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© João Pires Redes de Telecomunicações (10/11) 303

Redes de Telecomunicações

Capítulo 7

Redes de Acesso


Estrutura Geral da Rede de Acesso

• A rede local ou de acesso corresponde à componente da rede telefónica pública que liga a central local aos equipamentos de assinante (telefones, modems, etc.).

• Do repartidor de central local saem vários cabos de pares simétricos, sendo cada cabo constituído por centenas ou mesmo milhares de pares. Estes cabos são separados em feixes, e cada feixe vai alimentar uma determinada área de serviço.

Central Local

Limite da áreade serviço

Interface deárea de serviço Área de serviço

Grupos de casas

Cabo de pares simétricos

As áreas de serviço podem ter diferentes dimensões, desde umas dezenas de quilómetros nas áreas urbanas até algumas

centenas nas áreas rurais


Estrutura Simplificada da Central Local

• Na central local pode-se identificar o repartidor principal, as interfaces de linha de assinante (ILA), os multiplexadores, e o comutador.

• O repartidor principal funciona como terminação dos cabos de alimentação e faz a interligação entre os pares e a ILA.

• A ILA é usada para passar de dois para quatro fios e para fazer a conversão A/D e D/A, alimentar o telefone (-48 v), etc.

ILA

ILA

ILA

MUX/DMUX

Cabo de pares simétricos

Repartidorprincipal

Comutador

Cordão 2 fios4 fios

Interface de linhade assinante

Para desligar o telefone de um assinante basta

remover o cordão existente no repartidor principal que liga o par

simétrico à ILA

O comutador faz a comutação com base em sinais TDM (2 Mb/s). Por isso é necessário agregar os sinais a 64 kb/s

gerados pelas ILA através de um multiplexer.


Evolução da Rede de Acesso

• A rede de acesso convencional das redes telefónicas públicas eraconstituída por uma infra-estrutura de pares de fios de cobre entrelaçados (pares simétricos) que ligavam a central telefónica local ao telefone do assinante.

Comutador

RP

ASRASR

ASR

CD

CD

CD CDCD

CD

Cabo de alimentacão(centenas de pares)

Cabos de pares simétricos

Cabo de distribuição(dezenas de pares)

Central Telefónica Local

RP: Repartidor principal ASR: Armário de sub-repartição CD: Caixa de distribuição

Sub-rede de alimentação ou transporte

Sub-rede de distribuição


Rede de acesso com concentração

• Na evolução da rede alguns armários de sub-repartição foram por unidades remotas com capacidade para realizar concentração. Os cabos de alimentação foram substituídos por fibra óptica ou então por ligações via rádio (fixed wireless access).

Comutador

MUX

CD CDCD

CD

Central Telefónica Local

MUX: multiplexador UR: Unidade remota CD: Caixa de distribuição

Sub-rede de alimentação ou transporte

URUR

UR

Sub-rede de distribuição

Fibra óptica

ASR

CD

CD

Cabo de alimentacão(centenas de pares)

Cabo de distribuição(dezenas de pares)


Sub-rede de Transporte com SDH

• Na sub-rede de transporte a informação é multiplexada e transmitida em formato digital normalmente sobre fibra óptica. Como alternativa à topologia física em estrela da sub-rede de transporte pode-se usar uma topologia em anel fazendo uso da SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

• Outra alteração de relevo consiste em introduzir também ligações ópticas em partes da rede de distribuição. Como soluções em fibra têm-se :FTTCab, FTTC, FTTB, FTTH, dependendo da distância entre a ONU e o assinante (NT).

Central local

Unidade remota

URADMADM

Par de fibras defibras de serviço

ADMADM

ADMADM

ADMADM

UR

ONU NT

ONU NT

Sub-rede de transporte Sub-rede de distribuição

Unidade óptica de rede

Unidade de terminação de rede

Utilizador

Par simétricoFibra ópticaFibra óptica de serviço

Fibra óptica de protecção

ONU: Optical Network Unit NT: Network Termination


Funcionamento das Unidades Remotas

• As unidades remotas podem funcionar em modo concentrado ou não concentrado.

Mux/ Demux Comutador

12

N

1 2 3 N

Trama

tempo

Central LocalUnidade remota

Comutador

12

N

1 2 3 K

Trama

tempo

Central LocalUnidade remota

Con

cent

rado

r

Modo não concentrado

Modo concentrado

Neste modo se se considerar como exemplo N=30, o número de time-

slots disponíveis na trama TDM também é igual a 30.

N/K

Factor de concentração

K<NComo exemplo podem-se

considerar 240 assinantes e 30 time-slots. Tem-se um

factor de concentração de 8.

Vai introduzir bloqueioOs time-slots são atribuídos de acordo com as necessidades


Acesso à Internet

• O acesso pode ser directo (utilizadores empresariais), ou indirecto (utilizadores domésticos). O acesso indirecto usa a rede telefónica para aceder ao ISP (Internet Service Provider).

POP#n

POP

Modem nabanda de voz

Rede telefónica(Comutação de circuitos)

Rede de bandalarga (ATM)

ISP#1

ISP#2

ISP#n

Canal virtual permanente

Central local

O acesso indirecto pode ser de banda estreita ou de banda larga. O acesso de banda estreita é feito através de modems que operam na banda da voz. O acesso de

banda larga pode ser feito usando ADSL, ou outras soluções (ex: PON).

Par simétrico

O utilizador liga-se ao POP (point of presence) da rede telefónica. Este por sua vez liga-se aos POP dos ISPs através de circuitos alugados, ou canais virtuais

permanentes estabelecidos por uma rede ATM.

Acesso à Internet

Serviço telefónico


Acesso de Banda Larga

• O acesso de banda larga baseado no ADSL faz uso da infra-estrutura de pares simétricos existente entre o assinante e a central. A ligação aos ISPs é feita normalmente usando o ATM, estando-se a evoluir para a Ethernet.

