http://www.ee.pucrs.br/~decastro/pdf/Redes_Comutadas_Cap3_2.pdf Figura 14 - Demultiplexação através de Grades de DifraçãoFonte:http://www.ee.pucrs.br/~decastro/pdf/Redes_Comutadas_Cap3_2.pdf Figura 15 - Demultiplexação através da AWG

Fonte: http://us.fujitsu.com/img_asset/FNC/pdfServices/dwdm-prereqrisite.pdf

http://www.gta.ufrj.br/grad/04_1/wdm/tdm.gif


http://www.ee.duke.edu/~yc/hot_links.html



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http://www.anritsu.co.uk/products/default.php?p=132&model=DWDM%2BDFB%2BLaser%2BDiodes



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Figura 16 - Concepção dos Filtros de Filmes FinosFonte: http://us.fujitsu.com/img_asset/FNC/pdfServices/dwdm-prereqrisite.pdf Figura 17 - EDFAFonte: http://us.fujitsu.com/img_asset/FNC/pdfServices/dwdm-

prereqrisite.pdf Figura 18 - Faixa de Comprimento de Onda e Espaçamentoentre Canais: CWDM X DWDMFonte: http://www.mrv.com/wdm/ Figura 19 - Multiplexação por Divisão de Freqüência: (a)Larguras de bandas originais; (b) Larguras de banda aumentamde freqüência; (c) Canal multiplexado.Fonte: Tanembaum, Andrew S. : "Redes de Computadores" Figura 20 - Acesso múltiplo por divisão de comprimento deonda (WDMA - Wavelength Division Multiple Access)

Fonte: Tanembaum, Andrew S. : "Redes de Computadores" Figura 21 - Pesquisadores do Bell Labs monitorando umatransmissão experimental de 1022 comprimentos de onda em umaúnica fibra ópticaFonte: http://www.bell-labs.com/news/1999/november/10/2.html

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1. Introdução

A fibra óptica foi inventada em 1952, por um físico indiano chamadoNarinder Singh Kanpany. Desde então, a fibra óptica passou por umasérie de evoluções e hoje em dia, é utilizada em diversas áreas: namedicina, em equipamentos e, principalmente, em telecomunicações.

Na área das telecomunicações, a fibra óptica representa um excelentemeio para o tráfego de dados como, por exemplo, voz e televisão,entre muitas outras aplicações. Se comparadas com fios metálicos, asfibras ópticas apresentam inúmeras vantagens, como, por exemplo,imunidade a interferência elétrica e baixa perda de transmissão. Noentanto, o custo de um processo de cabeamento óptico ainda é muitoalto. Isso faz com que seja preferível a utilização de cabos metálicos. A tecnologia óptica tem se desenvolvido bastante e a procura pornovas tecnologias é crescente. Além disso, temos o desenvolvimentode aplicações que exigem altas taxas de transferência, tais como atransmissão de áudio e vídeo. Para aumentar a capacidade detransmissão de dados, poderíamos instalar mais cabos nas redes.Isso seria uma maneira de aliviar o esgotamento dos recursos dafibra. No entanto, envolveria alto custo e considerável tempo deconstrução, tornando-a impraticável na maioria dos casos.

Uma outra maneira de aumentar a taxa de transferência seriaaumentar a taxa de bits usando o TDM (Time Division Multiplexing).O TDM é um método de combinação de várias informaçõesindependentes em uma única informação, para que a capacidade domeio seja aumentada. Essa combinação é feita pela junção dos sinaisde acordo com uma seqüência definida. Ao chegar no receptor, cadainformação independente é separada, baseando-se na seqüência e notempo. Com isso, mais bits (dados) podem ser transmitidos porsegundo. No entanto, utilizando TDM, podemos ter degradação do

sinal devido à dispersão e a efeitos não lineares.



Figura 1 - Princípio do TDM Uma terceira escolha para aumentar a banda seria o WDM(Wavelength Division Multiplexing) que é uma tecnologia demultiplexação por divisão de comprimentos de onda. Isso iriaaumentar a capacidade da fibra já implantada, além de se tornar

possível a integração entre a atual e a próxima geração detecnologias.



2. WDM

2.1. Definição

Objetivando se tornar mais eficiente o uso de fibras ópticas, por voltade 1990, foi desenvolvida a tecnologia WDM (Wavelength DivisionMultiplexing). Esta tecnologia consiste em juntar numa mesma fibravários sinais de luz, de cores (comprimentos de onda) diferentes,cada um gerado por um laser separado. No receptor, os sinais decores diferentes são novamente separados.

Figura2 - Princípio do WDM Essa técnica de multiplexação é realizada com o objetivo deaumentar a capacidade de transmissão e como conseqüência, usar alargura de banda da fibra óptica mais adequadamente. No entanto,nos sistemas WDM, esse objetivo ainda não é alcançadocompletamente, pois é possível a multiplexação de poucoscomprimentos de onda.



2.2. Características As tecnologias WDM oferecem suporte a projetos de altaperformance, tais como: ensino à distância, laboratórios remotos,telemedicina, computação em grade, ambientes colaborativos. OWDM utiliza paralelamente tecnologias de rede como Multicast,Engenharia de Tráfego (Traffic Engineering), QoS (Quality of Service),entre outras, oferecendo um serviço de qualidade, com novastecnologias e alta capacidade de comunicação.

