As redes ópticas passivas (Passive Optical Networks – PON) tornaram-se uma solução popular de rede de acesso devido à sua transparência nos serviços, custo-benefício, economia de energia e maior segurança em relação a outras redes de acesso que utilizam cabos metálicos ou radiofrequência.
Entretanto, mesmos idealizados para atender uma ampla gama de serviços com base no protocolo IP (Internet Protocol), com o rápido crescimento do tráfego da Internet, impulsionado principalmente pelos novos serviços multimídia em banda larga, como TV em ultra alta definição, cinema digital, educação à distância e sob demanda, esquemas de vigilância on-line, jogos on-line interativos, entre outros, maiores taxas de dados e melhor qualidade nos serviços agregados passaram a ser exigidos dessas redes. Por esse motivo, as redes PON atuais podem apresentar gargalos de transmissão devido às novas exigências de maior largura de banda dedicada por usuário. A Figura 1 apresenta um diagrama simplificado de uma rede PON.
As chamadas PON de próxima geração, ou Next-gen PON, buscam solucionar esses gargalos mostrando uma tendência para a transmissão de dados com largura de banda agregada em 40Gbps ou superior, e incluem serviços de gerenciamento de banda e facilidade no uso múltiplo de banda larga, transporte de informação ao longo da rede com controle da qualidade de serviço (Quality of Service – QoS), sendo que as funções de gerência tramitam junto com a rede, independentes do tráfego de dados. Os diversos serviços podem ser providos aos usuários com total mobilidade, sem qualquer restrição e com a garantia de estarem disponíveis onde necessário.
A utilização da comunicação de dados, voz e vídeo (triple play) em um mesmo canal é um ponto de evolução proposto como conceito para essas novas redes.
Entretanto, uma questão fundamental para o desenvolvimento de PON’s de próxima geração, capazes de suportar essas taxas elevadas de divisão, está no nível de multiplexação exigido para lidar com todos os fluxos de dados das conexões individuais transportados pelo enlace óptico. Essas redes incluem novas estruturas de hardware e software e utilizam diferentes técnicas de multiplexação dos sinais ópticos.
Neste artigo vamos apresentar alguns aspectos da arquitetura WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network), uma solução tecnológica de rede de acesso de próxima geração.
- Breve Histórico
Uma das primeiras iniciativas de rede WDM-PON data do ano de 1991 e ficou conhecida como CPON (Composite PON). Essa solução tem como principal característica o uso de fontes ópticas de alto custo na ONU/ONT (Optical Network Unit/Optical Network Terminal), com comprimentos de onda bem definidos. A Figura 2 apresenta o diagrama de uma rede CPON.
Outra solução proposta foi a arquitetura LARNet (Local Access Router Network), que busca solucionar o problema da limitação da fonte óptica na CPON, empregando fonte de luz de amplo espectro na ONU/ONT, uma fonte de baixo custo com diodo emissor de luz (LED), cujo espectro utiliza diferentes bandas ópticas na direção de upstream. A Figura 3 apresenta essa solução.
Outra Solução, conhecida como RiteNet (Remote Interrogation of Terminal Network), foi proposta em 1994, visando a eliminar a necessidade das fontes ópticas de alto custo na ONU/ONT. Na ONU/ONT, a luz passa por um divisor passivo e uma porção da luz é detectada pelo receptor. O sinal da OLT é compartilhado nos sentidos de downstream e upstream no conceito de compartilhamento de tempo. A figura 4 apresenta a topologia simplificada dessa rede.
Outras soluções vem sendo estudadas atualmente visando resolver problemas do uso de fontes sem cor no terminal do usuário, bem como a questão do alto custo de produção e manutenção dos dispositivos, que inibem seu uso mais intenso.
- