Trabalho Modulação, Multiplexação e Planos fundamentais(ANATEL)
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ FACULDADE DE COMPUTAÇÃO - FACOM BACHARELADO EM SISTEMAS DE INFORMAÇÃO Léia Sousa de Sousa PANORAMA ATUAL DAS REDES WDM: ESTADO DA ARTE Marabá-PA 2013
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
FACULDADE DE COMPUTAÇÃO - FACOM
BACHARELADO EM SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
Léia Sousa de Sousa
PANORAMA ATUAL DAS REDES WDM:
ESTADO DA ARTE
Marabá-PA
2013
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
FACULDADE DE COMPUTAÇÃO - FACOM
BACHARELADO EM SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
Léia Sousa de Sousa
PANORAMA ATUAL DAS REDES WDM: ESTADO DA ARTE
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
para a obtenção do grau de Bacharel em
Sistemas de Informação pela Universidade
Federal do Pará.
Orientador: Prof. M. Sc. Josué Leal Moura
Marabá-PA
2013
FICHA CATALOGRÁFICA
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)
(Biblioteca Josineide Tavares, Marabá-PA)
_______________________________________________________________________________
Sousa, Léia Sousa de.
Panorama atual das redes WDM: estado da arte / Léia Sousa de Sousa;
Orientador, Josué Leal Moura. – 2013.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) Universidade Federal do
Pará, Faculdade de Computação, 2013.
1. Redes de computadores. 2. Rede óptica. 3. Fibra óptica. I. Título.
CDD - 22 ed.: 004.6
_______________________________________________________________________________
DEDICATÓRIA
Ao meu Orientador, Professor Josué, que foi fundamental para a
conclusão dessa jornada, aconselhando, exigindo, mas também
fazendo crescer.
A todos os professores da Faculdade de Computação, sem os
quais nada disso teria acontecido.
Aos colegas de turma que ao longo dos quatro anos se
transformaram em grandes amigos.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus pela iluminação e pela graça de ter começado e terminado mais um grande
sonho, me impulsionando para novas conquistas.
Agradeço a toda minha família pelo apoio, pela compreensão e por acreditar em mim sempre.
Aos meus professores da Universidade Federal do Pará pela inestimável contribuição em
minha formação, tanto para o trabalho quanto para a vida.
AUTORIZAÇÃO
LÉIA SOUSA DE SOUSA, matrícula n. 08404003222. AUTORIZO a Universidade Federal
do Pará - UFPA a divulgar total ou parcialmente o presente Trabalho de Conclusão de Curso
através de meios eletrônicos.
Xinguara, 20 de setembro de 2013.
____________________________
Mat. 08404003222
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. X
LISTA DE TABELAS .......................................................................................................... XII
ACRÔNIMOS ..................................................................................................................... XIII
RESUMO ............................................................................................................................ XVII
ABSTRATC ..................................................................................................................... XVIII
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 19
2 REDES ÓPTICAS ............................................................................................................... 23
2.1 CONCEITOS BÁSICOS DE FIBRA ÓPTICA ............................................................. 23
2.2 PARÂMETROS DE UM SISTEMA DE COMUNICAÇÃO ÓPTICO ........................ 28
2.2.1 Ondas ....................................................................................................................... 28
2.2.2 Banda Passante ........................................................................................................ 31
2.2.3 Degradação .............................................................................................................. 32
2.3 MODULAÇÃO .............................................................................................................. 32
2.3.1 Modulação por Codificação de Pulso (PCM) .......................................................... 34
2.4 MULTIPLEXAÇÃO ...................................................................................................... 36
2.4.1 Multiplexação por Divisão de Frequência (FDM) .................................................. 37
2.4.2 Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM) ......................................................... 38
2.4.3 Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM) .............................. 39
2.5 RESUMO ....................................................................................................................... 42
3 ARQUITERURA DE REDES ÓPTICA WDM ................................................................ 43
3.1 PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS .................................................................................. 43
3.1.1 Equipamento Terminal: multiplexador e demultiplexador ...................................... 43
3.1.2 Multiplexador óptico (OADM) ............................................................................... 44
3.1.3 Unidade Transponder .............................................................................................. 45
3.1.4 Amplificador Óptico ................................................................................................ 46
3.1.5 Equipamentos Ópticos de conexões cruzadas (OXC) ............................................ 48
3.1.6 Unidade Compensadora de Dispersão (DCU) ......................................................... 49
3.2 TOPOLOGIAS DE REDES WDM ................................................................................ 50
3.3 REDES WDM: NÍVEIS E CAMADAS ......................................................................... 52
3.4 SERVIÇOS DA REDE WDM E COMUTAÇÕES ....................................................... 59
3.5 DESAFIO DA INTEGRAÇÃO DE IP E WDM ............................................................ 63
3.5.1 Os desafios arquiteturais .......................................................................................... 65
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................................. 67
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................... 69
X
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Fibra Multimodo e Fibra Monomodo ........................................................... 24
Figura 2 - Índice Degral e Índice Gradual ..................................................................... 25
Figura 3 - Diagrama de um Sistema de Comunicação Óptico ...................................... 27
Figura 4 - Espectro de ondas eletromagnéticas ............................................................. 29
Figura 5 - Frequência e comprimento de onda .............................................................. 30
Figura 6 - Representação da banda passante do sinal..................................................... 31
Figura 7 - Degradação/Atenuação do sinal .................................................................... 32
Figura 8 - Modulação de Onda Contínua (CW) ............................................................ 33
Figura 9 - Processo de Quantização .............................................................................. 35
Figura 10 – Codificação................................................................................................. 35
Figura 11 - Sinais binários.............................................................................................. 35
Figura 12 - Técnica de Multiplexação ........................................................................... 37
Figura 13 - Processo de Multiplexação por Divisão de Frequência .............................. 38
Figura 14 - Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM)............................................. 39
Figura 15 - STDM (Esquerda) e Multiplexação Estatística (direita) ............................. 39
Figura 16 - Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda ............................... 40
Figura 17 - Exemplo de como CWDM e DWDM ocupam bandas de comprimento de
onda ............................................................................................................................... 41
Figura 18 – Multiplexador/Demultiplexador ................................................................. 43
Figura 19 – Optical Add and Drop ................................................................................ 44
Figura 20 – Transponder ................................................................................................ 45
Figura 21 – Amplificador de Linha ............................................................................... 46
Figura 22 - Tipos de Amplificadores Ópticos ............................................................... 47
Figura 23 – Equipamento Óptico de Conexões Cruzadas ............................................. 48
Figura 24 – Unidade Compensadora de Dispersão ....................................................... 49
XI
Figura 25 - Níveis e Camadas - Panorama Dinâmico .................................................. 52
Figura 26 - Estrutura de um quadro SONET ................................................................. 56
Figura 27 - Arquitetura das camadas nas redes de telecomunicações ........................... 57
Figura 28 - Serviços ópticos .......................................................................................... 59
Figura 29 - Estrutura de Serviços em Redes WDM ...................................................... 60
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Aplicações da fibra óptica e as informações por ela transmitidas ................ 26
Tabela 2 - Tipos de Transponder ................................................................................... 46
Tabela 3 - Correspondência entre unidades de medidas da velocidade de Transmissão
em STM, STS e OC ....................................................................................................... 55
XIII
ACRÔNIMOS
ADM - add/drop multiplexing
ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line
AM – Modulação de Amplitude
ANSI - American National Standards Institute
AON - All Optical Networks
ATM - Asynchronous Transfer Mode
CPU – Central Processing Unit
CW – Onda Contínua
CWDM - Coarse Wave Division Multiplex
dB – Decibel
DCU - Dispersion Compensation Unit
DGO - Distribuidor Geral Óptico
DSL - Digital Subscriber Line
DWDM - Dense Wave Division Multiplex
DXC - Digital Cross-Connect
FDM - Multiplexação por Divisão de Frequência
FM – Modulação de Frequência
FPA - Amplificadores Fabry-Perot
FTTx - Fiber To The x (Fiber to the Home, Fiber to the Building, Fiber to the Curb e
Fiber to the Cabinet)
HDTV - High-Definition Television
HFC - Hybrid Fiber Coax
ILA - In-Line Amplifier
IP - Internet Protocol
XIV
ITU-D - International Telecommunication Union - Setor de Desenvolvimento
ITU-R - International Telecommunication Union - Setor de Radiocomunicações
ITU-T - International Telecommunication Union - Setor de Telecomunicações
ITU-T - União Internacional de Telecomunicações
LAN - Local Area Network
LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LED - Light Emitting Diode
MAN - Metropolitan Area Network
MM - fibras multimodo
OADM - Optical Add and Drop
OAN - Redes Ópticas Ativas
OC - Optical Carriers
O-E-O ou OEO - conversões óptico-eletrônico-óptico.
OFA - Optical Fibre Amplifiers
ON – Optical Network
ONA - Optical Network Adapter
ONE - Optical Network Element
ONU - Optical Network Users
O-O-O ou OOO- óptico-óptico-óptico
OSI - International Organization for Standardization
OTH - Optical Transmission Hierarchy
OTN - Optical Transport Network
OWGA - Optical Wave Guide Amplifiers
OxC - Optical Cross-connect
PAM - Modulação por Amplitude de Pulso
PAN - Personal Area Network
XV
PAN - Redes Ópticas Passivas
PCM - Modulação por Código de Pulso
PCM - Modulação por Codificação de Pulso
PDM - Modulação de Duração de Pulso
PM – Modulação de Fase
POP3 - Post Office Protocol - Version 3
PPM - Modulação de Posição de Pulso
PXC - fotônica cross-connect
QoS - Quality of Service
RF – Rádio Frequência
ROADM - Reconfigurable Optical Add and Drop
SDH - Synchronous Digital Hierarchy
SM – Singlemode (fibras monomodo)
SONET - Synchronous Optical Networking
STDM - Multiplexação Síncrona por Divisão de Tempo
STM - Synchronous Transport Module
STS - Sinal Synchronous Transport
TDM - Multiplexação por Divisão de Tempo
TDM-POM - Rede Óptica Passiva baseada em multiplexação por divisão no tempo
TV – Televisão
TWALSA - Traveling-Wave Semiconductor Laser Amplifier
UDWDM - Ultra Dense Wave Division Multiplex
UNI - User-to-Network Interface
VC - circuitos virtuais
VDSL - Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line
VIPA - Matriz de fase e imagem virtual
XVI
WADM - Wavelength Add/Drop Multiplexer
WAN - Wide Area Network
WDM - Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda
WWDM - Wide Wavelength Division Multiplexing
XVII
RESUMO
Este trabalho apresenta algumas dimensões das redes ópticas, com foco
especial no panorama atual das redes WDM - Wavelength Division
Multiplexing, tecnologia capaz de otimizar o uso das redes ópticas reduzindo o
uso de fibra de vidro uma vez que diversos sinais ópticos podem ser
transmitidos simultaneamente por um único meio. Além da sua grande
capacidade de transmissão, as redes WDM também podem transportar
diversos tipos de hierarquias digitais com alta disponibilidade e segurança. É
graças a essa nova tecnologia que se tornou comum o uso de aplicações de voz
e vídeo sobre demanda e em tempo real de inúmeros clientes ao mesmo
tempo, transmissão da TV digital em multicast e broadcast entre muitas outras
aplicações. Adicionalmente são destacados os quatro tipos principais
de WDM: CWDM (Coarse Wave Division Multiplex), DWDM (Dense Wave
Division Multiplex), WWDM (Wide Wavelength Division Multiplexing) e
UDWDM (Ultra Dense Wave Division Multiplex). Será possível conhecer os
principais equipamentos utilizados por estas tecnologias, bem como as
perspectivas futuras e desafios para o pleno funcionamento de uma rede
totalmente óptica.
Palavras-chave: Rede óptica. WDM. Fibra óptica.
XVIII
ABSTRATC
This paper presents some aspects of optical networks, with special focus on
the current situation of WDM networks, technology to optimize the use of
optical networks by reducing the use of fiberglass as many optical signals can
be transmitted simultaneously by a single medium. In addition to it is large
transmission capacity, WDM networks can also carry various types of digital
hierarchies with high availability and security. It is thanks to this new
technology that has become common to use voice and video applications on
demand and in real time from many clients at the same time, transmission of
digital TV broadcast and multicast among many other applications.