Os sinais a serem transmitidos nos diferentes comprimentos de ondapodem possuir formatos e taxas de bit diferentes, o que promoveuma maior transparência aos sistemas de transporte. Cada sinal podeser formado por fontes de dados (texto, voz, vídeo, etc.) diferentes eé transmitido dentro de seu próprio comprimento de onda. Assim, o

WDM carrega os sinais de maneira independente uns dos outros,significando que cada canal possui sua própria banda dedicada. A grande vantagem associada ao WDM é a possibilidade de semodular o aumento da capacidade de transmissão conforme omercado e de acordo com a necessidade de tráfego. A principal razãopara a utilização destes sistemas é o baixo custo. Estes sistemaspossibilitam o alcance de uma melhor relação entre custos e bitstransmitidos, sob determinadas condições. Algumas análises mostramque, para distâncias menores que 50Km, a solução de multi-fibra é

menos dispendiosa e para distâncias maiores que este valor, o custoda solução WDM é melhor. Os sistemas WDM possuem algumas características básicas,apresentadas a seguir:

Flexibilidade de capacidade: migrações de 622 Mbps para 2,5 Gbps e,a seguir para 10 Gbps poderão ser realizadas sem a necessidade dese trocar os amplificadores e multiplexadores WDM. Desta maneira, épossível se preservar os investimentos realizados;Transparência a sinais transmitidos: podem transmitir uma grandevariedade de sinais de maneira transparente. Como não há oenvolvimento de processos elétricos, diferentes taxas de transmissãoe sinais poderão ser multiplexados e transmitidos para o outro ladodo sistema, sem a necessidade de uma conversão ópto-elétrica;Permite crescimento gradual de capacidade: um sistema WDM podeser planejado para 16 canais, podendo ter sua operação iniciada comum número menor de canais. A introdução de mais canais no sistemapode ser feita simplesmente adicionando novos equipamentosterminais;Reutilização dos equipamentos terminais e da fibra: permite ocrescimento da capacidade, mantendo os mesmos equipamentos

terminais e a mesma fibra;



Atendimento de demanda inesperada: geralmente, o tráfegoaumenta mais rapidamente que o esperado e, neste caso, algunssistemas podem não possuir uma infra-estrutura disponível parasuportá-lo. Os sistemas WDM podem solucionar este problema,economizando tempo na expansão da rede.

Serão citadas algumas situações que favorecem a utilização de WDM:

Casos onde a rede apresenta longas distâncias, especialmente redesponto-a-ponto e em cadeia;Situações onde o aumento da capacidade requer a instalação denovos cabos e principalmente se não há espaço para novos cabos nainfra-estrutura existente;Casos em que o aumento de capacidade deve ser alcançado emcurtos períodos de tempo.

É muito comum comparar os sistemas TDM e WDM, coma finalidadede se encontrar a melhor solução. Após serem realizados algunstestes, chegou-se às seguintes conclusões:

Em aplicações de distâncias pequenas, onde regeneradores eamplificadores não são utilizados, um sistema TDM é a solução maisviável;Em aplicações de longas distâncias, o sistema WDM se torna maisbarato, pois um mesmo regenerador óptico é utilizado para um grupode canais, o que reduz o número de regeneradores e fibrasutilizados;

Em aplicações entre 120 e 300 Km, a melhor solução é variável,dependendo do caso e também dos custos de implementação.

Foi visto que o WDM pode ser introduzido em sistemas já existentesde forma a ampliar a capacidade de transmissão destes sistemas.Para garantir uma perfeita integração entre um sistema antigo e oWDM, é necessário tomar as seguintes providências:

Ter uma noção geral do tráfego que é transmitido pela rota, definindoseu formato e taxas de transferência, considerando que a existênciade tráfego analógico também deve ser examinada; Ter uma visão da infra-estrutura existente, o tipo de cabo ópticoutilizado, comprimentos dos enlaces e pontos de regeneração;Definir a capacidade final de transferência do sistema;Ter uma noção das interfaces ópticas disponíveis nos terminais;Definir se é necessário o uso de equipamentos adicionais, como, porexemplo, transponders, módulos de compensação. Definir aquantidade necessária de regeneradores;Migração do tráfego para novos sistemas após a instalação dosmesmos. A instalação causa uma interrupção do tráfego, por umtempo indeterminado.



3. CWDM

3.1.Definição

O CWDM (Coarse WDM ou WDM Esparso) é uma tecnlogia WDM debaixa densidade e seu princípio de funcionamento é o mesmo doWDM. Nesta técnica, a informação é agrupada em até 16 canais entreos comprimentos de onda de 1310 nm e 1610 nm, onde a distânciaentre os canais é de 20 nm (3000 GHz). Esse sistema exige menos controle do comprimento de onda e possuielevada qualidade de serviço. Além disso, essa tecnologia utilizalasers como transmissores e é desnecessária a presença deamplificadores ópticos. Isso faz com que seja preferível o uso doCWDM em redes metro, devido a seu custo acessível.

Outra característica dos sistemas CWDM é que estes possuemflexibilidade suficiente para serem empregados em conexões ponto-a-ponto. Também suportam tráfego Ethernet e interconexão de SANs(Storage Area Networks). A taxa de transmissão suportada é de 1.25Gb/s, cobrindo distâncias de até 40 km. Além disso, oferece suportepara taxas de 2.5 Gb/s, cobrindo distâncias de até 80 km. Banda Óptica Atualmente as bandas de freqüência óptica mais utilizadas emsistemas CWDM são:

O - Band (Original Band ) - vai de 1260 nm a 1360 nm; E - Band (Extended Band ) - está na faixa de 1360 nm a 1460 nm; C - Band (Conventional Band ) - vai de 1530 nm a 1570 nm.