Comutadorlocal

DSLAM

Rede de circuitos

Acesso à rede IP através da rede ATM

Modem ADSL

Filtro Filtro

Par simétrico

Estação local Instalações do cliente

No acesso de banda larga a rede de acesso inclui para além do modem ADSL , osmultiplexadores de acesso DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), situados

no mesmo edifício onde se encontra a central local.

Cada DSLAM interliga várias centenas de modems ADSL à rede IP através de uma rede de banda larga ATM

Para ser possível continuar a usar o par simétrico para serviços de banda estreita, usa-se um filtro para separar a banda entre os 0- 4 kHz do resto da banda.


Desagregação do Lacete Local

• A desagregação do lacete local descreve a obrigação do operador histórico de alugar a sua infra-estrutura de acesso a operadores alternativos. A desagregação pode ser completa ou parcial.

DSLAMModem xDSL

FiltroFiltro

Par simétrico

Estação do operadorhistórico

Instalações do cliente

R

P

DSLAM

Modem xDSL

Comutadorlocal

Operadorhistórico

Operadoralternativo

Repartidorprincipal

Na desagregação completa o operador alternativo tem acesso completo ao par simétrico do operador histórico. Na desagregação parcial o operador

alternativo têm só acesso à banda base, ou a um sinal com a banda base filtrada.

Desagregação completa

Par simétrico

O operador alternativo instala

no edíficio do operador histórico o seu comutador

local e a sua DLSAM


Vantagens/Desvantagens da Desagregação

• O conceito de desagregação do lacete local foi criado dos Estados Unidos em meados da década de 90, de modo a aumentar a concorrência no sector das telecomunicações.

• A política de desagregação do lacete local pode dissuadir os operadores alternativos de investirem em novas tecnologias para a rede local, e também desmotiva o operador histórico de fazer grandes investimentos.

1) Qualquer infra-estrutura de acesso baseada na FTTH criada de raiz não fica sujeita à obrigação de desagregação.

2) Em qualquer infra-estrutura de acesso FTTH que resulte da substituição da infra-estrutura de cobre existente, somente a banda base destinada ao tráfego da voz terá de ser partilhada.

Nova política definida pela FFC (Federal Communications Commission) nos Estados

Unidos no último trimestre de 2004.

Fiber-to-the-Home


Evolução da FTTH nos Estados Unidos

Fonte: RVA LLC, MarketResearch & Consulting

Decisão da FCC (Federal Communication Commission) de desregulamentar o acesso FTTH


Técnicas de Duplexagem

• Duplexagem por divisão na frequência (FDD)As direcções de transmissão são separada no domínio da frequência.

• Duplexagem por divisão no comprimento de onda (WDD)As direcções de transmissão são separadas no domínio do comprimento de onda.

• Duplexagem por divisão no tempo (TDD)As direcções de transmissão são separadas no domínio do tempo. Esta técnica também se designa por TCM (Time CompressedMultiplexing)

• Cancelamento de eco (EC)Separa os dois sentidos de transmissão usando um híbrido associado a um cancelador de ecos.


FDD e WDD• Na duplexagem por divisão na frequência ou FDD (Frequency Divison

Duplexing) A comunicação nos dois sentidos é feita em bandas diferentes.

• Na duplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDD (Wavelength Division Duplexing) a comunicação bidireccional sobre fibra óptica é garantida usando comprimentos de onda diferentes nos dois sentidos.

Frequênciaf2f1

Comunicação no sentido descendenteComunicação no

sentido ascende

Banda de guarda

MUX

DEMUX

Sentido descendente

Sentido ascendente

λ1

λ2

Fibra óptica

Usa-se nas aplicações de fibra óptiva no acesso, quer nas ligações ponto-a-ponto, quer nas ligações ponto-multiponto.


Duplexagem por Divisão no Tempo

A→B B→A

A→B B→A

Δt

Δτ N/Db0 τg

A→B

Tempo

Central Local (A)

Assinante (B)

ΔL

Tempo de guarda

Bloco de N bits

SwitchT/R

Transmissor

Receptor

SwitchT/R

Transmissor

Receptor

Lacete de assinante (2 fios)

Assinante Central LocalDébito de transmissão no lacete

Dbo >2Db

Db

Débito da sequência binária

Δt=N/Db

Duração do bloco de N bits

Tempo de propagação na linha

Δτ= ΔL /vg

Δt=2N/Db0+2Δτ+2τg

Durante Δt é necessáriogarantir uma comunicação

bidireccional


Duplexagem EC

• Na duplexagem por cancelamento de eco (EC) a comunicação é feita nos dois sentidos usando o mesmo meio de transmissão (usualmente par simétrico).

• A separação dos dois sentidos é feita no receptor usando um híbrido e um cancelador de ecos.

• O híbrido é um dispositivo que converte ligações de 2 fios em quatro fios. Como este dispositivo não é ideal vai originar ecos, que vão interferir com o sinal recebido. O par também pode originar ecos.

HíbridoCanceladorde ecos

∑

Emissor

Receptor

y(t)

r(t))(ˆ tr-

+ x(t)

ecosLacete de assinante

(2 fios)

O cancelador de ecos é filtro adaptativo cujo objectivo é gerar uma réplica do eco ř(t),a qual vai ser subtraída do sinal z(t)= x(t)+r(t) . No caso ideal em que a réplica é perfeita tem-se um cancelamento total do eco.


Tecnologias x-DSL• O x-DSL é uma designação genérica para um conjunto de tecnologias de

acesso de banda larga que operam sobre o par simétrico (cobre) e são derivadas do lacete digital do assinante ou DSL (Digital Subscriber Line).

IDSL DSL para aplicações em redes ISDN (RDIS). Suporta o acesso básico (2B+D) a 160 kbit/s e o acesso primário (30B+D) a 2.048 Mbit/s.