Additionally highlights the four main types of WDM: CWDM (Coarse Wave
Division Multiplex), DWDM (Dense Wave Division Multiplex), WWDM
(Wide Wavelength Division Multiplexing) and UDWDM (Ultra Dense Wave
Division Multiplex). Is it possible to know the main equipment used for these
technologies, as well as future prospects and challenges for the full operation
of an entirely optical network.
Keywords: Optical network. WDM. Optical fiber.
19
1 INTRODUÇÃO
O surgimento da tecnologia de redes de fibra óptica trouxe grandes avanços para
a área de telecomunicações. Isso é especialmente notável quando se refere ao
crescimento da capacidade de transmissão de dados em um curto intervalo de tempo
(PASTORE,2009).
Em um experimento realizado com Fotofen (MITSCHKE,2009) pelo físico
indiano Narinder Kanpany, um dispositivo foi posto em contato com a luz do sol e,
amparado por algumas lentes, tal dispositivo foi capaz de transformar as ondas de som
em ondas luminosas.
Narinder Kanpany contribuiu para a evolução dos estudos que, atualmente
possibilitam um futuro promissor para a transmissão de sinal digital de TV, o qual é
abrange as transmissões de vídeo em alta definição (high definition) e serviços digitais
mais avançados como, por exemplo, a transmissão de áudio, texto, e aplicativos.
O cenário atual das redes ópticas é o das crescentes pesquisas no ramo das
telecomunicações, buscando-se, com isso, assegurar mais qualidade na transmissão de
um volume maior de informação trocadas em pouquíssimo tempo (MORAES,2006).
Tais mudanças atingem, respectivamente, a camada física, de enlace e de redes
presentes no modelo de Interconexão de Sistemas Abertos OSI - Open Systems
Interconnection.
Nessas três camadas iniciais, as principais evoluções da rede podem ser
percebidas com notoriedade, especialmente, tendo em vista que o mercado tem
produzido equipamentos com hardwares mais sofisticados como, por exemplo, a
popularização dos computadores pessoais com elevado poder de processamento ou os
próprios smartphones, cujas características de capacidade de armazenamento e alto
processamento tem “miniaturizado” os diversos dispositivos processadores. Tudo isso
tem auxiliado no processo de ampliação e consolidação de redes que estabeleçam a
comunicação entre tantos e diferentes equipamentos.
De maneira similar, a transmissão de ondas eletromagnéticas tem se destacados
como meio de comunicação, através das redes de Wavelength Division Multiplexing, ou
20
simplesmente WDM (Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda), pelo fato
desse tipo de rede transmitir muitos dados através de uma única fibra óptica.
Com a WDM é possível modular diferentes comprimentos de onda e transmiti-
los, com segurança, garantia de qualidade e rapidez – ainda que, viajando por imensas
distâncias, contudo para compreender o funcionamento do sistema WDM e, até mesmo
uma de suas especializações (como a Dense Wavelength Division Multiplexing –
DWDM, ou simplesmente Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda
Densa), é interessante revisitar alguns conhecimentos relacionados à Física
(NAVES,2002).
De maneira geral, os sinais eletrônicos viajam em fios de cobre, diferentemente
dos sinais ópticos – que viajam em fibras de vidro e possuem outros comportamentos. O
espectro eletromagnético, que é o conjunto de todas as ondas eletromagnéticas, sob os
meios e condições adequadas, pode chegar a transmitir comprimentos de onda de até
1cm, com a aproximadamente 30 GHz (FOROUZAN,2006).
Especificamente em relação ao emprego dos sistemas DWDM, pode-se afirmar
que eles são atualmente utilizados principalmente em redes de acesso em grandes
centros de pesquisa, como por exemplo, universidades, organizações militares, redes
metropolitanas (comumente chamadas abreviadamente de Metro), redes de longa
distância (geralmente denominadas LH (Long Haul) e redes submarinas ou Ultra Longa
Distância, também chamadas de ULH (Ultra Long Haul).
Adicionalmente, as rede baseadas em DWDM podem transmitir dados também
por meio dos protocolos IP ou Protocolo de Internet (Internet Protocol), Modo de
Transmissão Assíncrono ATM (Asynchronous Transfer Mode), SONET/SDH – Rede
Óptica Síncrona / Hierarquia Digital Síncrona (Synchronous optical networking
/Synchronous Digital Hierarchy) e Ethernet, além de lidar com taxas de bits entre 100
Mb/s e 2,5 Gb/s. (MITSCHKE,2009).
Novas redes como a Ultra Dense Wave Division Multiplexing (Multiplexação
por Divisão de Comprimento de Onda Ultra Densa) ou UDWDM, preveem a redução
de equipamentos em uma rede óptica uma vez que um único laser de alta velocidade
pode ser utilizado para gerar todos os sinais, ao invés de usar um laser para cada
comprimento de onda. Pode-se esperar ainda a integração de diferentes equipamentos
(que executem mais de uma função), além de permitir o alcance a os equipamentos mais
distantes da rede.
21
Atualmente, a UDWDM apresenta um raio de alcance em torno dos 100 km sem
o uso de equipamentos intermediários e, concomitantemente, muito mais velocidade de
transmissão de dados (NOKIA SIEMENS NETWORKS, 2012). Mesmo em fase inicial
de pesquisa e teste, ela tem mostrado sua capacidade para se tornar o próximo
backbone1 da internet.
Isto traz a necessidade de aprofundar os estudos na área de rede de
computadores de alta capacidade para transmissão de dados, assim como do
aproveitamento (reuso) da infraestrutura existente e a sua otimização são desafios atuais
que devem ser vencidos como forma de manter a sociedade cada vez mais conectada.
Os diversos serviços que são disponibilizados nas nuvens2 constituem um
exemplo bastante prático dos benefícios que podem ser alcançados pelas pessoas que
utilizam a infraestrutura da rede de telecomunicação e de internet para se comunicarem,
trocarem mensagens ou receberem informações em tempo real.
As informações compartilhadas e o conhecimento que pode ser construído de
maneira colaborativa podem gerar soluções específicas a grupos de pessoas
geograficamente espalhadas, mas que vivenciam semelhantes contextos. Novamente, é
por intermédio das redes de longo alcance que tais grupos conseguem partilhar
experiências comuns e acompanhar as mudanças cotidianas com maior precisão.
Contudo, mesmo antes de se pensar em horizontes de pesquisa, é necessário
revisar conceitos, entender as perspectivas apontadas, compreender o encadeamento
dessa estrutura de informação, para então, seguir um foco de interesse: redes de
comunicação de alto desempenho.
Essa ideia é descrita no decorrer deste trabalho, o qual se inicia com um
levantamento histórico da comunicação via redes de computadores, passa por um
conjunto de conceitos que fundamentam o funcionamento de cada nova tecnologia,
como o simples emprego de um equipamento terminal de rede óptica e segue para a
exploração do estado da arte das redes WDM - atualmente em uso, porém sem previsão
de ser adotada por outro tipo de tecnologia.
Para a área da Tecnologia da Informação e Comunicação (TIC) essa abordagem
pode ser considerada imprescindível, posto que a capacidade de provimento de
1 Backbone é a espinha dorsal da Internet. Consiste de várias conexões de largura de banda ultra alta, que
ligam muitos nós diferentes ao redor do mundo (FOROUZAN, 2006).
2 A nuvem ou computação em nuvem refere-se a computadores e aplicativos que são executados
remotamente e acessados pela Internet (TAURION, 2009).
22
benefícios é, frequentemente, incrementada e deve servir de fundamentos para
conhecimentos vindouros.
Por estas razões, este trabalho pretende conhecer o funcionamento básico de
uma rede óptica, bem como os equipamentos ópticos que a compõe, e ainda apresentar
os requisitos básicos para o funcionamento de uma rede óptica WDM, para então poder
compreender o estado da arte desta tecnologia.
Para isso, este primeiro capítulo de Introdução apresenta uma contextualização
do trabalho e faz um resumo dos principais fundamentos de redes de computadores. O
Capítulo 2 faz um refinamento sobre o estudo de redes, dedicando-se a explicar os
principais parâmetros de um sistema óptico, as formas de se modular sinal, o
surgimento da operação de multiplexação de sinal e suas classificações, por meio da
qual é possível ao usuário experimentar as redes de melhor velocidade e maior
capacidade de transmissão.
É no Capítulo 3 que se estende o levantamento de informações, abordando os
equipamentos de rede que tornam possível a uma onda eletromagnética transmitir
arquivos inteiros. Também fala-se sobre as padronizações já ocorridas com as redes
ópticas. Adicionalmente, o capítulo 4 discorre sobre as considerações finais acerca deste
trabalho.
23
2 REDES ÓPTICAS
Neste capítulo são apresentados os conceitos básicos de redes ópticas. São
descritos os conceitos de fibra óptica e como se classificam, são mostrados os elementos
de um sistema de comunicação óptico, os parâmetros que constituem este sistema, em
seguida é feita a abordagem sobre tecnologia WDM e suas classificações.
2.1 CONCEITOS BÁSICOS DE FIBRA ÓPTICA
A fibra ótica, composta de material dielétrico (sílica ou plástico) de estrutura
cilíndrica, bastante transparente, com espessura próxima a de um fio de cabelo, possui
outras características, conforme Mitschke(2009), que a torna fundamental para as
telecomunicações: são de transmissão altamente confiável já que as ondas luminosas
não sofrem interferências de ondas radioelétricas; o peso dos cabos ópticos é muito
inferior ao dos metálicos, reduzindo assim o custo das instalações e montagens de
suporte; sua matéria prima, areia, é abundante e de baixo custo; quanto menor for a
atenuação da transmissão óptica, maior será o espaçamento entre amplificadores ao
longo da linha de transmissão; permite escalabilidade da capacidade de transmissão com
baixos custos incrementais.
Existem dois tipos de fibra óptica muito utilizados hoje: fibras multimodo e
fibras monomodo.
As fibras multimodo (MM) recebem este nome porque a luz que atravessa seu
núcleo realiza diversos caminhos de propagação, e como consequência permitem um
melhor e mais eficiente acoplamento com reduzido número de perdas. Nas fibras
monomodo (SM) a luz se propaga apenas de um modo, ou seja, apenas em uma direção,
deste modo transportam maiores taxas de dados a longas distâncias (Figura 1).
24
Figura 1 - Fibra Multimodo e Fibra Monomodo
Fonte: Mitschke(2009)
As fibras multimodos podem ser classificadas em índice degrau ou abrupto, e
índice gradual, como se pode observar na Figura 2(PEREIRA G., 2008).
Nas fibras de Índice degrau a refração ocorre na interface entre o núcleo da fibra
e a casca, de maneira uniforme, tendo grande capacidade de captação de energia
luminosa. Por sua vez, as fibras de índice gradual não possuem índice de refração
constante. A refração é gradual, indo de eixo central à borda, sendo mais adequados aos
sistemas de telefonia.
25
Figura 2 - Índice Degral e Índice Gradual
Fonte: Mitschke(2009)
Entretanto, existem algumas desvantagens na utilização de fibra óptica, como
relaciona Bolzani(2004):
Alto custo dos equipamentos periféricos:
Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamentos;
Dificuldade de conexão das fibras ópticas;
Impossibilidade de alimentação remota dos repetidores;
Acopladores do tipo T com perdas muito altas;
As fibras ópticas são a base dos sistemas ópticos de comunicação.
Jeszensky(2004) apresenta um panorama das aplicações destas fibras fotocondutoras na
Tabela 1:
26
Tabela 1 - Aplicações da fibra óptica e as informações por ela transmitidas
Tipo de informações Aplicações
Voz
Troncos telefônicos (interoffice; interurbano;
transoceânico).
Serviços de assinantes (cidade cabeada com
fibras; serviço de difusão).
Perto de estações geradoras de eletricidade.
Ao longo de linhas de transmissão.
Ao longo de ferrovias.
Comunicações de campo
Vídeo
Difusão de TV (eventos ao vivo; minicâmaras de
TV).
CATV (linhas entre fonte e cabeça de tronco
(headend); distribuição; tap de assinante;
supervisão; monitoração remota; cidade cabeada.