4. DWDM

4.1. Definição

O DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing - multiplexaçãodensa por comprimento de onda) é uma tecnologia WDM. Segundo aITU (International Telecommunications Union), os sistemas DWDMpodem combinar até 64 canais em uma única fibra. No entanto,podemos encontrar, na prática, sistemas DWDM que podemmultiplexar até 128 comprimentos de onda. Além disso, foramrealizados alguns testes que provaram ser possível a multiplexaçãode até 206 canais.

O espaçamento entre os canais pode ser de 200 GHz (1.6 nm), 100GHz (0,8 nm), 50 GHz (0,4 nm), podendo chegar a 25 GHz (0,2 nm).Os sistemas DWDM utilizam comprimentos de onda entreaproximadamente 1500 nm e 1600 nm e apresentam alta capacidadede transmissão por canal, 10 Gbps, podendo alcançar 1Tbps natransmissão de dados sobre uma fibra óptica.

Figura 3 - Princípio do DWDM Um sistema DWDM capaz de multiplexar 40 comprimentos de onda a10 Gb/s por canal, possui uma banda total de 400 Gb/s, o que ésuficiente para transportar em uma única fibra o conteúdoequivalente a mais que 1100 volumes de uma enciclopédia em 1s.Sistemas DWDM com 40 Gb/s por comprimento de onda já sãorealizáveis, e a tendência é aumentar continuamente tanto adensidade de canais multiplexados quanto a taxa de bits por canal. O DWDM é a chave tecnológica para integração das redes de dados,voz e imagem de altíssima capacidade. Além de ampliar



exponencialmente a capacidade disponível na fibra, o DWDM possui avantagem de não necessitar de equipamentos finais para serimplementado. E ainda, esta técnica de multiplexação obedece aopadrão de fibra G.652 (monomodo) que é utilizado na maioria dosbackbones de fibra óptica.

Atualmente, o DWDM é utilizado principalmente em ligações ponto-a-ponto. Nessa tecnologia, é possível que cada sinal transmitido estejaem taxas ou formatos diferentes. Desta forma, a capacidade detransmissão de sistemas DWDM podem ser ampliadasconsideravelmente e de maneira relativamente fácil. E ainda é capazde manter o mesmo grau de desempenho, confiabilidade e robustezdo sistema. 4.2. Link DWDM Nas redes ópticas emprega-se a utilização de um link DWDM ponto-a-ponto. Neste sistema, emissores de luz lançam feixes de luz naentrada do multiplexador óptico. Este mux irá combinar os diferentescomprimentos de onda em um único caminho, sendo então acopladosem uma fibra monomodo. No final do link, os canais ópticos sãoseparados pelo demultiplexador óptico e levados para os diferentesreceptores. Para links de transmissão que possuem longas distâncias,é preciso que os sinais sejam amplificados. Para isso, utiliza-se umamplificador óptico.

Figura 4 - Enlace DWDM Ponto-a-ponto 4.2.1. Componentes A) Fibras Ópticas Uma fibra óptica é um fio fino feito de materiais como sílica, silicone,vidro, nylon ou plástico. Esses materiais são dielétricos (isolanteselétricos), além de serem cristalinos e homogêneos, o que os tornamsuficientemente transparentes para guiar um feixe de luz (visível ouinfra-vermelho) através de um determinado trajeto. Assim, a luzaplicada a uma das extremidades percorre a fibra até sair pela outra

extremidade, podendo este percurso atingir centenas de quilômetrossem a necessidade de que o sinal seja regenerado. A estrutura básica



das fibras ópticas consiste em um conjunto de cilindros concêntricos,cada um com uma determinada espessura e determinado índice derefração, de forma que possibilitem o fenômeno da reflexão internatotal.

Figura 5 - Estrutura de uma FibraÓptica Figura 6 - Fenômeno da Reflexão na Fibra Óptica

Num sistema DWDM, geralmente utiliza-se fibras monomodo (SMF -Single Mode Fiber). A construção desse tipo de fibra é realizada de talforma que apenas o modo fundamental de distribuiçãoeletromagnética é guiado. Assim, evita-se os diversos caminhos depropagação da luz no interior do núcleo e, conseqüentemente, adispersão do impulso luminoso é reduzida. Para isso, o diâmetro donúcleo da fibra deve ser poucas vezes maior que o comprimento deonda da luz utilizada para a transmissão. Normalmente, encontramosas seguintes dimensões: 2 a 10 micrômetros para o núcleo e 80 a

125 micrômetros para a casca. Os materiais mais utilizados para afabricação desta fibra são sílica e sílica dopada.

Figura 7- Fibra Monomodo A seguir, é apresentado um gráfico indicando a variação daatenuação do sinal na fibra, quando variamos o comprimento de



onda, para o padrão de fibra monomodo G.652. Analisando essegráfico, vemos que podemos utilizar uma faixa de comprimentos deonda entre 1280nm e 1650nm. O limite inferior dessa faixa decomprimento de onda assume esse valor devido ao diâmetro donúcleo da fibra monomodo. Já o limite superior dessa faixa é

explicado pelo fato de que, para um valor acima deste limite, aatenuação aumenta rapidamente.