ADSL

ADSL2+

DSL assimétrico (Asymmetric DSL): Canal até 8 Mbit/s no sentido de cliente ou descendente (downstream) e até 800 kbit/s no sentido da rede ou ascendente (upstream).

SHDSL

DSL assimétrico 2+(Asymmetric DSL 2+): Canal até 24 Mbit/s no sentido de descendente e até 1.5 Mbit/s no sentido ascendente. A largura de banda usada duplica em comparação com o ADSL, passando de 1.1 MHz, para 2.2 MHz.

Symmetrical High Bit Rate DSL: Suporta débitos (simétricos) desde 192 kbit/s até 2.12 Mbits/s sobre 1 par simétrico, e desde 384 kbit/s até 4.62 Mbit/s sobre 2 pares. Não pode coexistir com o serviço telefónico.

VDSL2 Very High Bit Rate DSL 2: Canal até 100 Mbit/s no sentido descendente e até 50 Mbit/s no sentido ascendente. Usa uma largura de banda até 30 MHz.

DSLBonding DSL Bonding: Agrega várias linha DSL para suportar débitos mais elevados.


ADSL (Asymmetrical DSL)

• O ADSL é uma tecnologia que permite uma transmissão assimétrica.A duplexagem pode ser por divisão na frequência ou por cancelador de eco.

0 4 25 138 150 1104Frequência (kHz)

Espe

ctro

Transmissão descendente

Transmissão ascendente

Voz (telefonia)

FDD 6 Mb/s :descendente 640 kbit/s: ascendente

Espe

ctro

Transmissão descendente

Transmissão ascendente

Voz (telefonia

0 4 25 138 150 1104Frequência (kHz)

EC8 Mb/s :descendente

800 kbit/s: ascendente

• Um sistema ADSL consiste em modems ADSL colocados em ambas as extremidades do par simétrico. A técnica de modulação mais usada é a modulação multi-tom discreto ou DMT (discrete multitone).


Very High-speed DSL (VDSL)• O VDSL1 pode ser simétrico ou assimétrico.

1.5 km1.6 Mb/s13 Mb/s

0.3 km6.4 Mb/s54 Mb/s1 km3.2 Mb/s26 Mb/s

AlcanceDébito (Ascendente)

Débito (Descendente)

1.5 km6.5 Mb/s6.5 Mb/s

0.3 km25 Mb/s25 Mb/s1 km13 Mb/s13 Mb/s

AlcanceDébito (Ascendente)

Débito (Descendente)

0 .12 0.3 0.7 1 12 30

Sentido ascendente

Voz (telefonia)

Sentido descendente

f1 f2

RDISEs

pect

ro

Frequência (Hz)

Assimétrico Simétrico

Plano de frequências para o VDSL com duplexagem DDF

O VDSL1 usa no percurso descendente uma banda que vai até 12 MHz. Por sua vez o VDSL2 usa uma banda com uma frequência máxima de 30 MHz, permitindo 100 Mb/s. O VDSL2 também

substitui o ATM pela Ethernet (PCS:64/65).


x-DSL ( Largura de banda/distância)

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000Dist (m)

Déb (kbps)VDSL2 ADSL2+ ADSL

Note-se que o ADSL só permite débitos de 8 Mb/s até distâncias da ordem dos 3 km e o ADSL 2+ só permite 24 Mb/s para distâncias inferiores a 0-8-0.9 km. Para distâncias superiores a 1.6 km, o ADSL2+ conduz a melhores resultados do que o VDSL2.

Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio 2008


Acesso em ADSL• A separação dos sinais telefónicos e ADSL é feita usando um filtro tanto nas

instalações de assinante como na central local.

• O tráfego proveniente de vários utilizadores é agregado através de um DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) o qual é usado para multiplexaros sinais provenientes de várias linhas DSL, num sinal de débito elevado.

• A rede de agregação corresponde a um novo nível de agregação. Tradicionalmente era baseada em comutadores ATM e em DSLAMs ATM (saídas STM-N). Está-se a evoluir para uma rede IP suportada em Ethernet. Neste caso usam-se DSLAMs IP com portos de saída em GbE ou 10 GbE.

DSLAM

Comutador telefónico

Multiplexador de Acesso ADSL

Rede telefónica

Acesso à rede IP, em ATM ou Ethernet

Splitter+filtro

Modem ADSL

Splitter+filtro

Par simétrico

Instalação de assinante (ATR-R)

Central local (ATR-C)

PC

ModemRede de

agregação

Rede de agregação

ATR-C (ADSL transceiver unit, central office ATR-R (ADSL transceiver unit, remote terminal


Diagrama dos Segmentos Funcionais

Fonte: Alexandre Ribeiro, “Redes de Acesso” Siemens, 2007

CPE (Customer Premises Equipment): equipamento requerido nas instalações do utilizador. Ex: modem ADSL (ATU-R), router, etc. Uma das funções do CPE consiste em encapsular o tráfego IP para ser transportada através da rede ADSL. A maior parte das soluções de encapsulamento usa ATM.

NSP (Network Serviçe Provider): responsável por oferecer serviços aos utilizadores domésticos e empresariais. Ex: Internet, VPN, VoD, IPTV, VoIP.

NAP (Network access provider): deve garantir que o CPE permite aceder aos serviços que o NSP tem para oferecer. Inclui: DLAM, componente de agregação e rede de núcleo

Elemento de rede de agregação


Funções e Tipos de DSLAM• Os DSLAMs são responsáveis por ligar os utilizadores à NAP,

incluem modems xDSL e realizam comutação de circuitos virtuais.

• Tradicionalmente a interligação dos DSLAMs à rede core era feita usando ATM, a qual por sua vez era baseada em switches ATM.

• Nos IP-DSLAM os circuitos virtuais são terminados , o tráfego IP é extraído, sendo este entregue a uma rede IP/MPLS.