Dados
Computadores (CPU para periféricos; CPU para
CPU).
Enlaces de dados interoffice.
Redes locais.
Cabeamento de aeronaves.
Cabeamento de navios.
Estações terrestres de satélite.
Fonte: Jeszensky(2004)
Há ainda outras aplicações citadas por Pereira G.(2008), como em sistemas de
sensores, indústria automobilística, indústria médica e medicina, principalmente para
iluminar e observar órgãos no interior do corpo humano, domínio militar nas
tecnologias de mísseis teleguiados, entre outras.
Entretanto, um sistema de comunicação óptico não tem apenas fibra óptica como
elemento que o constitui. Nunes (2001) expõe que o elemento transmissor, que dá início
ao processo de transmissão da informação é o primeiro passo. O transmissor converte os
sinais elétricos em ópticos, através do laser, a fibra óptica é o meio físico por onde
transitarão estes sinais de informação. Nunes(2001) ressalta ainda que “Por outro lado,
devemos desde já dizer que um enlace óptico não obrigatoriamente necessita de uma
fibra óptica. (...) o meio de comunicação dispensa o uso de fios, sejam metálicos ou de
vidros”. Um exemplo para ilustrar o que foi pontuado é o da comunicação entre TV e
27
controle remoto, onde os sinais de comando são enviados ao aparelho de TV via
transmissores de infravermelhos.
Faz parte ainda do sistema de comunicação óptico o receptor, dotado de
fotodetector, que realizará a operação inversa do transmissor, ou seja, converterá os
sinais ópticos em elétricos, ainda convertendo seu resultado em sinal sonoro.
Até o momento, falou-se sobre os componentes básicos de um sistema de
comunicação óptico. Dependendo do propósito da referida rede de comunicação, novos
elementos são necessários. Além do mais, muitos outros elementos surgem todos os
dias, tais como conectores, acopladores e moduladores. Com a introdução desses novos
elementos, o sistema fica esquematizado como segue na Figura 3 abaixo:
Figura 3 - Diagrama de um Sistema de Comunicação Óptico
Fonte: Nunes (2001)
Nesta Figura, os elementos estão distribuídos em dois níveis básicos: nível de
componentes ópticos e nível de componentes eletrônicos. No nível óptico predomina a
fotônica, denominação esta que se refere a fóton como ferramenta chave, enquanto que
na camada eletrônica predomina o elétron. O que ocorre é que a informação (seja ela
uma música, um vídeo, um texto) passa inicialmente pelo processo de codificação, onde
lhe são atribuídos sinais binários, em seguida o sinal é modulado, ou seja, são
convertidos através de uma portadora de sinais, que passa pela fonte óptica onde é
operado para ser transportado através da fibra óptica. Em seguida, o detector óptico o
28
recebe e o envia para que seja amplificado, ou seja, para que se recupere de problemas
como a resistência aos meios de transmissão, por exemplo. Por último chega ao
decodificador, de onde a informação é extraída.
Tanenbaum (2003) salienta que tal diagrama sofre algumas alterações visto que
esta área está em constantes avanços e a cada dia novos dispositivos são incorporados.
Além disso, há alguns parâmetros que caracterizam os elementos abordados até aqui e
que devem ser compreendidos para que se consiga refletir sobre um dos campos que
mais crescem em tecnologias de comunicação, como segue.
2.2 PARÂMETROS DE UM SISTEMA DE
COMUNICAÇÃO ÓPTICO
Para a compreensão dos conceitos relacionados com rede óptica de
computadores, conforme sugere Nunes (2001) faz-se necessário abordar algumas
“características relevantes aos sistemas de comunicação”, como segue:
2.2.1 Ondas
As ondas são importantes nos sistemas de comunicação por realizarem o
transporte do sinais, seja sonoro ou luminoso.
Salvetti(2008) define as ondas sonoras como vibrações mecânicas que se
propagam no ar, precisando do meio como suporte para sua propagação Em um ar
muito rarefeito, sua transmissão é menos eficiente e a velocidade de propagação é
menor. Por outro lado, as ondas luminosas (ondas eletromagnéticas) se propagam no
vazio, não necessitando de qualquer meio material como transmissão. Por este motivo,
as ondas luminosas não estão apenas sob a forma de ondas, mas também de partículas
que sim, podem viajar no espaço vazio, ao que Einstein denominou “de quanta de luz”.
Neste sentido, as ondas de luz são na verdade “ondas de probabilidade, um padrão
matemático abstrato que dá a probabilidade de se encontrar uma partícula de luz (ou
fóton) em um determinado lugar” (CAPRA,2006). De acordo com este conceito, Nunes
(2001) complementa:
(...)ondas eletromagnéticas têm características físicas totalmente diferentes
das ondas sonoras, já que elas são variações de campos elétrico e magnético
29
que, se induzindo mutuamente, propagam-se tanto no vácuo, quanto no ar ou
qualquer outro meio dielétrico (não condutor). (NUNES, 2001)
Como a fibra óptica é um meio dielétrico, logo transmite com facilidade as ondas
eletromagnéticas, que são uma forma de energia radiante. A Figura 4 apresenta a faixa
de espectro, com destaque na faixa da radiação infravermelha, onde temos o Sistema de
Comunicação Óptica.
As fibras ópticas operam na faixa da radiação infravermelha (luz invisível),
que vai de 700nm a 1700nm. No entanto, é usual se falar em luz, bem como
em cores nos sistemas ópticos. Isso se deve ao fato de que didaticamente
torna-se mais atraente a representação da radiação infravermelha sob forma
visível, além do mais, a radiação infravermelha possui um comportamento
exatamente idêntico ao da luz visível. (CARISSIMI et al. ,2009)
Outras formas de energia radiante (Figura 4) são ondas de rádio, micro-ondas, luz
visível, radiação ultravioleta, raio X e raios gama, organizadas por ordem de
comprimento de onda, do mais longo ao mais curto, conforme a imagem que segue:
Figura 4 - Espectro de ondas eletromagnéticas
Fonte: Nunes (2001)
30
2.2.2 Frequência e comprimento de onda
Assim como as frequências de vibração das ondas sonoras produzem sons do
grave ao agudo, da mesma forma as frequências de vibração das ondas eletromagnéticas
produzem as diferentes cores do espectro de luz visível. As ondas eletromagnéticas se
propagam no espaço com a mesma velocidade da luz mostradas na Figura 4, onde são
organizadas em ordem crescente de frequência e ordem decrescente de comprimentos
de onda.
Forouzan(2006) explica que frequência é a quantidade de oscilações da onda em
uma unidade de tempo, comumente segundo (s). Sua unidade de medida é o Hertz (Hz).
Já o comprimento de onda, representado pela letra grega (lambda), é a distância entre
dois pontos no espaço em que ocorre uma vibração. Como se pode observar na Figura 5,
o comprimento de onda está para o espaço, assim como a frequência está para o tempo.
Figura 5 - Frequência e comprimento de onda
Fonte: Forouzan(2006)
A velocidade de propagação da onda no vácuo é igual a velocidade da luz, ou
seja, 300.000 km/s (3x108 m/s). Essa velocidade é afetada de acordo com o meio de
transmissão. Como a fibra óptica tem uma estrutura transparente, isso faz com que se
atinja excelentes taxas de transmissão, mas convém lembrar que “a velocidade da luz no
ar é menor que o valor no vácuo e é menor ainda dentro de uma fibra óptica”, A relação
entre comprimento de onda e frequência de onda nunca é proporcional, visto que isso
31
levaria a velocidades superiores à da luz, o que é impossível. “A velocidade de
propagação do feixe luminoso em fibra óptica é da ordem de 99% da velocidade da luz
no vácuo e, portanto, sofre um atraso de propagação de ~3,3ns/m (nanosegundos por
metro)” (CARISSIMI et al. ,2009).
Distorções e ruídos provocam perdas de sinal, fazendo com que a potência de
entrada no meio de transmissão não seja a mesma de saída. Forouzan(2006) explica os
motivos: Essa atenuação refere-se às resistências do meio que levam à perda de energia
do sinal. Já a distorção é a alteração de um sinal devido às diferentes velocidades de
propagação das componentes de frequência que compõem o sinal enquanto que, o ruído
são as fontes de perturbações externas que corrompem o sinal.
2.2.2 Banda Passante
Banda passante, segundo Roberts (2010), é uma faixa de frequência a qual é
permitida a passagem da potência de sinal através de determinado meio (Figura 6). No
caso analógico essa faixa de frequência é dada em Hertz (Hz e seus múltiplos e
submúltiplos), e em caso de sistemas digitais, a faixa de frequência é dada em bits por
segundo que um sistema dispõe para envio de sinais. A frequência a qual a potência do
sinal é bloqueada é denominada banda de rejeição. Isso ocorre porque o sinal muitas
vezes é tratado/filtrado para se livrar de distorções. A frequência limite entre a banda
passante e a banda de rejeição e chamada de banda de corte. Roberts(2010) assim como
Carissimi et al. (2009) também apresentam o conceito de portadora associado ao de
banda base. A portadora é uma comunicação em que o espectro em banda básica, ou
seja, o sinal inicial/original é deslocado para frequências maiores.
A “transmissão em um meio físico é possível sempre que a banda passante do
meio for maior ou igual que a banda passante do sinal. Normalmente a banda passante
do meio físico é superior ao necessário” (CARISSIMI et al, 2009).
Figura 6 - Representação da banda passante do sinal.
Fonte: Carissimi et al, 2009
Este conceito de banda passante se estende a todos os componentes da rede.
32
2.2.3 Degradação
Degradação ou atenuação (Figura 7) é um efeito que ocorre com o sinal
independente do meio de transmissão. Moreira (2005) afirma que trata-se de uma perda
de potência, de força do sinal. Ela determina a separação máxima sem repetidores entre
um transmissor e um receptor, uma vez que tais repetidores são de preços elevadíssimos
e é o equipamento que mais consome recursos financeiros em um projeto de redes com
fibra óptica. A atenuação é medida em decibel (dB) e usa a tensão de saída da banda
base (frequência original do sinal) como referência.
Figura 7 - Degradação/Atenuação do sinal
Fonte: Datalink(2011)
2.3 MODULAÇÃO
Louis & Frenzel (2013) conceituam modulação como uma forma de tornar o
sinal de informação transmitido, mais compatível com o meio. O destinatário precisa
receber uma informação compreensível, então ocorre a modulação para que esta
mensagem possa ser transformada de maneira que possa ser transportada. Ao chegar ela
sofre o processo de demodulação, para enfim voltar à forma como foi emitida.
Esse processo de modulação é classificado por Haykin(2004) em modulação de
Continuous Wave ou onda contínua (CW) e modulação de pulso. Na modulação de onda
contínua a portadora é uma onda senoidal. Como se observa na Figura 8, se a amplitude
desta onda varia de acordo com o sinal da mensagem, diz-se que ocorreu uma
Amplitude Modulation ou modulação de amplitude (AM). Se quem varia com o sinal da
mensagem é a frequência da onda, então tem-se modulação de frequência (FM), da
mesma forma ocorre a Phase Modulation ou modulação de fase (PM), se a fase da
portadora variar sua frequência de acordo com o sinal modulador da mensagem. Se o
ângulo desta portadora é variado, então tem-se modulação angular.
33
Figura 8 - Modulação de Onda Contínua (CW)
Fonte: Pereira P.,2012
Pode-se compreender melhor este conceito a partir da analogia com transmissão
de ondas de rádio:
Quando se escuta uma lacuna entre músicas ou anúncios em uma estação de
rádio, na realidade, está se "escutando" a portadora. Enquanto a portadora
não contém nenhuma mensagem, pode-se dizer que está sendo transmitida
porque anula a ruído de fundo no seu rádio. Por definição, a modulação é a
variação de um parâmetro de uma onda portadora senoidal, de maneira
linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou
informação. Por sua vez, a portadora é a onda senoidal que, pela modulação
de um dos seus parâmetros, permite a transposição espectral da informação
(ou sinal modulante). CAMPOS(2002)
Para uma portadora em forma de sequência periódica de pulsos retangulares,
aplica-se a modulação contínua, que pode ser do tipo analógico ou digital.
Haykin(2004) apresenta a diferença entre estes dois tipos de modulação: “Na
modulação de pulso analógica, a amplitude, duração ou posição de um pulso são
variadas de acordo com valores de amostra do sinal de mensagem”. Trata-se da Pulse-
amplitude Modulation ou Modulação por Amplitude de Pulso(PAM), Pulse-density
Modulation ou Modulação de Duração de Pulso (PDM) e Pulse-position Modulation ou
Modulação de Posição de Pulso (PPM).
34
Na forma digital a codificação de pulso é chamada Modulação por Codificação
de Pulso (PCM). Haykin(2004) explica que no caso da PCM, a amplitude de cada pulso
modulado é arredondada ao valor mais próximo em um conjunto prescrito de níveis de
amplitude discreta, em seguida é codificada em uma sequência correspondente de
símbolos binários.
Essa Modulação por Código de Pulso (PCM) é de grande importância para os
sistemas de transmissão óptica devido a sua rapidez, flexibilidade, integração e
segurança.
2.3.1 Modulação por Codificação de Pulso (PCM)
No processo de geração de um sinal totalmente digital, a Modulação por
Codificação de Pulso (PCM) é aplicada nos pulsos gerados pela Modulação por
Amplitude de Pulso (PAM), realizando sobre eles a quantização. “A quantização é um
método que atribui valores inteiros, distribuídos numa determinada faixa, às amostras
geradas na modulação PAM” (FOROUZAN,2006).
Mas antes da quantização (Figura 9), é necessário verificar a amostragem a ser
utilizada. Tal amostragem é uma parcela do sinal que será digitalizado, e depois
recuperado. Continuando o processo, aquela amostra que foi quantizada agora lhe será
atribuído um sinal binário de intensidade e sinais, trata-se da codificação (Figura 10).
Em seguida, o resultado obtido da codificação, que é um resultado binário, será agora
convertido em sinal digital. A Figura 10 representa o resultado da Modulação PCM de
um sinal originalmente codificado em um sinal unipolar.
Como visto, a Modulação PCM pode ser obtida em quatro processos: PAM,
quantização, codificação binária e codificação de linha.
35
Figura 9 - Processo de Quantização
Fonte: Forouzan(2006)
A Figura 9 mostra como ocorre o processo de quantização. Onde a faixa de sinal
(eixo y) foi dividido em níveis e todos os sinais da amostra foram aproximados dos
valores deste níveis.
Figura 10 - Codificação
Fonte: Forouzan(2006)
A Figura 10 mostra como cada um dos elementos quantizados anteriormente
foram codificados em código binário equivalente a 7 bits.
Figura 11 - Sinais binários
Fonte: Forouzan(2006)
A Figura 11 mostra que os sinais codificados pelo código binário se
transformaram em sinal digital e estão prontos para serem enviados até o seu destino.
36
Yo et al (2001) explica que quando o destinatário receber tal mensagem,
precisará fazer o processo inverso da modulação, que é a demodulação, e como a
quantização foi feita com aproximação nas faixas de valores, alguns erros aparecerão.
Assim, entra em cena o processo de filtragem para tornar o sinal o mais próximo
possível do originalmente enviado. Está demonstrada aí a importância da modulação
para assegurar que uma mensagem seja realmente entregue através do canal. Mas como
foi visto, apenas um sinal ocupa o canal por vez. “A multiplexação é o processo de
combinação de diversos sinais para que sejam transmitidos simultaneamente pelo
mesmo canal” (FOROUZAN, 2006).
2.4 MULTIPLEXAÇÃO
Para Moussavi (2012) a Multiplexação é
(...) uma técnica para o uso mais eficiente de meios de transmissão na
comunicação de dados, que age como compressão de dados reais. Na técnica
de multiplexação, múltiplos transmissores compartilham um único canal para
transmitir as suas frequências, quadros de dados, ou comprimentos de onda.
Por permitir o transporte simultâneo de muitos dados, a multiplexação (Figura
12) colaborou para a redução de custos em um projeto de telecomunicações, já que
reduziu o número de cabos e interligações necessárias para realizar a comunicação entre
múltiplos pontos. Cada sinal, ao entrar no canal de transmissão, recebe um rótulo para
sua identificação, o que garante que será entregue ao seu destino corretamente.
37
Figura 12 - Técnica de Multiplexação
Fonte: Nunes(2001)
Há três técnicas principais para realizar a Multiplexação: Frequency Division
Multiplexing ou Multiplexação por Divisão de Frequência (FDM), Time Division
Multiplexing ou Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM) e Wavelength Division
Multiplexing ou Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM).
2.4.1 Multiplexação por Divisão de Frequência (FDM)
Na técnica de Multiplexação por Divisão de Frequência, Moussavi (2012)
explica que a banda passante a ser transportada é dividida em canais onde são alocados
seus bits, em frequências e faixas distintas. Cada um desses canais de comunicação se
comporta como se fosse uma única linha separada e ocupam diferentes porções da
largura de banda.
A Figura 13 mostra como ocorre o processo de FDM. Os dados a serem
transmitidos são {E1, E2, ..., Em}. Eles serão convertidos pelas portadoras locais (AC)
em frequências diferentes, assim nenhum sinal se sobrepõe. Os canais resultantes {Em1,
Em2, ..., Emn} são então organizados e transportados, ocupando faixas adjacentes do
espectro.
38
Figura 13 - Processo de Multiplexação por Divisão de Frequência
Fonte: Moussavi,2012
Ao chegar a seu destino, os canais se separarão, passarão por filtros para então
iniciar o processo de reconversão usando a mesma frequência da portadora local,
passando por filtragem para tornar o sinal mais puro (filtro passa-baixas).
2.4.2 Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM)
Forouzan(2006) conceitua a técnica de Multiplexação por Divisão de Tempo
como um “processo digital onde muitas conexões compartilham um link banda larga3.
Em vez de compartilhar apenas uma porção da banda, toda ela é entregue a um sinal
num determinado intervalo de tempo (slot)”. O conjunto de dados de cada intervalo de
tempo é tratado como um quadro, obtendo vantagem no fato de que a taxa de
transmissão do meio é em bits, ou seja, pode satisfazer as necessidades de transmissão
com folga.
3 Banda larga (broadband) é uma tecnologia que “usa uma grande parte do espectro eletromagnético para
obter taxas mais altas de throughput”. Normalmente empregam multiplexação por divisão de frequência
(COMER, 2004).
39
Figura 14 - Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM)
Fonte: Teleco, 2013
A Figura 14 traz o processo de multiplexação por divisão de tempo, onde um bit
de cada canal é transmitido periodicamente, ou seja um canal inteiro é transmitido com
4 períodos de tempo. Também pode ocorrer o mesmo procedimento, mas intercalando
bytes. Quando chega ao seu destino, a informação passa pela demultiplexação que é o
processo inverso.
A Multiplexação por Divisão de Tempo pode ocorrer de duas formas:
Synchronous Time Division Multiplexing ou Multiplexação Síncrona por Divisão de
Tempo (STDM) e Multiplexação Estatística. Comer (2004) explica que se as frações do
tempo de transmissão, que foi dividido para que possa transportar todos os sinais, forem
iguais, então trata-se da STDM (Figura 15, à esquerda), agora se diferentes frações de
tempo são alocadas de acordo com a demanda, então refere-se à Multiplexação
Estatística (Figura 15, à direita).
Figura 15 - STDM (Esquerda) e Multiplexação Estatística (direita)
Fonte: Teleco, 2013
2.4.3 Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM)
Na técnica de Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda, de acordo
com Tanenbaum(2003), ocorre a multiplexação por divisão de frequência em um
40
sistema óptico, mas em frequências muito altas, em canais disjuntos com faixa de
frequência própria.
Na Figura 16 pode-se observar como ocorre o processo de WDM. No esquema,
quatro fibras ópticas estão conectadas ao combinador, cada uma delas trazendo um sinal
com comprimento de onda distinto. A união destes quatro comprimentos de onda estão
organizadas então como o Espectro na fibra de compartilhamento para serem
transportadas. Ao chegar no receptor, um divisor realiza a separação dos comprimentos
de onda. Os filtros contidos nas fibras de saída tratam os sinais resultantes e os
encaminham ao seu destino final.
Figura 16 - Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda
Fonte: Tanenbaum(2003)
Atualmente a tecnologia WDM possui quatro sistemas: CWDM (Coarse Wave
Division Multiplex - Multiplexação por Divisão de Onda Esparsa), DWDM (Dense
Wave Division Multiplex – Multiplexação por Divisão de Onda Densa), WWDM (Wide
Wave Division Multiplexing - Multiplexação por Divisão de Onda Larga) e
UDWDM (Ultra Dense Wave Division Multiplex - Multiplexação por Divisão de Onda
Ultra Densa). Cada um destes sistemas é empregado de acordo com o espaçamento
entre os canais ópticos, conforme discute Worden (2006). Cada um desses sistemas
possui características que continuam sendo melhoradas.
2.4.3.1 CWDM (Coarse Wavelenght Division Multiplex)
A Multiplexação por Divisão de Onda Esparsa, de acordo com Worden (2006), é
uma infraestrutura de fibra que vai até 50 metros, cuja faixa de espectro vai de 1270nm
a 1610nm, e permite até 18 canais com espaçamento de 20nm. Não é preciso que o sinal
41
multiplexado por este sistema seja regenerado, assim como dispensa a presença de um
amplificador. A taxa de bits do laser WDM determina diretamente a capacidade do
comprimento de onda e é responsável pela conversão do sinal de entrada de dados para
um comprimento de onda eléctrica.
2.4.3.2 DWDM (Dense Wave Division Multiplex)
O Sistema de Multiplexação por Divisão de Onda Densa pode ser empregado
para o curto e o longo curso de transporte dos dados, possui espaçamento que vai de 100
GHz a 25 GHz, e podem variar a quantidade de canais de 16 a 128, detalha Worden
(2006).
A Figura 17 mostra uma diferença básica entre CWDM e DWDM: o número de
canais estabelecidos na divisão de ondas.
Figura 17 - Exemplo de como CWDM e DWDM ocupam bandas de comprimento de onda
Fonte: Worden (2006).
2.4.3.3 WWDM (Wide Wave Division Multiplexing)
O sistema de Multiplexação por Divisão de Onda Larga, conforme aponta Lord
(2001), suporta fibras multimodo para distâncias de 300 m e fibras monomodo para
distâncias de 10 km. Ele utiliza a janela óptica em 1310 nm e possui um amplo
espaçamento entre os canais multiplexados. Também possibilita a combinação de 4
comprimentos de onda em uma única fibra.
2.4.3.4 UDWDM (Ultra Dense Wave Division Multiplex)
O sistema de Multiplexação por Divisão de Onda Ultra Densa ainda não está
completamente desenvolvido, de acordo com Grobe (2013). Preliminarmente, sabe-se
42
que esta tecnologia pode reunir em média, 128 até 256 comprimentos de onda. As
tachas de transmissão podem chegar até 40 Gbit/s.
Pode-se esperar para o futuro um sistema de multiplexação em redes totalmente
ópticas, e junto disso, a criação de novos equipamentos que suportem taxas de centenas
de comprimentos de onda em uma única fibra, na ordem de Tb/s.
2.5 RESUMO
Este capítulo apresentou conceitos básicos relacionados a tecnologia de redes
ópticas, destacando as principais propriedades da fibra óptica, a caracterização dos
sinais por ela transmitidos, as principais aplicações deste sistema fotônico. Sobre o
processo de geração de um sinal, foram mostradas as principais classificações de
modulações e multiplexações possíveis, com especial ênfase para Multiplexação por
Divisão de Comprimento de Onda.
O capítulo seguinte se aprofundará em investigações a respeito de WDM, com
foco na sua infraestrutura e arquitetura física. Desta forma será possível entender como
esta rede óptica se organiza em termos de equipamentos, como se dá a
intercomunicação no que tange a protocolos, bem como os principais desafios
enfrentados para sua difusão.
43
3 ARQUITERURA DE REDES ÓPTICA WDM
Como visto até aqui, as redes de comunicação óptica, devido aos avanços
alcançados, transmitem muito mais informação por meio de fibra óptica do que seria
possível em redes comuns com cabos coaxiais ou semelhantes. A Multiplexação por
Divisão de Comprimento de Onda (WDM) está permitindo alcançar os mais altos
patamares de transmissão de volumes de dados com rapidez e mobilidade.
Nesta seção será mostrado como se estruturam as redes ópticas WDM, bem
como os seus principais desafios no atual cenário de desenvolvimento desta tecnologia.
3.1 PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS
Uma rede WDM, por ser exclusivamente óptica, é composta por alguns
equipamentos Optical Network Element – Elementos da Rede Óptica (ONE) com
funções bem específicas, conforme apresentado por TELECO (2013):
3.1.1 Equipamento Terminal: multiplexador e demultiplexador
Os equipamentos terminais (Figura 18) são as portas de entrada e saída da rede
óptica. Eles Permitem inserir e retirar os comprimentos de onda eletromagnéticas
através de Multiplexadores e Demultiplexadores.
Figura 18 – Multiplexador/Demultiplexador
Fonte: Teleco, 2013
Imagine duas estações geograficamente distantes. Para realizar a comunicação
entre dois equipamentos pertencentes a essas estações, basta uma interligação com um
44
cabo óptico. Mas se muitos equipamentos precisarem se comunicar para que muitos
serviços sejam oferecidos entre estas estações, poderiam ser utilizados muitos cabos
ópticos. Porém, o uso do Multiplexador e Demultiplexador dispensa a necessidade de
tantos cabos, fazendo com que diversos serviços sejam transmitidos por apenas um cabo
óptico.
No Multiplexador, também denominado simplesmente de Mux, é definida uma
frequência de transmissão para cada um dos serviços a serem transmitidos. Ele possui
múltiplas entradas e apenas uma saída.
O sinal dos múltiplos serviços é então transmitidos até o Demultiplexador, na
outra ponta da rede óptica. Este equipamento final, também chamado de Demux, possui
uma entrada e múltiplas saídas, para separar os canais recebidos e encaminhá-los
demultiplexados
3.1.2 Multiplexador óptico (OADM)
O OADM (Multiplexer Optical Add and Drop - Multiplexador óptico de injeção
e extração) é um equipamento que fica localizado entre o Multiplexador e o
Demultiplexador e sua finalidade é acrescentar e retirar determinado comprimentos de
onda do enlace WDM.
A primeira geração de OADM era dita OADM não sintonizáveis ou estáticos,
visto que os comprimentos de onda acrescentados ou retirados eram fixos. Eles exigiam
a necessidade de um módulo OADM (Figura 19) para cada comprimento de onda, de
armazenamento de diversos módulos com todos os tipos de comprimentos de onda e a
presença de técnicos especializados para instalar este equipamento.
Figura 19 – Optical Add and Drop
Fonte: Teleco, 2013
45
Depois disso surgiram os OADM sintonizáveis, que devido à tecnologia dos
Diodos LASER4 (Amplificação de Luz pela Emissão Estimulada de Radiação), não
exigia armazenamento de grandes volumes de OADM, pois no momento da troca, o
comprimento de onda desejado seria selecionado sem problemas.
Em seguida foi a vez dos OADM Reconfiguráveis - ROADM (Reconfigurable
Optical Add and Drop - Multiplexador óptico de injeção e extração reconfigurável), a
partir dos quais foi possível acrescentar e retirar comprimentos de onda de forma
remota.
Hoje, alguns desses equipamentos até realizam conversão de comprimento de
ondas, o que é de grande auxílio para sistemas de grande complexidade.
3.1.3 Unidade Transponder
O Transponder ou Transmitter-responder (Figura 20) é um equipamento que
prepara os sinais a serem utilizados pelo Multiplexador. Isto é necessário visto que os
sinais entrantes no sistema Mux é muito irregular, com intensidades diferentes e
espaçamentos irregulares.
Figura 20 – Transponder
Fonte: Teleco, 2013
Inicialmente, o Transponder era útil apenas para traduzir o comprimento de
onda de um sinal de transmissão da camada cliente para um dos comprimentos de onda
internos do sistema DWDM5, época em que existia apenas a opção de uso do tipo 1R
(Tabela 2). Mas hoje, ele recebe o sinal óptico que sai do equipamento do cliente –
switch, o padroniza segundo ITU-T6 (União Internacional de Telecomunicações) e ainda
4 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation é um tipo de laser que está na base da
transmissão de dados nas fibras ópticas, leitura de CDs, DVDs, apontadores lasers, scanners, impressoras
a laser e mais recentemente a leitura Blu-ray. 5 Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)
6 International Telecommunications Union
46
faz a regeneração do sinal de acordo com as seguintes classificações de equipamentos
Transponder:
Tabela 2 - Tipos de Transponder
TIPO DESCRIÇÃO
1R Re-amplification – executa somente a função de re-amplificação.
2R
Re-amplification and Re-shaping – executa a re-amplificação e
reformatação do sinal. Ainda baseado em parâmetros analógicos
3R
Re-amplification, Re-shaping and Re-timing – executa a re-
amplificação, reformatação e retemporização do sinal. Totalmente
digitais, eles monitoram e verificam a saúde e qualidade do sinal.
Muxponder Fusão do Transponder com Multiplexador.
Fonte: Elaboração própria
Quando o sinal chega ao Demultiplexador, é dividido nos vários canais. Estes
sinais são encaminhados ao Transponder onde ocorre a recepção e retransmissão, a
padronização ITU-T é então extraída; os sinais retransmitidos seguem seu curso com
uma frequência diferente daquela na qual chegaram.
3.1.4 Amplificador Óptico
Aguiar (2012) explica que os amplificadores ópticos (Figura 21) amplificam o sinal que
transmitem ao longo de grandes distâncias, procurando combater as perdas que este
sinal possa ter tido por ter passado por multiplexagem.
Figura 21 – Amplificador de Linha
Fonte: Teleco, 2013
47
Exercem a função de amplificador de potência (Booster). É usado como
amplificador de linha, instalado após o Multiplexador, e também como pré-
amplificador, instalado antes do Demultiplexador. Eles são divididos em dois grandes
grupos: Optical Wave Guide Amplifiers ou Amplificadores baseados em Guias de Onda
Ópticas – laser - (OWGA) e os Optical Fibre Amplifiers ou Amplificadores baseados
em Fibras Ópticas (OFA) conforme Figura 22.
Figura 22 - Tipos de Amplificadores Ópticos
Fonte: Aguiar, 2012
A principal diferença entre cada um dos amplificadores mostrados está
basicamente em parâmetros que os definem como por exemplo as faixas de Operação
(nm), de variação de potência de entrada (dBm) e de variação de ganho (dB), potência
de saída (dBm) e percentual de eficiência da conversão de potência (%), entre outros.
Os mais utilizados em sistemas totalmente ópticos são os SOAs ( Semiconductor
Optical Amplifiers ou Amplificadores Ópticos Semicondutores), cuja finalidade é
modular intensidade e fase, converter comprimentos de onda, embora eles ainda
ocupem a função de porta lógica, gerador de impulso, detentor e compensador de
dispersão, entre outros.
48
Os SOAs ainda se subdividem em (AGUIAR,2012):
Amplificadores de engate por injeção – São os lasers semicondutores
polarizados acima do limiar que se aplica para amplificar o sinal de entrada.
Amplificadores Fabry-Perot (FPA) - com uma polarização abaixo do
limiar, a luz que entra na zona ativa é refletida várias vezes e ao ser
amplificada, deixa cavidades.
Amplificadores TWALSA - elimina as reflexões dos espelhos de saída da
cavidade, impedindo a realimentação do sinal, por este motivo a
amplificação do sinal devido à sua passagem só é realizada uma vez pelo
dispositivo. Este é o amplificador SOA mais usado atualmente por causa do
seu desempenho em saturação, à sua largura de banda e ao ruído
3.1.5 Equipamentos Ópticos de conexões cruzadas (OXC)
Também em All Optical Network ou redes totalmente ópticas (AON) existe o
Optical Cross-connect (OxC), uma espécie de Chave Óptica. Ele comuta um feixe de
um só comprimento de onda entre n portas de entrada e n portas de saída, sem que para
isso realize qualquer tipo de conversão óptico-elétrico-óptico.
Além disso ele assume funções de monitoração de sinal provimento e
restauração. Os OXCs (Figura 23) são implementados em de três maneiras principais,
como explana Yu et al (2001):
Figura 23 – Equipamento Óptico de Conexões Cruzadas
Fonte: Teleco, 2013
OXC opacos – também chamada de comutação eletrônica porque os sinais
ópticos que entram no dispositivo OXC são convertidos em sinais eletrônicos
49
depois de serem demultiplexados. O sinal resultante é então encaminhado para
um switch eletrônico. E por fim, os sinais do comutador eletrônico são
reconvertidos em sinais ópticos. Este processo também é dito OEO, pois
representam conversões óptico-eletrônico-óptico.
OXC transparente – também chamado de comutação óptica ou PXC (fotônica
cross-connect) porque os sinais ópticos são demultiplexados, em seguida, os
comprimentos de onda resultantes são ligados por módulos de switch ópticos.
Depois da comutação os sinais ópticos são multiplexados em fibras de saídas por
multiplexadores ópticos é como um DXC (Digital Cross-Connect) ou Conexão z
Digital, que pode ser caracterizado como óptico-óptico-óptico (OOO)
OXC translúcidas – Uma forma híbrida que mistura OXC Opaco e OXC
Transparente. Em tal dispositivo existe um interruptor de fase, que consiste de
um módulo comutador óptico e um módulo de chave eletrônica.
3.1.6 Unidade Compensadora de Dispersão (DCU)
Um sistema WDM, especificamente DWDM deve de alguma forma compensar a
dispersão cromática ou CD - chromatic dispersion, para que possa suportar altas
velocidades de transmissão de sinal. A dispersão acaba por limitar o comprimento da
transmissão de um link óptico, e para resolver tal problema é preciso aplicar alguma
técnica de compensação da dispersão.
Alwayn(2004) explica que a DCU - Unidade compensadora de dispersão (Figura
24 ) é um dispositivo com efeito oposto ao CD, proporcionando uma dispersão negativa
em ps/nm. Ele trabalha de acordo com duas técnicas principais: pós-compensação e pré-
compensação. As técnicas de pós-compensação são implementadas em receptores com
circuitos adjacentes que podem reduzir a quantidade de dispersão que um sinal sofre.
Figura 24 – Unidade Compensadora de Dispersão
Fonte: Teleco, 2013
50
A pré-compensação é o inverso da pós-compensação. Na pré-compensação, os
pulsos são compensados pela dispersão mesmo antes de serem transmitidos através da
fibra.
Algumas tecnologias são usadas em DCU, incluído as seguintes:
Compensação da Dispersão na fibra.
Redes de Bragg.
Matriz de fase e imagem virtual (VIPA) que é um dispositivo de dispersão de
espaço livre.
3.2 TOPOLOGIAS DE REDES WDM
Teleco (2013) apresenta as principais topologias de rede WDM, que podem ser
de Longa Distância ou do tipo Metropolitana, seguindo as topologias descritas abaixo:
Ponto-a-ponto
Em redes ponto-a-ponto do tipo Longa Distância, compreende-se trechos
superiores a 500 km, divididos em partes chamadas span’s, comumente de 100 km.
Interligando estes span’s existem equipamentos terminais, e ILA’s (In-Line Amplifier
ou Amplificador em linha) ou OADM’s (Optical Add-Drop Multiplexer ou
Multiplexador Óptico de Adição e Perda).
Já as redes do tipo metropolitanas, são de curta distância e dispensam muitos
desses equipamentos.
Anel
Redes de Longa Distância na topologia Anel são formadas por vários enlaces
ponto-a-ponto, interligados pela camada de aplicação através de equipamentos SDH que
formam uma hierarquia digital síncrona com altas taxas de transmissão de dados.
A topologia em anel de redes metropolitanas pode ser de duas formas: uma com
amplificadores pouco potentes e equipamentos SDH - Synchronous Digital Hierarchy, e
que, portanto implementam a Multiplexação por Divisão de Tempo, e uma outra forma
de rede WDM em anel que faz uso de equipamentos bem mais modernos. Nessa rede, as
informações de um nó são repassadas a todos os outros, assim são utilizados os
dispositivos Wavelength Add/Drop Multiplexer (WADM) ou Multiplexador de Adição e
Retirada de Comprimentos de Onda.