Figura 8 - Gráfico Atenuação X Comprimento de onda para Padrões G.652

Na transmissão por fibras óticas, buscamos baixas atenuações desinal. Por isso, utiliza-se regiões específicas do espectro óptico, querecebem o nome de janelas óticas. Os primeiros sistemas DWDMforam projetados para operar na primeira janela óptica, próximo a

850 nm. Nessa janela, a atenuação é de cerca de 0.8 dB/km. Emtorno de 1310 nm, temos a segunda janela (banda O), onde temosuma atenuação menor que na primeira janela, próximo de 0.3 dB/kmque possui uma em 1310 nm. Temos ainda uma terceira janela(banda S), em torno de 1550 nm, que apresenta uma perda menorque 0.3 dB/km, e uma quarta janela, por volta de 1625 nm, quetambém apresenta uma pequena atenuação. A capacidade de transmissão ou banda passante da fibra monomodoé aproximadamente de 50 THz. Somente uma pequena fração dessacapacidade vem sendo utilizada. Um sinal de 2,5 Gb/s, por exemplo,usa apenas 0,005%, ao passo que um sinal de 10 Gb/s utiliza 0,02%.



Utilizando uma tecnologia de multiplexação WDM, pode-se aproveitarainda mais a banda passante oferecida pela fibra monomodo. Banda Óptica Atualmente as bandas de freqüência óptica mais utilizadas emsistemas DWDM são:

S - Band (Short Band ) - vai de 1450 nm a 1500 nm. C - Band (Conventional Band ) - vai de 1530 nm a 1570 nm; L - Band (Long Band ) - está na faixa de 1570 nm a 1625 nm;

B) Emissores e Detectores de Luz Emissores de luz Um sistema DWDM impõe altas exigências a seus componentes,principalmente com relação ao comprimento de onda do feixe de luzfornecido pelas fontes. A fonte utilzada no sistema é muitoimportante, pois suas características geralmente atuam diretamenteno desempenho final do link óptico. Assim, esses dispositivosprecisam ser compactos, e devem emitir feixes de luzmonocromática, estável, e de longa duração. Para a emissão dos sinais de luz numa transmissão óptica, podemos

utilizar dois tipos de fontes: os diodos emissores de luz (LEDs - Light Emitting Diodes) e os lasers semicondutores. Os LEDs sãodispositivos lentos em relação aos lasers, além de serem adequadospara a utilização em taxas menores que 1 Gb/s. E ainda, possuemum espectro largo, e são freqüentemente usados em comunicaçõescom fibras multimodo. Já os lasers semicondutores possuemcaracterísticas adequadas às aplicações com fibras monomodo. Alémdisso, os lasers são capazer de emitir feixes de luz com comprimentode onda preciso, largura de espectro limitada e potência suficiente.

O custo dos lasers em relação aosLEDs é maior, mas é amplamenteempregado em enlaces DWDM, jáque atendem a maior parte dasexigências dessa tecnologia, queexige ainda o controle da mudançada freqüência no tempo. Noentanto, os lasers não satisfazemesse requisito, que pode ser afetadopelo meio utilizado para a

modulação do sinal. Figura 9 - Laser DFB Anritsu para



Sistemas DWDM Os lasers semicondutores maisusados são os lasers Fabry-Perot eos lasers DFB (Distribuited FeedBack ). Os lasers DFB são osmais adequados às aplicaçõesDWDM, já que emite feixes de luzbem semelhante à luzmonocromática e permite altasvelocidades de transmissão, além depossuir uma relação sinal-ruídofavorável e apresentar maiorlinearidade. Esses lasers podemoperar em torno de 1310 nm e nafaixa de 1520 nm a 1565 nm, queapresenta compatibilidade com os

amplificadores EDFAs. Detectores de luz Num sistema de transmissão de dados por fibra óptica, o receptorconsiste em um fotodiodo ou fotodetector, que é um dispositivo queemite um pulso elétrico ao ser atingido pela luz. Normalmente, otempo de resposta de um fotodiodo corresponde a 1 ns, fator quelimita as taxas de transmissão em 1 Gb/s. Outro fator importante é oruído térmico. Para ser detectado, um pulso de luz precisa conduzirenergia suficiente. Se o sinal transmitido possuir potência suficiente,a taxa de erros pode se tornar pequena o bastante, de forma que nãoafete a transmissão.

No caso de sistemas DWDM, é preciso que os sinais transmitidossejam recuperados em diferentes comprimentos de ondas sobre afibra. Assim, os sinais ópticos são separados (demultiplexados) antesde chegar no detector. Os fotodetectores mais usados são o PIN(Positive-Intrinsic-Negative) e o APD ( Avalanche PhotoDiode). Osfotodiodos PIN apresentam certas vantagens, tais como baixo custo e

confiabilidade, enquanto os APDs demonstram maiores sensibilidadee precisão e alto custo.

C) Multiplexadores e Demultiplexadores Os sistemas DWDM necessitam de equipamentos capazes decombinar sinais que provêm de várias fontes emissoras, para quesejam transmitidos por uma única fibra. Assim, os multiplexadoresconvergem sinais de diversos comprimentos de onda em um únicofeixe. Nos receptores, temos equipamentos demultiplexadores, que

possuem a função de separar o feixe recebido em suas váriascomponentes de comprimento de onda. A estrutura dos



multiplexadores e demultiplexadores é basicamente a mesma, masem um enlace DWDM, são colocados em direções opostas.