• Os IP-DSLAM têm a vantagem de poderem fazer agregação de tráfego, eliminando a necessidade de se usarem elementos de redede agregação.

• Os IP-DSLAM têm ainda a vantagem de poderem fazer multicast e deste modo têm um papel muito importante nas redes IPTV.


Agregação ATM• Nas soluções baseadas no ATM podem-se ter arquitecturas com circuitos

virtuais (VC, virtual circuits) extremo-a-extremo, ou arquitecturas baseadas na agregação de VC.

PVC: Permanent virtual circuits

Na solução extremo-a-extremo faz-se uso de um PVC (ATM) para interligar um utilizador a um ISP. Este PVC é comutado por vários comutadores ATM antes de atingir o ISP. Na solução agregada vários PVC são agregados num dispositivo agregador em vez de serem simplesmente comutados. Reduz-se assim o numero de PVC que são terminados no ISP.

S. Mervana, C. Le, “Design andImplementation of DSL-based Access Solutions,”Cisco Press

DSLAMSwitchAgregadorSwitch

ATM

VC extremo-a-extremo Agregação de VC


Arquitectura Centralizada

Fonte: Alexandre Ribeiro, “Redes de Acesso” Siemens/IST, 2007


Arquitectura Distribuída

Fonte: Alexandre Ribeiro, “Redes de Acesso” Siemens/IST, 2007

IP-DSLAM: acumula as funcionalidades do DSLAM e do elemento de rede agregador


Rede ADSL

Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio 2008

BRAS: Broadband Remote Access Server


– Interfaces para o antigo e para o novo “mundo”– Migração ao ritmo desejado pelo SP (Service Provider)– Garantia (pelo menos) da manutenção de serviços & receitas– Consolidação de plataformas de Rede/Redução de OPEX

Access

Gateway

Access Services

and Technologies

Metro/Aggregation/Edge and

Core Networks

POTS

ISDN

TDM

ADSL/2/2+

SHDSL

VDSL/2

Ethernet

WiMAX

GPON

etc.

SDH

PDH

TDM

ATM

Ethernet

IP

WDM

etc.

Convergência no Acesso (fonte: Maria Céu Azurara, Planeamento de Redes Fixas, PT/IST, 2007)


IP DSLAM Multiserviço

Fonte: Nokia Siemens Networks


IP-DSLAM Surpass hix5625

Carta ADSL2+

Carta VDSL2

GbE (conector óptico)

100/1000 Base T (RJ45)

Esta carta poderá ser duplicada se se usar protecção de carta

Interface óptica

Capacidade do equipamento15 cartas ADSL2+ (72 portos) 15×72=1080 15 cartas SHDL (48 portos) 15 ×48=720 15 cartas VDSL2 (24 portos) 15 ×24= 360

Uplinks

4 portos GbE ou 4 portos 100/1000 Base T


Evolução dos Débitos no Acesso

Fonte: Heavy Reading (“TheRace to the Home: FTTH Technology Option”, NetEvents Hong Kong)

A linha a azul representa a evolução do débitos do acessos sobre cobre usando: 1) modems, com débitos entre 1.2 kb/s (1990) e 56 kb/s (1996); 2) x-DSL, que permitiu evoluir os débitos até cerca de 2 Mb/s (2005).

A linha a verde extrapola a taxa de crescimento histórica: um factor crescimento de 2.29 ao ano. A linha a vermelho admite uma aceleração do crescimento a partir de 2004, para um factor de 3 ao ano.

100 Mb/s 1 Gb/s


Lei de Nielsen

• A lei de Nielsen prevê um crescimento na velocidade de acesso à Internet na terminação do utilizador de cerca de 50% ao ano.

Fonte: http://connectedhome2go.com/2008/03/18/nielsens-law/

2005 – 2.3 Mbps

2010 – 17 Mbps

2015 – 129 Mbps

2020 – 980 Mbps


Fibra Óptica: A Solução

• Dentro de 3 a 5 anos débitos de 100 Mb/s no acesso será algo trivial.

• Se as taxas de crescimento de tráfego se mantiveram serão de esperar, daqui a 10 anos, débitos no acesso de 1 Gb/s.

• As tecnologias x-DSL, especialmente ADSL, estão a atingir os limites: limitações de banda e assimetria.

• A solução está na generalização da utilização de fibraóptica na rede de acesso.


Arquitecturas de Rede

• Ponto-a-ponto (P2P)Um porto OLT (conversão O/E+E/O) na central local por cada cliente.

• Ponto-Multiponto (P2MP)Um porto OLT na central por cada N clientes, com N tipicamente entre 8 e 64.


Arquitecturas de Rede(II)

• P2P

• P2MP

Central Local (OLT)

ONU/ONT

ONU/ONT

ONU/ONT

ONU/ONT

Central Local (OLT)

ONU/ONT

ONU/ONT

ONU/ONT

ONU/ONT

Ponto de derivação

O ponto de derivação pode ser activo ou passivo

Fibra de alimentação

ONU: Optical Network Unit (designação IEEE) ONT: Optical Network Terminal (designação ITU-T )

A OLT (Optical Line Terminal) proporciona uma interface entre a componente óptica da rede e a rede do operador. Pode incluir interfaces 1GbE, 10 GbE, STM-N (SDH).

A ONU/ONT é um dispositivo que termina a componente óptica do lado do cliente. As ligações ao equipamento deste é feita usando Ethernet sobre par simétrico, x-DSL, ou cabo coaxial.


Ponto-a-Ponto

• Duas fibras (Ex: IEEE 802.3z 1000BASE-LX)Uma fibra por cada direcção de transmissão (10 km @ 1 Gbps)

• Uma fibra (IEEE 802.3ah, 1000BASE-BX10-D e BX10-U)

Fonte: Cisco SFP Optics forGigabitEthernet Applications

1. 25 Gbps

1. 25 Gbps

Débito (linha)

-3 a -9

-3 a -9

Potência Óptica Tx (dBm)

10149013101000 Base-BX10-U

10131014901000 Base-BX10-D

Distância(km)

Rx_lambda(nm)

Tx _lambda(nm)

Norma


Ponto-Multiponto

• Estrela Activa ( Ethernet Activa)O ponto de derivação é um nó activo, normalmente um switchEthernet , que é usado para agregar tráfego proveniente de diferentes ONUs/ONTs: Ethernet comutada+ ponto-a-ponto.

• Estrela Passiva (PON)O ponto de derivação é passivo, ou seja é constituído por um splitter/combinador óptico passivo: Passive Optical Network(PON).


Soluções em Fibra (FTT-x)

• Na arquitectura FTTH (fibre to the home) a fibra óptica vai até às intalações do assinante, e deste modo a ONU realiza as funções da NT( Network Termination).

• Na arquitectura FTTC (Fibre To The Curb) ou FTTB (Fibre to theBuilding) cada ONU serve entre 10 a 100 casas, ou edifício ( <300 m do assinante). Neste caso há uma rede de distribuição adicional entre a ONU e a NT, em cobre (par simétrico, ou par coaxial) ou via rádio.

• A solução FTTCab ( Fibre To The Cabinet) a ONU está mais afastada do assinante (<1.5 km), requerendo também uma rede de distribuição adicional.

• Outra arquitectura alternativa, designada rede óptica passiva ou PON (Passive Optical Network), usa um repartidor óptico passivo para dividir o sinal proveniente da OLT por várias ONUs.


Perdas nas Curvas

• Na presença de curvas a fibra óptica está sujeita a perdas radiativas. Estas perdas podem ser significativas se o raio de curvatura forinferior a poucos centímetros (cerca de 3 cm).

• Este problema é importante nas soluções FTTH/FTTB e levou ao desenvolvimento de fibras quase insensíveis às curvas, à custa do aumento da complexidade da estrutura da fibra.

Fonte: Ming-Jun Li,” Bend-insensitive optical fibers simplify fiber-to-the-home installations” , Optoelectronics & Optical Communications, 21 Abril2008, SPIE .

Fibra insensível a curvas

Fibra padrão


Vantagens das Fibras Insensíveis a Curvas

O desenvolvimento de fibras tolerantes a curvas permitiu reduzir a dimensão dos armários de rua e veio facilitar significativamente a extensão da fibra óptica até à casa dos utilizadores.

Fonte: H. Kogelnik, OFC2008


Redes Ópticas Passivas para FTT-x

ONU

ADSL ( < 6 km )

FTTEx

ONUADSL2+ ( <1.5 km )

FTTCab/N

ONU VDSL1( < 300 m )

FTTC

ONT

FTTH/B

NT

NT

NTConcentrador (UR)

OLT

Central Local

Fibra óptica

Cobre

OLT: Optical Line Termination ONT: Optical Network Termination

FTTEx: Fibre-to-the-Exchange FTTCab/N: Fibre-to-the-Cabinet /Node FTTC: Fibre-to-the-Curb FTTB: Fibre-to-the-Building FTTH: Fibre-to-the-Home

8 Mbit/s@3 km

24 Mbit/[email protected] km

55 Mbit/[email protected] km

100 Mbit/[email protected] km VDSL2


Detalhes da FTTH

• Redes de fibra num prédio

Cabo cabo vária dezenas de fibras

Caixa de distribuição do prédio

Caixa de distribuição do andar

Caixa de terminação

Conector

Fonte: Corning

Fibra insensível a curvas


Tipos de PONs

• Como todos os ONUs partilham a mesma fibra de alimentação e o mesmo porto na OLT, é necessário usar técnicas de acesso múltiplo para evitar colisões na comunicação cliente-central.

• TDM/PON: O acesso múltiplo opera no domínio do tempo (TDMA: Time Division Multiple Access), ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no mesmo instante.

• WDM/PON: O acesso múltiplo opera no domínio do comprimento de onda (WDMA: Wavelength Division MultipleAccess), ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no mesmo comprimento de onda.


PON vs P2P: dimensão das condutas• Exemplo: rede FTTH com 20 000 clientes (Fonte FT, Globecom 08)

• Solução GPON com 1:64: 3 cabos de alimentação, cada cabo com 144 fibras e com um diâmetro de 13.5 mm.

• Solução P2P: 28 cabos, cada cabo com 720 fibras e com um diâmetro de 25 mm.

PON

P2P

A solução P2P requer uma conduta com uma área cerca de 20 vezes superior à PON

Sempre que o espaço disponível nas condutas seja um bem escasso a solução a adoptar deverá ser a PON. Nos outros casos a P2P deverá ser tida em conta no projecto.

Cabo de 13.5 mm

Cabo de 25 mm


Arquitectura TDM-PON

• A ligação descendente (OLT-ONU) é feita no comprimento de onda de 1490± 10 nm e a ascendente (ONU-OLT) no comprimento de onda de 1310 ±50 nm.

• As variantes da TDM-PON mais usadas são a GPON (Gigabit PON) e EPON (Ethernet PON). A primeira opera a um débito de linha agregado de 2.488/1.244 Gbps e a segunda a 1.25 /1.25 Gbps.

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Repartidor/combinador

OLTNó de repartição

ONU 1

ONU N

1310/1490 nmmux/demux

1490 nm

1310 nm

ONU k

As ONUs operam ao débito de linha agregado

O comprimento de onda de 1.55 μm, também é usado para soluções de vídeo “overlay”, como seja por exemplo televisão em RF.