51
Esses anéis SDH podem ser constituídos por canais ópticos ponto-a-ponto –
lambdas – conectado através de OXC ou por multiplexadores add/drop (ADM –
add/drop multiplexor), também adotam o conceito de standby, tendo sempre fibras em
operações e fibras em espera. Há anéis SDH/SONET equipados com switches ATM, e
por isso chamadas de redes ATM, onde tais switches criam vários circuitos virtuais (VC
- virtual circuits ) na rede. Em caso de falha de um circuito a rede ATM pode re-rotear o
tráfico por outra conexão SDH/SONET.
Carvalho (2002) defende que redes ponto-a-ponto não é uma rede e sim, um
subsistema de transmissão. Ele ainda acrescenta outras topologias, como descrito a
seguir:
Redes de acesso
São as redes que abrangem várias localizações como casas e edifícios e que se
organizam de forma híbrida, misturando muitos tipos de tecnologias como ADSL -
Asymmetric Digital Subscriber Line ou Linha Assimétrica de Assinante Digital , DSL -
Digital Subscriber Line ou Linha de Assinante Digital, VDSL - Very-high-bit-rate
Digital Subscriber Line ou Linha de Assinante Digital com velocidade muito alta , HFC
- Hybrid Fiber-Coax ou Coaxial de Fibra Híbrida , entre outras.
Redes de difusão e seleção
Caracterizam-se especialmente pelo acoplamento passivo em estrela interligando
as várias estações. Tal topologia possui custo elevado por exigir muitos equipamentos
que garantam o bom funcionamento dos serviços.
Cada nó conectado a este tipo de rede possui um transmissor óptico fixo ou
ajustável e um ou mais receptores fixos ou sintonizáveis.
Maxwell(2008) acrescenta mais uma topologia a estas em debate:
Redes em Malha
São redes constituídas por conexões aleatórias em que todos os nós se encontram
interligados. Este tipo é o mais utilizado por permitir a reutilização do comprimento de
onda, roteamento através do comprimento de onda por meio de rotas contínuas
(lighpath), “sem conversão óptico-elétrico-óptico (OEO). Nos nós intermediários são
utilizados cross-connect ópticos (OXC), que podem fazer a conversão de comprimento
de ondas e a transferência do sinal entre fibras” (MAXWELL,2008).
52
3.3 REDES WDM: NÍVEIS E CAMADAS
As redes ópticas são hipoteticamente qualquer uma das representações do
modelo em 5 camadas ou 7 camadas, onde a camada física, ou seja, o meio de
transmissão, é o cabo óptico. Porém, com os avanços obtidos em pesquisa, novas
tecnologias surgiram nas camadas adjacentes.
Para falar dos níveis e camadas onde se encontram as redes WDM, Barbosa
(2012) propõe a seguinte estruturação:
Figura 25 - Níveis e Camadas - Panorama Dinâmico.
Fonte: Barbosa(2012)
As redes de computadores são padronizadas segundo o modelo OSI -
Organização Internacional para a Normalização (Figura 25) que definem formalmente
uma padronização para facilitar a comunicação entre diversos equipamentos, de modo a
permitir que a uma rede funcione de fato e atenda os propósitos a que se destina.
Quando se trata de redes ópticas, está-se referindo as camadas de rede e de
ligação do modelo OSI, uma vez que se trata de equipamentos que transmitem ondas
eletromagnéticas. O mesmo vale para a equivalência no modelo OTN/ITU-T (Figura
25), que representa a pilha de camadas das comunicações telefônicas.
O ITU - International Telecommunication Union, de acordo com Carissimi et al
(2009), organização internacional mais antiga do mundo - seus principais setores são
Setor de radiocomunicações (ITU-R), Setor de padronização de telecomunicações (ITU-
53
T), Setor de desenvolvimento (ITU-D) - surgiu com o propósito de padronizar e regular
ondas de rádio e telecomunicações internacionais. Entre 1984 e 1988, “órgãos
internacionais de padronização ITU-T (Europa) e ANSI (EUA), entre outros,
estabeleceram uma série de recomendações com técnicas para transmissão, comutação,
sinalização e controle para implementar redes inteligentes baseadas em fibra óptica”
(TELECO,2013). A partir da década de 90, tal instituição passou a debater sobre uma
padronização para as transmissões de dados, ou seja a Regulação de uma nova rede
óptica (OTN - Optical Transport Network) que não fosse apenas para telefonia,
representando a evolução das redes de transporte de núcleo, combinando a tecnologia
DWDM com a tecnologia SONET/SDH.
Tanenbaum (2003) resume Organizações e Padrões, da seguinte maneira:
A ISO publica padrões sobre uma vasta gama de assuntos. Ela
já publicou mais de 13 mil padrões, incluindo os padrões OSI. A ISO
tem quase 200 comissões técnicas, numeradas por ordem de criação — cada
uma delas lida com um assunto específico. A TC97 trata de
computadores e processamento de informações. Cada TC tem
subcomissões (SCs) que, por sua vez, se dividem em grupos de trabalho
(WGs). O trabalho da ISO é feito nos grupos de trabalho, em torno dos quais
se reúnem100 mil voluntários de todo o mundo. (...) Nas questões
relacionadas aos padrões de telecomunicações, a ISO e a ITU- T costumam
trabalhar em conjunto (a ISO é membro da ITU- T), para evitara ironia de
dois padrões internacionais oficiais serem mutuamente incompatíveis.
O representante dos Estados Unidos na ISO é o ANSI (American National
Standards Institute) que, apesar do nome, é uma organização não
governamental sem fins lucrativos. Seus membros são fabricantes,
concessionárias de comunicações e outras partes interessadas. Os
padrões ANSI frequentemente são adotados pela ISO como padrões
internacionais.
No ITU G.709, definiu-se o protocolo OTN - digital wrapper (Empacotador
Digital) - para realizar multiplexação de serviços em caminhos de luz óptica.
Juntamente, foram definidos recursos avançados para prover tais serviços através de
estrutura de unidade de transporte óptico (OTU), seja OTU-1 a 2,7 Gb/s, OTU-2 a 10,7
Gb/s, OTU-3 a 43 Gb/s ou OTU-4 a 112 Gb/s.
54
As recomendações do ITU-T estão agrupadas por categorias, sendo as
principais:
Categoria de Protocolos e Equipamentos: reúne as recomendações G.701 a
G.785 e dispõem sobre modelos, configurações e gerenciamentos;
Categoria de Desígnio: reúne as recomendações G.803 a G.845, e dispõem sobre
arquiteturas SDH - Synchronous Digital Hierarchy, interfuncionamento e
parâmetros de desempenho.
A tecnologia SONET - Synchronous Optical Network (hierarquia proposta pela
Bellcore (Telecordia) em 1985), assim como SDH, é um protocolo padronizado que
transfere fluxos digitais de bits através da fibra óptica, usando lasers ou Diodos
Emissores de Luz (LED). Também permite o tráfego através de interface elétrica.
Comer (2004) comenta a respeito:
Na América do Norte, os padrões usam o termo Synchronous Optical
NETwork (SONET), enquanto na Europa eles são conhecidos como
Synchronous Digital Hierarchy (SDH). O SONET especifica detalhes como a
forma em que os dados são enquadrados, como os circuitos de capacidade
mais baixa são multiplexados em um circuito de alta capacidade e como as
informações síncronas de relógio são enviadas junto com os dados.
Nessa multiplexação que ocorre na rede óptica via SONET os dados são
transportados à velocidades OC-x (portadores ópticos-x) no domínio óptico, como por
exemplo:
OC-1 - TRANSPORTE 52 Mbps (672 Canais de 64 kbps)
OC-3 - TRANSPORTE 155 Mbps (2,016 Canais de 64 kbps)
OC-9 - TRANSPORTE 466 Mbps (6,048 Canais de 64 kbps)
OC-12 - TRANSPORTE 622 Mbps (8,064 Canais de 64 kbps)
Como o SDH surgiu primeiramente na Europa, logo seus dados são
transportados com outro tipo de velocidade, definido pelo ITU-T. Trata-se do STM-x
(Synchronous Transport Module level – 1), como por exemplo:
STM1 – TRANSPORTE 155 Mbps
STM4 – TRANSPORTE 622 Mbps
STM16 – TRANSPORTE 2,5 Gbps
55
STM64 – TRANSPORTE 10 Gbps
Por suas correspondências, conforme definiu Comer (2004), o STM1 é o sinal de
nível básico, que transporta 155 Mbps, referente ao SDH na Europa, e corresponde ao
sinal SONET OC-3.
A ANSI padronizou um Sinal Synchronous Transport (STS) ou Transporte
Síncrono de Sinais no domínio elétrico, como equivalente ao Optical Carrier (OC) ou
Transportador Óptico, no domínio óptico. Tittel (2002) estabelece uma conversão
simplificada, conforme segue:
Tabela 3 - Correspondência entre unidades de medidas da velocidade de Transmissão em STM,
STS e OC
CONVERSÃO STM-n = STS-3n = OC-3n
EXEMPLO STM-1 = STS-3 = OC-3 = 155,52 Mbps
Fonte: INSTITUTO SUPERIOR TECNICO DE PORTUGAL, 2011
Fonte: Elaboração própria
Muito mais do que ser um padrão, o SONET marcou a trajetória do
fortalecimento das redes ópticas. Naves (2002) destaca esta relação:
(...) a rede WDM surge normalmente da evolução de redes síncronas digitais
(SDH/SONET), que costumam assumir a topologia em anel para melhor
provimento de facilidades de proteção ao seu elevado tráfego, que geralmente
atende a um grande número de usuários.
Essa evolução diz respeito a três gerações. A primeira geração foi caracterizada
pela substituição dos meios de transmissão existentes naquele período por fibra óptica,
onde surgiu o SONET. Já a segunda direção foi marcada pela melhoria em capacidade,
56
desempenho e configuração dos dispositivos ópticos. E por conseguinte, a terceira
geração, ao qual está em curso no momento, se destaca pelo roteamento de
comprimento de ondas.
Como visto anteriormente, quando os pacotes de dados chegam à camada de
enlace (Link, na Figura 25 ), são separados em quadros conforme o exemplo hipotético
da Figura 30. Tittel (2002) enfatiza que tais quadros são usados pelo SONET e seguem
o formato de Modulo do Transporte Síncrono (STM – Synchronous Transport Module).
Figura 26 - Estrutura de um quadro SONET
Fonte: Comer (2004)
Comer (2004) explica que no quadro SONET da Figura 26, cada um dos quadros
existentes possuem 810 octetos, ou seja, 9 filas com 90 colunas, referindo-se ao circuito
STS-1, onde os três octetos de início referem-se a sobrecarga (cabeçalho), seguidos de
87 octetos de carga útil, que durante a transmissão são enviados intercaladamente. Em
um quadro SONET de um circuito STS-3, cada quadro conterá 2430 octetos, pois foi
utilizado a constante fundamental para digitalização da voz valorada em 125
microssegundos (referente a uma amostra de 8 bits a cada 125 microssegundos). Para
definir o tamanho do quadro, o SONET usa o tempo, conforme visto anteriormente.
Desta forma é fácil ver que em um circuito STS-1 são transferidos 6480 bits em 125
microssegundos, indicando dessa forma que o quadro é composto de 810 octetos de 8
bits. Da mesma forma, em um circuito STS-3 são transferidos 2430 octetos em 125
microssegundos. “A vantagem principal de fazer o tamanho do quadro depender da taxa
de transferência do circuito é que isso possibilita multiplexação síncrona – é justo reter a
sincronização ao combinar três streams SONET STS-1 em um stream SONET STS-3”
(COMER,2004).