Esses equipamentos podem ser classificados como passivos ou ativos.Se forem passivos, são baseados na utilização de prismas, difração

ou filtros. Se forem ativos, se baseam na combinação de dispositivospassivos com filtros sintonizados. Nestes dispositivos, é necessáriominimizar a interferência entre canais e maximizar a separação entreeles. Existe um tipo especial de multiplexador denominado add/drop-multiplexer . Este dispositivo, além de realizar a função de ummultiplexador comum, permite a remoção de um sinal e a inserção deum novo sinal, de mesmo comprimento de onda, em um enlace detransmissão. Todos os outros comprimentos de onda passam através

do multiplexador add/drop com uma pequena perda de potência(geralmente alguns dB). Isso facilita a evolução de links ópticosDWDM ponto-a-ponto, pois nem todos os canais da transmissãopossuem a mesma origem e o mesmo destino.

Figura 10 - Optical Add/Drop Multiplexer Técnicas de multiplexação e demultiplexação Uma maneira simples de multiplexação ou demultiplexação da luzpoderia ser realizada utilizando-se um prisma. Como o feixe de luzpolicromática incide paralelamente na superfície do prisma, durante ademultiplexação, cada comprimento de onda é refratadodiferentemente. Assim, cada comprimento de onda é separado um do

outro por um ângulo. Então, uma lente irá focalizar cada feixe, demaneira que entrem adequadamente na fibra. Essa mesma técnicapode ser feita para realizar a multiplexação de diferentescomprimentos de onda dentro de uma única fibra.



Figura 11 - Multiplexação através de um Prisma

Figura 12 - Demultiplexação através de um Prisma Uma outra técnica tem base nos princípios de difração e interferênciaóptica. Ao incidir numa grade de refração, cada comprimento de ondaque compõe o feixe de luz policromática é difratado em diferentesângulos e, assim, para pontos diferentes no espaço. Para focalizareste feixes dentro de uma fibra, pode-se usar lentes.



Figura 13 - Multiplexação através de Grades de Difração

Figura 14 - Demultiplexação através de Grades de Difração As grades de guias de ondas (AWGs - Arrayed WaveGuide) sãodispositivos que também se baseam nos princípios da difração. OAWG, também é conhecido como roteador óptico de guia de onda econsiste de uma matriz de canais curvados com uma diferença fixa nocaminho entre canais adjacentes. Os AWGs são conectados àosterminais de entrada e saída. Ao incidir no terminal de entrada, a luzé difratada e entra na matriz de guia de ondas. Nessa matriz adiferença de comprimento óptico de cada guia de onda produz umadiferença de fase no terminal de saída, quando acoplado uma matriz

de fibras. Isso resulta em diferentes comprimentos de onda



possuindo máximos de interferência em diferentes lugares, quecorrespondem às portas de saídas.

Figura 15 - Demultiplexação através da AWG Tem-se ainda uma técnica que utiliza filtros de interferência emdispositivos denominados filtros de filmes finos ou filtros deinterferência de múltiplas camadas. Essa técnica consiste em inserirfilmes finos no caminho óptico, de forma que os comprimentos deonda da luz policromática possam ser separados. Cada filme colocadono caminho da luz deve transmitir um comprimento de onda e refletirtodos os outros. Colocando estes dispositivos em cascata, muitoscomprimentos de onda podem ser demultiplexados.

Figura 16 - Concepção dos Filtros de Filmes Finos D) Amplificadores Ópticos Em sistemas de transmissão de dados por fibras ópticas a longasdistâncias, o sinal transmitido precisa ser amplificado após percorreruma certa extensão da fibra. Pode-se utilizar um repetidor elétricocomo amplificador. O repetidor irá converter o sinal ótico em sinal

elétrico através de um fotodiodo e irá amplificá-lo, reconvertendo-oem sinal óptico.



No caso de sistemas DWDM, que se trata de um sistema multi-canal,temos que cada canal requer, separadamente, uma conversão opto-elétrica, seguida da amplificação e reconversão elétrica-ótica. Destaforma, para um sistema de n canais, serão necessários n repetidores.Assim, é mais conveniente usar amplificadores óticos. Os amplificadores óticos são dispositivos que têm a finalidade deamplificar um sinal fraco e distorcido, objetivando a regeneraçãodesse sinal. Esse equipamento realiza a amplificação no domínioótico, ou seja, sem realizar a conversão do sinal óptico em pulsoselétricos. Como os amplificadores óticos operam apenas na faixa debanda específica do espectro de freqüência, a faixa de freqüênciapara sistemas DWDM são muito dependentes desses amplificadores.A amplificação ótica não depende da taxa de transmissão de dados.

O amplificador óptico mais conhecido é o EDFA (Erbium-Doped FiberAmplifier). O érbio é um elemento que emite luz quando excitado.Esse amplificador, recebe um sinal fraco e uma luz de comprimentode onda de 980 nm ou 1480 nm é injetada por um laser. Issoestimula os átomos do érbio a liberar a energia armazenada como luzde 1550 nm. Este processo é contínuo através da fibra e, por isso, osinal aumenta fortemente. No entanto, as emissões espontâneas noEDFA também adicionam ruído ao sinal transmitido.