Max de 10 ou 20 km

A componente de rede entre a OLT e ONU designa-se ODN (OpticalDistribution Network)


Dimensionamento Físico da PON

• Estrutura de uma PON

• Balanço de potências

1:N

OLT

Repartidoróptico passivo

ONU

ONU

La

Ld

ONUConectores

λa=1310 nm

λd=1490 nm

xirdasrmim

s ALDPALLMPP +Δ+++++≥ )()( maxλαValor mínimo da

potência média emitida

rP sensibilidade do receptor, Ms margem de funcionamento, Ax perdas extra (conectores, duplexores, etc.), Ar perdas de derivação, perdas devidas à dispersão, Ad perdas de inserção dos acopladores)( LDPi λΔ

(dB) log)(log10 210 NANA dr +=

xrascscs AALMPP +++−≤ αmaxValor máximo da potência média emitida

scP potência de sobrecarga, Msc margem de funcionamento para a potência máxima

Na ONU e na OLT terão de se usar duplexores de comprimento de onda para agregar/separar os diferentes comprimentos de onda.


Acopladores• O acoplador direccional é usado para combinar e derivar sinais nas

redes ópticas.

Parâmetros: Coeficiente de acoplamento:Perdas em excesso:

• Combinando de modo apropriado acopladores direccionais é possível construir repartidores ópticos passivos 1:N.Repartidor óptico passivo 1x8:

Comprimento de acoplamento

Entrada 1

Entrada 2

Saída 1

Saída 2

P1

P4

P2

P3

3

1log10PPC =

32

1log10PP

PAd +=

Po

/8

Po

/8

Po

/8

Po

/8

Po

Atenuação total do repartidor 1xN

)log(10log2 NANA dt +×=


Funções da OLT e ONU/ONT na EPON

• Como acontece na generalidade das PONs a OLT funciona como o controlador de rede.

• Todas a comunicações têm lugar entre a OLT e as ONUs, ou seja não há interacção directa entre as ONUs. Cada ONU é identificada pelo seu LLID(Logical Link Identifier).

• Funções da OLT:Processo de descoberta: Verifica se uma nova ONU se juntou ou abandonou a rede.

Controlo de registo: Controla o registo das novas ONUs adicionadas à rede.

Gestão de banda: Atribui a cada ONU uma banda apropriada no canal ascendente.

Processo de alinhamento (ranging) e sincronismo: Calcula o atraso temporal entre a OLT e cada ONU; gera mensagens de sincronismo (time-stamped) de modo a garantir que as ONUs e a OLT tenham uma referência temporal comum.


Arquitectura da EPON (P2MP)

A sub-camada PCS é responsável pela codificação 8B10B, como no caso da GbE. Isto implica que embora à EPON corresponda um fluxo de informação bidireccional a 1 Gbit/s, a transmissão é feita no meio óptico a um débito de símbolo de 1.25 Gbaud/s. Como opção, esta sub-camada também pode implementar um código do blocos RS(255,239).

A sub-camada PMA é responsável por converter um fluxo de bits paralelo proveniente da sub-camada PCS num fluxo série.

A sub-camada PMD é responsável por definir as características ópticas do transceptor e pela ligação à fibra através do MDI.

A principal diferença entre a EPON e a Ethernet P2P é a presença da sub-camada MPMC. Esta sub-camada é responsável por executar um protocolo de acesso múltiplo que regula o acesso das diferentes ONUs ao canal ascendente.


Formato da Trama (IEEE 802.3)• A estrutura da trama EPON é idêntica à da Ethernet (IEEE 802.3),com

excepção do campos preâmbulo/SFD.

• A trama começa com o SLD (Start LLID delimiter), que é delimitado de ambos os lados por 2 bytes com um padrão fixo. Segue-se o LLID e um campo CRC para proteger os campos SLD e LLID.

FCSDados+ Enchimento (Pad)

Comprimento / Tipo

Endereço de fonte

Endereço de destino

SFD

Preâmbulo

7 1 6 6 2 46-1500 4 octetos

0x5555 2 bytes

SLD 1 byte

0x5555 2 bytes

LLID 2 bytes

CRC 1 byte

8 bytes

Modo 1 bit

ID 15 bits

O primeiro bit do campo LLID (Logical Link Indentifier) é um bit que indica o modo como o tráfego é enviado: difusão (1) ou unicast(0). No processo de difusão a mesma trama é enviada para todas as ONUs. Os 15 bits restantes são capazes de suportar 32 768 diferentes ONUs lógicas.


Protocolo MPCP• O protocolo MPCP (Multipoint Control Protocol) é usado pela EPON

para regular o fluxo de tráfego e foi desenvolvido pelo grupo IEEE802.3ah. Usa dois tipos de mensagens REPORT/GRANT.

• O MPCP é responsável por funções tais como auto-descoberta, registo de ONUs, alinhamento para as novas ONUs adicionadas à rede.

• O MPCP proporciona ainda um plano de controlo para coordenar a transmissão ascendente, o qual fiscaliza a ocupação das filas deespera nas ONUs e atribui largura de banda para transmissão ascendente a cada ONU em função dessa ocupação.

• A atribuição da banda é feita usando um algoritmo DBA (DynamicBandwidth Assigmnent), o qual usa as mensagens GATE (GRANT) e REPORT.


Operação da EPON (descendente)

• No sentido descendente as tramas Ethernet transmitidas pelo OLT passam através de um repartidor (splitter) 1:N e chegam a cada ONU.

• Todas as tramas são difundidas pela OLT para todas as ONUs, as quais extraiam as tramas que lhe são destinadas com base na etiqueta LLID. Note-se que a LLID só está presente dentro de EPON. Antes de enviar as tramas para o cliente a LLID é eliminada pela ONU.

LaserOLT ONU 2

3 2 1 2 3 2 1 2

ONU 33 2 1 2

ONU 13 2 1 2

Trama Ethernet

1

2

3

2

Cada ONU extrai a trama que lhe é destinada usando a etiqueta LLID , e rejeita todas as outras tramas recebidas.