57
Em SONET e SDH a estrutura interna da sobrecarga e da carga útil diferem um
pouco no interior do quadro. Ademais, os padrões são extremamente semelhantes em
implementação, tornando mais fácil para interoperar entre SDH e SONET em qualquer
determinada largura de banda. Ambos os padrões constituem a camada elétrica das
redes de telecomunicações ópticas, juntamente com os protocolos IP e ATM (Figura
27). IP é uma aposta certa para o futuro, uma vez que a tendência seguida é a de
transmissão de multisserviços como dados, voz, vídeos enfim, embora muitos desafios
precisem ser superados para que de fato isso aconteça. Esses problemas serão
detalhados mais adiante. Por hora, resume-se na dificuldade que os multiplexadores e
Demultiplexadores têm para tratar os pacotes, que são de tamanhos variados. Essa é
uma das razões, dentre outras que serão destacadas adiante, que leva ao emprego das
células ATM, que são de tamanho fixo, são fácil e rapidamente manipuláveis pelos
equipamentos multiplexadores e Demultiplexadores.
De maneira geral, a arquitetura de camadas planejada para o futuro das redes de
telecomunicações ópticas, como proposto por Naves (2002), segue a seguinte estrutura:
Figura 27 - Arquitetura das camadas nas redes de telecomunicações
Fonte: Naves,2002.
As aplicações dos usuários são as mesmas disponibilizadas por outros tipos de
rede. Mas, se tratando de redes ópticas, tais aplicações são transmitidas aos usuários
pela camada óptica, representada pelo conjunto dos equipamentos vistos na seção 4.1
deste trabalho, mediante a camada elétrica que realizará serviços de forma a permitir
58
que as aplicações cheguem ao usuário com rapidez e qualidade, mesmo diante das altas
demandas exponencialmente crescente.
As redes de acesso, que conectam a camada elétrica à camada de aplicação dos
usuários, são redes metropolitanas ligando os usuários do serviço à central fornecedora.
Essa ligação é geralmente do tipo FTTx7 (Fiber To The x"), podendo utilizar Redes
Ópticas Ativas (AON - Active Optical Network)8 ou Redes Ópticas Passivas (PAN -
Personal Area Network). Em rede ópticas ativas o nós processam, analisam e até
executam os pacotes que por eles passam. Já nas redes ópticas passivas os nós fazem a
verificação dos cabeçalhos dos pacotes e de possíveis erros para em seguida encaminhá-
los.
Rosolem et al (2010) descreve novas tecnologias e topologias para redes de
acesso passivas e defende que “a solução de acesso óptico mais difundida no mundo é a
Rede Óptica Passiva baseada em multiplexação por divisão no tempo (TDM-PON –
Time Division Multiplexing-PON)” e vem também abrindo espaço para as redes WDM-
POM, que são as redes ópticas passivas baseadas em multiplexação por divisão de
comprimento de onda, visto que estas oferecem maiores eficiência na exploração de sua
capacidade sem alteração na estrutura da rede, como por exemplo, a inserção de um
novo equipamento, que acaba por elevar custos. A diferença básica entre TDM-PON e
WDM-PON é a escalabilidade, pois em redes TDM-PON podem ocorrer perdas por
divisão de potência nos divisores ópticos, reduzindo o número de unidade de redes
ópticas.
Pinheiro (2002) também destaca mais uma vantagem para o uso das redes
ópticas passivas. Elas podem funcionar normalmente aproveitando toda a estrutura de
rede de acesso que já existe, como cabos de cobre e cabos coaxiais. Sua topologia
básica se constitui por uma Central de Equipamentos (Headend), que guarda
equipamentos ópticos de transmissão e o Distribuidor Geral Óptico (DGO), Backbone
Óptico (Feeder), que são cabos ópticos (cuja fibra é monomodo) subterrâneos ou
aéreos, Pontos de Distribuição e a própria rede óptica de distribuição, que divide e
entrega o sinal óptico em áreas mais distantes da central onde se encontram os
equipamentos, Network Access Point (NAP), transmite o sinal da rede óptica de
backbone à rede terminal (Rede Óptica Drop), e ainda a Rede Interna que são extensões
ópticos para transmitir o sinal óptico da fibra até à casa do assinante.
7 Fiber to the Home, Fiber to the Building, Fiber to the Curb e Fiber to the Cabinet 8 Se requerer suprimento de energia, a arquitetura é chamada Rede Óptica Ativa (AON), caso contrário a
arquitetura é chamada de Rede Óptica Passiva (PON ).
59
3.4 SERVIÇOS DA REDE WDM E COMUTAÇÕES
Toda rede óptica é construída para oferecer serviços aos seus usuários. Tais
serviços são classificados por Carvalho (2002) em Serviços de Circuitos Ópticos e
Serviços de Pacotes/Células Ópticas (Figura 28) e estão localizados abaixo, na camada
mais inferior ON (Rede óptica). Ambos os serviços podem ser providos de forma
analógica ou digital.
Figura 28 - Serviços ópticos
Fonte: Carvalho,2002
Além disso, existe uma camada intermediária UNI - User-to-Network Interface,
que simboliza uma Interface Usuário-Rede onde se tem um adaptador de rede óptica
(ONA - Optical Network Adapter) que realiza conversão opto-elétrica entre usuários
(ONU - Optical Network Users) e a rede óptica (ON - Optical Network). Os usuários são
equipamentos como cross-connects SONET, switches ATM Frame Relay ou roteadores
IP, ou ainda equipamentos do usuário final como o próprio computador pessoal. Nestes
equipamentos alguns serviços também são providos.
Nos dispositivos cross-connects SONET ocorrem os serviços de circuito. Tal
serviço também é oferecido por redes telefônicas e Hierarquia Digital Síncrona ou SDH
- Synchronous Digital Hierarchy. No caso dos switches são oferecidos serviços de
circuito virtual. Os roteadores provem serviços de pacotes. A estrutura de serviços é
representada a seguir, na Figura 29.
60
Figura 29 - Estrutura de Serviços em Redes WDM
Fonte: PINHEIRO, 2002
Os serviços de circuitos do tipo analógico, segundo Carvalho(2002) visam
ocupar adequadamente o comprimento de onda, completa ou parcialmente, transportar o
sinal com o mínimo possível de distorção seguindo as especificações do canal como
largura de banda e canal, prover um canal óptico entre todos os níveis de infraestrutura
de uma rede totalmente óptica como WAN (Wide Area Network ou Rede de Longa
Distância ), MAN ( Metropolitan Area Network ou Rede Metropolitana) e LAN ( Local
Area Network ou Rede de Área Local), e permitir conexões ponto a ponto, multiponto e
do tipo broadcast. Os serviços de circuito do tipo digitais são fornecer um canal lógico
dedicado entre as WAN, MAN e LAN por meio de um conjunto de impulsos curtos de
elevada potência, bem como também transportar os sinais com o mínimo possível de
erros de sinais digitais.
Todos esses serviços, segundo Assis (2010), se dão pela comutação de circuitos,
quando um comprimento de onda é comutado pelo OXC de sua porta de entrada para
uma porta de saída. Neste processo o comprimento de onda sofre conversão óptico-
elétrico-óptica, pois quando passa pela porta de entrada, o sinal óptico é convertido em
sinal elétrico, já na porta de saída, tal sinal elétrico e convertido em sinal óptico. Mas
este mesmo processo de comutação também pode ocorrer de forma totalmente óptica.
Se ocorrer o processo óptico-elétrico-óptico nos nós intermediários de uma rede então
esta rede é dita opaca. Se ocorrer o processo de comutação totalmente óptico, sem
conversões, então esta rede é dita transparente. Neste último caso, os nós que estão ao
longo do trajeto do sinal transmitido não conseguem acessar as informações desse sinal.
Switches ATM criam circuitos virtuais que aprovisionam novas rotas em caso de
falhas em algum lugar da rede ATM, tudo para garantir que um serviço de voz seja
entregue. Eles comutam informações em pacotes pequenos e de tamanhos fixos, cujas
capacidades totais já proveem reserva para atraso, débito e também para a duração da
61
chamada, em casos de ligações telefônicas. Da mesma forma, switches Frame Relay
também realizam comutações de circuitos virtuais a partir do estabelecimento e
finalização de um sinal de envio, por serem orientados à conexão. Estes circuitos
virtuais também são comutados sem que sejam afetados por congestionamento e seu
bom desempenho é garantido sem acarretar em prejuízos para o restante do tráfego.
Um tipo de comutação muito semelhante à comutação de circuitos é a
comutação de comprimento de onda. Neste caso, para que seja transmitido um sinal,
primeiramente se estabelece uma rota, denominada caminho de luz (lightpath), que se
inicia na origem (nó inicial) e vai até um nó final (destino). Este caminho de luz é uma
conexão fim-a-fim e lhe é associado um comprimento de onda. Caso este caminho de
luz possua muitos enlaces, podem ser associados a cada um desses enlaces um mesmo
comprimento de onda ou comprimentos de onda distintos. Neste primeiro caso, com
comprimentos de onda iguais, diz-se que o canal atende a propriedade de continuidade
de comprimento de onda. Quando essa propriedade não é atendida, faz-se necessário
realizar conversão de comprimentos de onda, que é feita por meio de conversores
inseridos nos OXC’s da rede WDM.
A comutação de circuitos, dedicada a serviços de voz, foi otimizada para a
comutação de pacotes, cujos serviços oferecidos são, na sua modalidade analógica, de
acordo com Carvalho(2002), transportar de forma transparente, os pacotes contendo
payload (slot de tempo), onde estas por sua vez contém sinal analógico com suas
especificações de transmissão, uma vez que seu cabeçalho é transportado fora desta
mesma banda. Outro serviço é o de interpretar o cabeçalho nos nós de passagem através
de diversos métodos de codificação. Os serviços de pacotes digitais são um tanto
semelhantes ao analógico, com exceção no fato de que cabeçalho e payload são
transportados digitalmente no slot de tempo. A comutação de pacotes IP para prover
serviços onde além de voz trafeguem todos os outros tipos de dados. Ruela (2010)
elenca esta mudança registrada de comutação de circuitos à comutação de pacotes
afirmando
O IP constitui actualmente o protocolo dominante em comunicações de dados
(internetworking) e tende a tornar-se o protocolo universal em redes multi-
serviços, permitindo e acelerando a convergência entre as redes de
telecomunicações e as redes de comunicação de dados. Assiste-se assim a
uma alteração de paradigma, de redes centradas em serviços de voz (voice-
centric) para redes centradas em IP (IP-centric).
62
Esta mudança de paradigma da qual se fala, constitui atualmente o ramo de
pesquisa em redes ópticas com mais desafios. Como a comutação de pacotes ópticos
ocorre sem reserva de recursos, não é possível garantir Qualidade de Serviço (QoS -
Quality of Service) pois quando uma banda é enviada junto dela também vão o
cabeçalho e a carga útil. Além disso, o roteador deve ser dotado de um buffer para que
possa guardar pacotes com o objetivo de processar suas informações de controle, e só
depois encaminha-lo. Como o desenvolvimento dessas tecnologias de armazenamento
temporário de pacotes ainda é uma questão imatura, para curto e médio prazo
(FIGUEIREDO, 2009), as pesquisas continuarão no sentido de minimizar a necessidade
desse buffer.
Enquanto a comutação de pacotes ópticos não pode ser amplamente posta em
prática, se discute a comutação em rajadas ópticas, por meio de uma colaboração vinda
tanta das redes de comutação de pacotes quanto de comutação de comprimentos de
onda. Agora, os pacotes ópticos são organizados em rajadas, obedecendo a ordem dos
endereços a que se destinam. Moraes (2006) explica que antes de liberar estas rajadas,
um sinal de controle é remetido do nó de borda ao destino final desses pacotes, com a
intenção de preparar os recursos que serão lhes requeridos. Esse sinal de controle é
convertido para o domínio óptico, suas informações são processadas em seguida, a
melhor rota é determinada e consequentemente os recursos desejados são alocados pelo
comutador por um período determinado de acordo com o tempo necessário para a
comutação. Se não houver recurso disponível para atender às especificações a rajada é
bloqueada e descartada, se não houver confirmação da reserva.
Porém, os passos de determinar a melhor rota para a rajada óptica o os
comprimentos que lhe devem ser alocados para que possa transitar entre os nós
intermediários da rede também constituem um desafio atual das redes ópticas,
denominado problema de alocação de comprimento de onda. A solução pretendida deve
garantir altíssima velocidade de transmissão e segurança contra falhas, pois o volume de
dados transportados é imenso e qualquer erro pode acionar num enorme prejuízo.