Figura 17 - EDFA



5. Recomendações ITU-T

O comitê da ITU-T (International Telecommunications Union -Telecommunication Standardization Sector ) tem uma série derecomendações relacionadas a comunicações por fibras ópticas,inclusive para sistemas DWDM e CWDM. A seguir, temos uma listacom algumas dessas recomendações:

ITU-T G.652 - sofreu útima revisão em março de 2003. Essarecomendação trata-se das características de cabos e fibrasmonomodos, descrevendo os atributos geométricos emecânicos, bem como as características de transmissão da fibraSMF com dispersão zero e comprimento de onda em torno de1310 nm. Esta fibra foi otimizada para operar na região de1310 nm, mas também pode ser utilizada na região de 1550nm. Essa é a mais recente revisão da recomendação criada em1984. ITU-T G.653 - em dezembro de 2003 foi aprovada a quinta emais recente versão dessa recomendação, criada em 1988.Essa recomendação descreve as características de fibrasmonomodo com dispersão zero e comprimento de onda naregião de 1550 nm.ITU-T G.655 - em março de 2003 foi aprovada a mais recente

revisão dessa recomendação criada em 1996. A ITU-T G.655descreve as características de uma fibra monomodo que possuium valor absoluto do coeficiente de dispersão cromática melhorque o de outras fibras SMF, na faixa de 1530 nm a 1565 nm.Para essa fibra, há a redução do crescimento de efeitos não-lineares, particulares de sistemas DWDM. ITU-T G. 694.1 - aprovada em junho de 2002, essa recomendaçãofornece uma tabela de freqüências para aplicações DWDM. Essatabela sustenta um espaçamento de 12.5 GHz a 100 GHz entrecanais. ITU-T G.694.2 - a primeira versão foi aprovada em junho de2002, tendo uma versão mais atual aprovada em dezembro de2003. Essa recomendação fornece uma tabela de comprimentosde onda para aplicações CWDM. Essa tabela suporta umespaçamento de 20 nm entre os canais. ITU-T G.695 - aprovada pela ITU-T em fevereiro de 2004,essa recomendação complementa a recomendação existenteITU-T G.694.2 e é a mais recente das recomendações da sérieG. Além disso, trata de interfaces ópticas para aplicaçõesCWDM que suportam até 16 canais e taxas de transmissões deaté 2.5 Gb/s. As aplicações definidas usam dois métodosdiferentes: um com parâmetros de interface usando multicanal



e outro com parâmetros de interface usando um único canal.Nos dois métodos são especificados aplicações unidirecionais ebidirecionais.



6. CWDM X DWDM

O CWDM e o DWDM, por serem tecnologias WDM, ambos apresentamo mesmo princípio de funcionamento de combinar várioscomprimentos de onda em uma única fibra, de forma a aumentar suacapacidade. No entanto, existem algumas diferenças básicas queserão apresentadas a seguir.

Características CWDM DWDM Número de comprimentos de

onda que podem ser combinadosem uma única fibra 16 64

Faixa de comprimento de onda 1310 nm a 1610nm 1492.25 nm a1611.79 nm Espaçamento entre canais 20 nm 100 GHz (0.8

nm) Bandas ópticas utilizadas O, E e C S, C e L

Áreas de aplicações RedesMetropolitanas Aplicações

ponto-a-ponto Densidade, devido ao

espaçamento entre os canais Baixa Alta

Figura 18 - Faixa de Comprimento de Onda e Espaçamento entre Canais: CWDM XDWDM

Na tabela apresentada acima, vemos diferenças em algumascaracterísticas das tecnologias CWDM e DWDM. Além dessasdiferenças, temos outras, que também serão citadas. Os sistemasDWDM requerem que os lasers utilizados possuam temperaturasestáveis, além de necessitarem de filtros de banda estreita. Já ossistemas CWDM não necessitam que os lasers utilizados possuamtemperaturas estáveis e os filtros utilizados são de banda larga.



Assim, percebemos que a implementação de sistemas DWDM é maiscomplexa, se comparado com o CWDM.

Geralmente, o DWDM é a melhor escolha para aplicações onde adensidade dos canais ou a largura de banda são de maior prioridade.

O CWDM, por sua vez, é uma excelente opção onde os gastos devemser considerados. Há uma estimativa de que o emprego do CWDMpode economizar em até 30% dos gastos se comparado com oDWDM.



7. Outras Tecnologias WDM

- WWDM

O WWDM (Wide Wavelength Division Multiplexing) utiliza a janelaóptica em 1310 nm e possui um amplo espaçamento entre os canaismultiplexados. O WWDM permite a combinação de 4 comprimentosde onda em uma única fibra. Além disso, é uma tecnologia muitoversátil, pois suporta fibras multimodo para distâncias curtas (300 m)e fibras monomodo para longas distâncias (10 km).

O Wide WDM é amplamente aplicado a LAN's (Local Area Networks -redes locais). Além disso, é utilizado nas especificações 10GBase-LX4/LW4 do protocolo 10 GE (10 Gigabit Ethernet ), aprovado emmarço de 2001 pelo comitê IEEE 802.3. Nestas especificações seusam duas fibras monomodos ou multimodos com WWDM, nocomprimento de onda de 1310 nm. Neste caso, são multiplexadosquatro comprimentos de onda em cada fibra, espaçados de 24.5 nm.A seguir, apresentamos alguns parâmetros desta especificação.