Repartidor (Splitter) Óptico

0& LLID=10& LLID=3


Operação da EPON (Ascendente)

• No sentido ascendente há o problema da contenção. Duas tramas que cheguem simultaneamente ao OLT colidem. Para ultrapassar esse problema usa-se o protocolo MPCP.

• Para sincronizar as diferentes ONUs o protocolo MPCP baseia-se num esquema TDMA (Time Division Multiple Access) . Assim, a cada ONU é alocado um time-slot, com capacidade para transportar várias tramas Ethernet.

LaserOLT ONU 2

ONU 3

ONU 1

Trama Ethernet

1

2

3

2

Combinador3 333 3

2 2

1

1 2 2 33 3

Time-slot

Cada ONU armazena em memória as tramas recebidas dos utilizadores até que o seu time-slot chegue. Nesta altura envia todas as tramas armazenadas em rajada, à velocidadamáxima do canal. Se não houver tramas em número suficiente para encher um time-slot são enviados caracteres de 10 bit sem informação.

Os esquemas de alocação de time-slots podem ser estáticos ou dinâmicos. Neste último caso a dimensão do time-slot é ajustada em função da fila de espera na ONU.

0& LLID=1

Todas as tramas enviadas por uma ONU devem ser etiquetadas com o seu próprio LLID.

0& LLID=2


Algoritmo DBA

• O conjunto dos N time-slots correspondentes aos N ONUs designa-se por ciclo. A duração de um ciclo é denominada por T. A duração de cada time-slot (janela de transmissão) é variável, sendo atribuída pelo DBA em função da ocupação das filas de espera da ONU.

• A cada ONU é atribuída uma janela de transmissão máxima de Wi, max (em bytes). O tempo de ciclo máximo, correspondente a N ONUs, é dado por

∑=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×+=

N

i

ig D

WT

1

max,max

8τ τg: intervalo de guarda (segundos),

D: Débito binário na linha

Os time-slots estão organizados sequencialmente, com um intervalo de guarda de modo a evitar colisões na OLT devido a flutuações no RTT (round-trip time). Este é dado por 2d/v, onde d é a distância entre a OLT e a ONU e v é a velocidade de propagação na fibra. Este tempo é calculado pela OLT através das mensagens Report/Grant (Gate).

Na figura uma OLT atribui permissão Gate a uma ONU logo após a recepção do seu Report. No ciclo seguinte essa ONU já vai transmitir na janela de transmissão atribuída pela OLT.Fonte: João Santos,

TFC, IST, 2006


Serviços e Arquitectura da GPON

• A OLT serve como interface entre a PON e a rede do operador e suporta diferentes tipos de tráfego, tais como:

– IP sobre Fast, Gibabit, ou 10 Gbit Ethernet:– TDM sobre interfaces SDH;– ATM UNI entre 155-622 Mb/s.

• Por sua vez a ONT termina a PON e apresenta diferentes interfaces para o utilizador que suportam voz (POTS), VoIP, Ethernet, etc.

• A arquitectura da GPON é a seguinte:

Transmission convergence (TC) adaptation sub-layer

GPON TC framing sub-layer

GPON physical media dependent (PMD) layer

Transmissionconvergence(TC) layer

Cliente ATM Cliente TDM Cliente GEM

Qualquer tipo de tráfego dos clientes que não seja ATM ou TDM ( ex: Ethernet, IP, etc) é encapsulado em tramas GEM (GPON encapsulation method). Estas tramas têm comprimento variável e permitem transportar no máximo 1500 bytes de carga. Se houver necessidade de transportar pacotes de maior dimensão é necessário recorrer a fragmentação.


Orçamento de Potência

2.5 dB-1.0dBConectores ( 4 × 0. 25 dB)

3.5 dB- 5.0 dBPerdas na fibra (0.25 dB/km × 20 km)

8.5 dB-16.5 dBPerdas no splitter (1:32)

25.0 dB- 3.0 dBPerdas nos duplexores WDM (2 × 1.5 dB)

28.0 dBAtenuação máxima permitida

- 21 dBmONT (sensibilidade do receptor)

+7.0 dBmOLT (saída do laser)

Margem depotência (dB)

Saída/sensibilidade/perdas

Perdas dos componentes

Orçamento de potência para a GPON (descendente, 1490 nm) considerando componentes de Classes B

Notas: 1) Para o orçamento ascendente é necessário adicionar a penalidade associada ao facto do receptor operar em “burst mode” (tipicamente 1 dB). 2) Se se usasse um splitter 1: 64 a atenuação por ele introduzida seria igual a 19. 9 dB (log10 64 + 0.3 log2 64 ). A margem do sistema anterior não seria suficiente para compensar a atenuação adicional ( 3.4 dB). Para suportar este factor de derivação seria então necessário usar óptica de classe C.

Margem do sistema


GPON vs EPON

EthernetEthernet, ATM, TDMTráfego suportado

≈ 65-70% ≈ 93%Eficiência média (ε)

20/24 dB (10, 20 km)20/25/30 dB (Classe A, B, C)Atenuação máxima

≈ 45 Mb/s @ 1:16 (ε=72%)≈ 70 Mb/s @ 1:32 (ε=92%)Débito médio por ONU

10/20 km10/20 kmMáximo alcance

1:32 ; 1:16 (típica) 1:64Derivação máxima

1250 Mb/s (1 Gb/s Eth)155, 622, 1244, 2448 Mb/sDébito de linha ascendente

1250 Mb/s (1 Gb/s Eth )1244, 2448 Mb/sDébito de linha descendente

IEEE 802.3ahITU-T G984 Norma

EPONGPON

A eficiência refere-se à fracção do débito usada para transporte de dados. A menor eficiência da EPON resulta de tempos de guarda maiores e um maior cabeçalho dedicada para correcção de erros e outras funções (8B/10B). No cálculo do débito médio considerou-se um utilização completa e sem bloqueio da PON.