Tanto a comutação em pacotes ópticos quanto a comutação em rajadas ópticas
estão em franco desenvolvimento para solucionar os problemas que apresentam e então
poder ser empregadas por completo.
63
3.5 DESAFIO DA INTEGRAÇÃO DE IP E WDM
Como em uma rede WDM existem várias taxas de transmissão e vários
comprimentos de onda distintos ao se transmitir um dado, estas disparidades acarretam
em uma elevada capacidade de transmissão, que é sua principal característica, em
detrimento capacidade limitada de comutação que apresenta no domínio eletrônico.
O desafio de integrar harmoniosamente o tráfico IP à tecnologia WDM é uma
das questões mais debatidas pelos grupos de pesquisa, visto que a demanda por larguras
de banda que suporte o tráfego de vídeo e voz em tempo real, a expansão do e-Science,
a tecnologia HDTV que chegou pra ficar, entre muitas outras novidades, já são uma
realidade cada vez mais crescente, conforme defende Naves (2002):
Nas últimas duas décadas, a internet tem sido a infraestrutura de
comunicação dominante para o transporte do tráfego de dados através do
Protocolo Internet(IP), que provê serviços de melhor esforço ao entregar
pacotes de tamanho variável. Nos últimos anos, a quantidade de tráfego
internet está dobrando a cada 3 a 6 meses, e parece manter-se crescendo
exponencialmente. Esta explosão sem precedentes da demanda de tráfego,
clama para uma próxima geração de internet usando WDM, a qual pode
prover larguras de banda praticamente ilimitadas.
Neste sentido, o tráfego desses dados deve ocorrer de forma menos complexa
possível e com níveis máximos de eficiência permitidos. Isso em tese, pode ocorrer por
meio da comutação feita a partir de roteadores de alta velocidade. Os principais
problemas, destacados por Carissimi (2009), e que ainda não são solucionáveis em nível
óptico, tampouco em nível eletrônico são:
Com protocolo IP, os pacotes percorrem curtas distâncias (hop by hop),
ao contrário dos sinais ópticos, que são eficientes para distâncias muito
longas, e quando necessário, podem ser regenerados, afinal, a rede prevê
isso. Os pacotes IP ainda não possuem nenhum mecanismo de repetição
para que sejam tratados.
A plataforma de transporte óptico é muito instável. As redes DWDM, por
exemplo, apesar de estarem sendo utilizadas, ainda não possuem
mecanismos que garanta plenamente um serviço confiável e com
64
qualidade, quando o desejável seria um mecanismo que monitorasse
exatamente a qualidade, disponibilidade, tolerância às falhas, comutação
com segurança e tratamento dos erros.
Seriam necessário megarroteadores ou terarroteadores para comutar
milhões de pacotes em um único período de tempo, o que atualmente
ainda não foi possível desenvolver.
A solução mapeada até o momento diz respeito a arquitetura OTN, que se
estrutura em duas hierarquias com o objetivo de aproximar os níveis de transmissão
DWDM e IP. Essas duas hierarquias são Hierarquia de Transporte Digital ou Digital
Transport Hierarchy (DTH) e Hierarquia de Transmissão Óptica ou Optical
Transmission Hierarchy (OTH).
Tessinari(2011) aponta que a DTH é subdividida em três camadas: OPU
(Optical Channel Payload Unit) que realiza o tratamento do sinal digital cliente, o ODU
(Optical Channel Data Unit) que realiza a multiplexação digital, fornece um caminho
digital fim a fim ao sinal cliente, e provê supervisão de caminho fim a fim, de qualidade
do sinal e TCM, assim como o OTU (Optical Channel Transport Unit) que fornece um
caminho digital entre dois NEs e FEC. Cada OTU é mapeado diretamente em um canal
óptico.
A segunda hierarquia é a tecnologia OTH, composto por conjuntos de
Elementos de Rede Óptical ou Optical Network Element (ONE) conectados uns aos
outros por meio de links de fibra óptica e que conseguem prover transporte a taxas de
1.25Gbps, 2.5Gbps, 10Gbps, 40Gbps, e mais recentemente 100Gbps (em fase de
padronização), multiplexação, roteamento, gerenciamento, supervisão e mecanismos de
sobrevivência aos canais ópticos que transportam os sinais. As vantagens são
basicamente:
Dessa forma a OTN pode transportar qualquer forma de sinal digital, e por
isso ser chamada de “empacotador” digital (digital wrapper). Essa
transparência permite o transporte de uma grande quantidade de tipos de
sinais clientes, entre eles: SONET/SDH, Ethernet, Fiber Channel,
Asynchronous Transfer Mode (ATM), Frame Relay, e IP. Esses sinais são
transportados sem que haja alterações nas características intrínsecas do sinal
original (formato, taxa de bits e clock). (TESSINARI,2011)
65
A tecnologia OTH, segundo Tessinari(2011), é dividida em três camadas
puramente ópticas: Seção de Transmissão Óptica ou OTS (Optical Transmission
Section), Seção de Multiplexação Óptica ou OMS (Optical Multiplex Section) e Canal
Óptico ou OCh (Optical Channel). A camada OCh transporta o sinal cliente pela rede
OTN por meio de um caminho óptico, a camada OTS provê um caminho óptico ponto-
a-ponto entre dois ONEs, enquanto que a camada OMS se encarrega da
multiplexação/demultiplexação dos variados comprimentos de onda, cada um
transportando um canal óptico em uma determinada fibra.
3.5.1 Os desafios arquiteturais
A tecnologia WDM já demonstrou que veio pra ficar devido a sua capacidade de
suportar todas as demandas de tráfego necessárias para manter os crescentes serviços
dos clientes em satisfatório fornecimento. Entretanto, integrar antigas e novas
tecnologias no lado da transmissão WDM (Figura 31), de modo que não seja preciso
reformular o uso e funcionamento de todas as tecnologias correntes, demanda grandes
desafios.
O principal desafio no projeto destas redes é entretanto, levar em conta as
várias características de cada tecnologia disponível (antigas ou emergentes)
de forma a construir redes de transporte eficientes e robustas no sentido de
não necessitarem de uma completa reformulação, cada vez que uma nova
onda de avanços tecnológicos torne-se economicamente viável. (NAVES,
2002)
Os argumentos de Naves(2002) se devem ao fato de não ser possível ainda,
relacionar completamente equipamentos reais com os equipamentos descritos nas
Recomendações ITU-T para redes totalmente ópticas. Tessinari(2011) aponta um
exemplo básico: amplificadores de linha unidirecional, um dos equipamentos que fazem
parte de uma ONE, são responsáveis pela amplificação do sinal óptico de entrada, mas
não efetuam conversão O-E-O, tampouco a multiplexação/demultiplexação, ou seja,
estes equipamentos não implementam as camadas OMS e OCh referentes à tecnologia
OTH, realizando apenas funções relativas a camada OTS.
As recomendações ITU-T G.872 descrevem a arquitetura OTH e todos os
equipamentos que a compõem, mas segundo Tessinari(2011), não se obteve ainda um
66
nível homogêneo de intercomunicação entre todas as tecnologias as quais a norma se
refere. Adaptações são realizadas em cada uma das camadas OTH para se estudar
propostas de integração em prol de uma rede totalmente óptica, uma vez que alguns
pontos não esclarecidos pelas recomendações ITU-T ou RFC dão liberdade para
implementações específicas dos desenvolvedores de hardware ou software. Atualmente
não se tem desenvolvido um modelo de uma arquitetura de plano de gerência a ser
seguido pelos diferentes fabricantes de equipamentos OTN, conforme o autor discute
abaixo:
Muitos fabricantes utilizam em seus equipamentos, uma placa que tem como
objetivo supervisionar as demais placas, ou seja, para cada N transponders, K
multiplexadores e J amplificadores, existem H placas que fazem a supervisão
e verificação do estado dessas placas. (TESSINARI,2011)
Da mesma forma, ainda não estão completamente definidos os planos de
transporte e controle para a tecnologia OTH, o que eleva o número de placas do tipo H a
serem utilizadas, exemplificadas na citação acima, de modo a implementar todas as
funcionalidades necessárias para que a rede funcione efetivamente.
3.6 Resumo
Este capítulo apresentou a arquitetura das redes WDM, os principais equipamentos
utilizados nesta rede para que a comunicação se estenda por longas distâncias, as
regulamentações dessa tecnologia, bem como alguns dos principais desafios que
enfrentas para tornarem-se dinâmicas e para integrar-se harmoniosamente ao tráfego IP.
Apesar dos grandes avanços tecnológicos em rede óptica como meio de transmissão e
comutação, a grande base ainda é comutação eletrônica. Como foi visto, interruptores
electrónicos, roteadores e regeneradores são onipresentes na rede e fundamentalmente
importante para o seu funcionamento. O objetivo de uma rede totalmente óptica, em que
os dados percorre grandes distâncias sem intervenção eletrônica, continua a ser um
caminho não alcançado.
O capítulo a seguir faz as considerações finais a respeito da realização deste
trabalho.
67
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Nos últimos anos, as redes ópticas com tecnologia WDM têm mostrado que
oferecem os serviços mais promissores que se pode esperar para aplicações de alta
demanda, que exigem grande velocidade, baixa latência, capacidade em lidar com
ambientes heterogêneos e ainda propriedades que permitam lidar com os mais variados
formatos de arquivos.
A realização deste trabalho permitiu compreender sua estrutura, sua organização
e composição, também pontuou desde a concepção de espectro eletromagnético aos
conceitos em Física que embasam as redes de computadores, assim como destacou as
características específicas de redes ópticas, arquitetura e tendências futuras.
A tecnologia de transmissão óptica passou por muitas evoluções, e embora
enfrente muitos desafios para o seu efetivo emprego, as tendências indicam que é uma
grande aposta para suportar aplicações de TV Digital, Computação em Nuvem, a claro,
também fortalecer todos os tipos de telecomunicações.
Todo este aparato tecnológico que começou a se desenvolver no século XVIII,
trazendo avanços expressivos para as telecomunicações, tornou possível a transmissão
de dados, imagens e sons em larga escala, a altas taxas de velocidade e com baixa
incidência de falhas. Inicialmente esta tecnologia era utilizada apenas em conexões
ponto-a-ponto. Com as contínuas pesquisas, foram criados equipamentos amplificadores
como OADM e ROADMS e comutadores OXC que fizeram explodir a capacidade e
funcionalidade da rede, pois além da grande velocidade de transmissão, também a
possibilidade de alcançar distâncias muito maiores e reduzir as perdas no sinal,
transformaram a tecnologia WDM na grande aposta par o futuro.
Em redes ópticas, que são geralmente utilizadas como backbone, é necessário
haver conversão óptico-eletrico-óptico, visto que ainda não se tem uma rede totalmente
óptica. Esse tratamento eletrônico que é dado ao sinal representa uma limitação a ser
superada, pois atualmente os equipamentos que lidam com centenas de gigabits de
dados e que são empregados em tais infraestrutura de redes, possuem preços muito
altos.
Mesmo diante destes constantes desafios, a tecnologia de Multiplexação por
Comprimento de Onda se desenvolveu em um cenário onde foram incorporados ONEs,
equipamentos estes capazes de eliminar totalmente o tratamento eletrônico, manter o
68
sinal óptico sem perdas e com qualidade. O grande obstáculo neste caso é que muitos
dos equipamentos que formam cada ONE não implementam ainda todas as
funcionalidades da tecnologia OTH, que é a proposta de solução para integrar IP e
DWDM.
O panorama atual das redes ópticas que empregam a tecnologia da camada de
transporte WDM é o de uma geração de redes em malha, com grande quantidade de
tráfego, gargalos de comunicação em ambientes onde há conversão elétrica e óptica, a
ainda com equipamentos onerosos financeiramente. Os esforços atuais buscam
interligações transparentes, reconfiguráveis e flexíveis para rotear e provisionar um
tráfego cada vez mais crescente e minimizando as perdas nos canais de transmissão.
Este levantamento de informações reflete o estado da arte das redes WDM,
pontuando ordenadamente como funcionam, como são constituídas, bem como seus
maiores obstáculos para que esteja funcionando integralmente.
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