Meio Banda Modal(MHz.km)

Distância máxima(m)

Fibra Multimodo 62,5um 500 300

Fibra Multimodo 50 um 400 240 Fibra Multimodo 50 um 500 300

Fibra Monomodo N/A 10000

- UDWDM O U-DWDM (Ultra - Dense Wavelength Division Multiplexing) éconsiderado como o próximo estágio nas comunicações ópticas. Estatecnologia combina 128 ou 256 comprimentos de onda em uma únicafibra óptica, sendo que cada comprimento de onda teria uma taxa detransmissão de 2.5 Gb/s, 10 Gb/s e até 40 Gb/s. No U-DWDM oscanais estão espaçados de 10 GHz, o que corresponde a 0.08 nm.



Nos Laboratórios Bell, em Holmdel, New Jersey, conseguiu-se atingiruma transmissão de 1022 comprimentos de onda em uma única fibraóptica, utilizando-se U-DWDM. Nessa transmissão experimental, cadacomprimento de onda carregava informações distintas. Foi utilizadoum único laser de alta velocidade para gerar todos os sinais, ao invés

de usar um laser para cada comprimento de onda. como é feito nossistemas WDM convencionais. Cada canal carrega informações a umataxa de 37 Mb/s, totalizando mais de 37 Gb/s. Pesquisadoresacreditam que esta taxa pode chegar a uma ordem de Tb/s.

Figura 21 - Pesquisadores do Bell Labs monitorando uma transmissão experimentalde 1022 comprimentos de onda em uma única fibra óptica



8. WDMA

O WDMA (Wavelength Division Multiple Access) é um protocolo deacesso múltiplo por divisão de comprimento de onda, pertencente àsubcamada de controle de acesso ao meio (MAC - Medium AccessControl ). Um protocolo de acesso múltiplo é usado com a finalidadede alocação de canais de acesso múltiplo. No caso do WDMA, cadacanal é dividido em sub-canais, utilizando-se métodos demultiplexação como o FDM (Frequency Divison Multiplexing), TDM(Time Division Multiplexing) e WDM (Wavelength DivisonMultiplexing). Esses subcanais são então alocados dinamicamente,conforme as necessidades. Esse método é muito utilizado em LANs(Local Area Networks - redes locais) de fibra óptica para que sepossam realizar transmissões diferentes utilizando comprimentos deonda (freqüências) distintos ao mesmo tempo.

Figura 19 - Multiplexação por Divisão de Freqüência: (a) Larguras de bandasoriginais; (b) Larguras de banda aumentam de freqüência; (c) Canal multiplexado. Para possibilitar a realização de várias transmissões ao mesmo

tempo, o espectro do sinal é dividido em canais, ou seja, bandas decomprimento de onda, conforme a Figura 19. Nesse protocolo, cada



estação pertencente à LAN possui um canal estreito, que servirá decanal de controle para a transmissão de sinais. Além desse canal, éfornecido um canal largo, para permitir que a estação transmitaquadros de dados. Asim, temos que são atribuídos um total de doiscanais a cada estação de uma LAN óptica. Cada canal é dividido em grupos de slots de tempo. Será consideradoque o número de slots do canal de controle é m e o número de slots do canal de dados é n+1, onde os n primeiros slots são reservadospara dados e o último é destinado ao uso por uma estação, para queela possa informar seu status, especialmente sobre quais slots dosdois canais não estão sendo utilizados. Nesses dois canais, repete-seindefinidamente a seqüência de slots, e o slot 0 é marcado de formaespecial para que possam ser detectados por retardatários. Todos oscanais são sincronizados através de um único relógio global. A seguir, apresentamos um esquema com a divisão de slots noscanais de dados e controles.

Figura 20 - Acesso múltiplo por divisão de comprimento de onda (WDMA -Wavelength Division Multiple Access)

Cada estação deve possuir dois transmissores e dois receptores. Umdos receptores deve possuir comprimento de onda fixo, para que

possa ouvir seu próprio canal de controle. O outro receptor devepossuir comprimento de onda ajustável, para que seja possível a



seleção de um transmissor de dados para escuta. O mesmo ocorrecom os transmissores: um deles é ajustável para transmissão noscanais de controle de outras estações e o outro possui comprimentode onda fixo para transmissão de quadros de dados. Assim, épossível que cada estação detecte se existem solicitações recebidas

em seu próprio canal de controle e, em seguida seu comprimento deonda é ajustado ao comprimento de onda do transmissor, para quepossa receber os dados. Esse ajuste do comprimento de onda érealizado por um interferômetro de Fabry-Perot ou Mach-Zehnder.Esses interferômetros filtram todos os comprimentos de onda, comexceção da banda de comprimento de onda desejada. O protocolo WDMA pode aceitar três tipos de tráfego: (1) tráfego do tipo CBR (Constant Bit Rate), ou seja, tráfego onde as

conexões possuem taxas constantes de tranmissão de dados, como,por exemplo, vídeo não compactado;(2) tráfego VBR (Variable Bit Rate), onde as conexões apresentamtaxas variáveis de transmissão de dados, como, por exemplo,transferência de arquivos;(3) tráfego de datagramas, como, por exemplo, pacotes UDP (User Datagram Protocol ). Nos dois primeiros casos (tráfego VBR e CBR), para a estação A secomunicar com a estação B, deve-se primeiramente solicitar conexão.