Notas sobre XG-PON (10G-PON)

• Espera-se que a norma esteja pronta no fim de 2010.

• O débito descendente é cerca de 10 Gb/s, enquanto o débito ascendente é de 2.5 Gb/s para a XG-PON1 (ou 10 Gb/s futuramente: XG-PON2).

• Deve haver compatibilidade com a G-PON e E-PON. Para garantir essa compatibilidade pode-se ter o seguinte plano de lambdas:

• A atenuação máxima suportada estará situada entre 28.5 e 31 dB, para BER=10-12 .

1260 1280 1290 1310 1330 1480 1500 1530 1540

1570 1580

Lambda (nm)

G-PON G-PONXG-PON XG-PONVideo- RF


10 GPON em Portugal

Fonte: Diário Económico


Soluções WDM-PON

• Nas PON baseadas em WDM (Wavelength DivisionMultiplexing) a cada ONU é atribuído um comprimento de onda (lambda).

• Tal como no caso do P2P cada ONU opera ao débito binário individual (e não agregado) e a privacidade da ligação está garantida sem necessidade de encriptação, como acontece na TDM-PON.

• As redes WDM-PON baseiam-se quer no DWDM (Dense-WDM), quer no CWDM (Coarse-WDM).

• As soluções DWDM operam na janela de 1550 nm e as principais variantes são: 1) broadcast & select; 2) wavelengthrouting


Arquitectura DWDM-PON:broadcast & select

• Na arquitectura broadcast & select a banda de lambdas usada é difundida para todas as ONUs, para posteriormente cada ONU seleccionar o seu lambda próprio usando um filtro óptico.

• No sentido ascendente cada ONU emite no seu comprimento de onda próprio, as quais são combinadas passivamente no nó de repartição.

Matriz de Lasers

Matriz de Receptores

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Laser

Receptor


OLT Nó de repartição

ONU 1

ONU N

ONU k

A electrónica de cada ONU opera ao débito individual da ONU

λ1, λ2, ........ ,λN

λN+1, λ N+2 ..,λ 2N

λ1, λ2, ........ λN,

FiltroλN+1

λN+k

λ 2N

λ1, λ2, ........ λN,

λ1, λ2, ........ λN,


Arquitectura DWDM-PON:wavelengthrouting

• O derivador óptico é substituído por um encaminhador óptico tipoAWG (Arrayed Waveguide Grating).

• O encaminhador envia os diferentes comprimentos de onda para os diferentes ONUs. A utilização do AWG vai eliminar as perdas de derivação da solução broadcast & select.

Matriz de Lasers

Matriz de Receptores

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Laser

Receptor


OLT Nó de repartição

ONU 1

ONU N

ONU k

Permite suportar mais de 80 lambdas o que corresponde a mais de 40 ONUs, com débitos individuais por ONU até 10 Gb/s

λ1, λ2, ........ ,λN

λN+1, λ N+2 ..,λ 2N

λ1

SplitterλN+1

λN+k

λ 2N

λN,

λk

combinador

AWG


CWDM-PON

• Usa componentes de baixo custo com os lambdas espaçados de 20 nm. Na segunda e terceira janela (1280-1600 nm) só são suportados 16 canais, ou seja 8 ONUs

• Exemplo de uma rede CWDM (Coarse-WDM) com 4 lambdas por cada direcção e 10 Gb/s por canal (Fonte: T. Shih et al., “A 40 Gb/s bidirectional CWDM-PON....”, OECC08)

CW

DM

M

UX

CW

DM

M

UX

WDM

15xx nm

13xx nm

WDM

CW

DM

M

UX

CW

DM

M

UX

WDM

WDM

WDM

WDM1510 nm1530 nm1550 nm1570 nm

1290 nm1310 nm1330 nm1350 nm

WDM

WDM

WDM

WDM

1290 nm

1510 nm

1310 nm

1530 nm

1550 nm

1330 nm1570 nm

1350 nmOLT Ponto de repartição ONU

10 km, 40 Gb/s

Mulriplexer de 13xx /15XX


WDM-PON: Prós e Contras

• Suporta todos os serviços (Ethernet, TDM, ATM, etc.) de modo transparente.

• Suporta débitos por ONU muito elevados (até 10 Gb/s).

• Requer um número elevado de interfaces ópticas na OLT (16 no caso do CWDM-PON, e várias dezenas no caso da DWDM-PON).

• Requer interfaces ópticas coloridas na ONU, já que cada ONU processa lambdas diferentes ( problema CAPEX/OPEX).

• A variante DWDM requer lasers DFB muito estáveis devido ao espaçamento entre canais ser reduzido e por isso muito caros.

Prós

Contras


WDM-PON: Cenários de Aplicação

• A variante DWDM conduz a soluções muito caras, não compatíveis com os requisitos de baixo custo da rede de acesso.

• A variante CWDM conduz a redes de dimensões reduzidas e por isso de fraco interesse prático.

• A WDM-PON não se afigura como alternativa viável, pelo menos a curto prazo, para aplicações de acesso óptico domésticas.

• As redes híbridas metro-acesso são o cenário de aplicação mais apropriado para as soluções WDM


Mercado FTTH/B por tecnologia (previsão 2011)

FTTH Market by Technology, Dec 2011

23%

50%

1%

26%

GPONEPONOther PONActive

Fonte: Heavy Reading report, FTTH Worldwide Market & Technology Forecast, 2006-2011, June 2006

A tecnologia EPON será dominante nos países asiáticos.

A tecnologia GPON será dominante nos EU e Europa.


Utilizadores por Tecnologia de Banda Larga (Mundial)

Fonte: H. Kogelnick, “Perspectives on Optical Communications”, OFC 2008


FTTH/FTTB Panorama Internacional (2010)


Implementações FTTH/B na Europa (2009)

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