Isso é realizado pela inserção de um quadro CONNECTION REQUEST em um slot livre do canal de controle de B. Caso B aceite, acomunicação no canal de dados de A poderá ser estabelecida. Supondo que foi estabelecida uma conexão entre as estações A e Bpara um tráfego do tipo VBR, temos que a estação A precisaconfigurar seu canal de comunicação. Primeiramente, A deve ajustarseu receptor de dados ao canal de dados de B e aguardar o slot destatus da estação B. Esse slot informará quais slots de controleestarão atribuídos e quais estarão livres nesse instante. Na Figura 20,

dos dezesseis slots de controle de B, os slots 0, 3, 4, 6, 8, 11, 12 e14 estão livres. Os restantes estão ocupados. A estação A precisa escolher um dos slots de controle de B queestejam livres. Supõe-se que A tenha escolhido o slot 6 e suamensagem CONNECTION REQUEST é inserida nesse slot . Como aestação B realiza o monitoramento de seu canal de controleconstantemente, a solicitação é detectada e, como resposta, o slot 6é atribuído à estação A. Essa atribuição será informada à estação Ano slot de status do canal de dados de B. Quando A vê essainformação, sabe que a conexão estabelecida é unidirecional. Casofosse solicitada por A uma conexão bidirecional, a estação B repetiriaesse mesmo procedimento com A.



Caso as estações A e C tenham solicitado no mesmo momento omesmo slot de controle de B, nenhuma dessas estações obterãoêxito, e ambas detectarão essa falha ao monitorarem o slot de status no canal de dados de B. Assim, as duas estações deverão aguardarum período de tempo aleatório e, mais tarde, tentarão novamente

estabelecer uma conexão com B. Após todo esse procedimento, cada estação terá um caminho livre deconflitos para que possa enviar mensagens de controle à outraestação. Deste modo, para realizar uma transferência de arquivos, Aenvia para B uma mensagem de controle informando a existência dequadros de dados no slot 3 da saída de dados de A. Quando B recebeessa mensagem de controle, seu receptor é ajustado ao canal desaída de A para que se possa ler o quadro de dados. Dependendo doprotocolo usado na camada mais alta, a estação B pode usar esse

mesmo mecanismo para o envio de uma confirmação, caso deseje.Se as estações A e C possuírem conexões com B e ambas solicitaremque B observe o mesmo slot 3, a estação B irá escolher uma dessassolicitações aleatoriamente, e a outra transmissão será perdida. Para um tráfego do tipo CBR, o procedimento realizado é parecido.Quando há o requerimento de uma conexão pela estação A, temos oenvio simultâneo de uma solicitação para que A lhe possa enviar umquadro de dados no slot 3. Caso B não possua nenhum compromissoanterior em relação ao slot 3, uma conexão com largura de banda

garantida será estabelecida. Caso contrário, a estação A poderárealizar uma nova tentativa, com uma outra proposta, dependendodos seus slots de saída que ainda estiverem disponíveis. Para o tráfego de datagramas, o procedimento realizado também émuito parecido. Em vez de inserir uma mensagem do tipoCONNECTION REQUEST no slot de controle livre que acabou deencontrar (slot 6 da estação B), a estação A vai inserir umamensagem DATA FOR YOU IN SLOT 3 (DADOS PARA VOCÊ NO SLOT3). Caso B esteja livre durante o próximo slot de dados 3, a

transmissão será realizada com êxito. Do contrário, o quadro dedados se perderá. Assim, não é necessário nenhuma outra conexão. É possível que se encontre diversas variações nesse protocolo,decorrentes do fato de que foram propostos e implementados váriosprotocolos desse tipo. Por exemplo, ao invés de se atribuir a cadaestação seu próprio canal de controle, um único canal de controlepode ser compartilhado por todas as estações. Assim, a cada estaçãoserá atribuído um bloco de slots de cada grupo e será multiplexadovários canais virtuais em um único canal físico. Além disso, também épossível usar apenas um transmissor e um receptor, ambosajustáveis por estação. Desta forma, o canal de cada estação estariadividido em m slots de controle, seguidos por n + 1 slots de dados.



No entanto, nesse caso os transmissores teriam que esperar maistempo para solicitar um slot de controle, e os quadros de dadosconsecutivos ficariam mais afastados, já que algumas informações decontrole estariam a caminho.



9. Conclusões

Apesar de apresentar custo elevado em relação às tecnologias usadasatualmente, as fibras ópticas nos oferecem muitas vantagens, como,por exemplo, imunidade não só a interferências externas, mastambém a freqüências de rádio e radar e impulsos eletromagnéticos.As fibras ópticas também apresentam baixa atenuação, imunidade aruídos externos e taxas de transmissão maiores. O WDM, por sua vez, é usado para ampliar ainda mais a capacidadede transmissão da fibra. Essa tecnologia tem como princípio,combinar vários comprimentos de onda diferentes em uma únicafibra. O WDM possui uma série de variações como o CWDM, o DWDMe o WWDM. Futuramente teremos também o U-DWDM, que irámultiplexar centenas de comprimentos de onda em apenas uma fibra,alcançando taxas de transmissão na ordem de Tb/s. Com o aumento da procura por aplicações que exigem altas taxas detransmissão de dados, acompanhado da crescente evolução daspróprias fibras e das tecnologias aplicadas nas redes ópticas, espera-se que, brevemente, os cabos metálicos sejam substituídos por cabosde fibra óptica.



10. Referências Bibliográficas

Sites

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Trabalho da Graduação de José Antonio Casemiro Neto -DWDM: http://www.gta.ufrj.br/grad/02_2/dwdm/

Livros

Tanembaum, Andrew S. : "Redes de Computadores" - EditoraCampus, Tradução da 4a Edição

http://www.gta.ufrj.br/grad/02_2/dwdm/




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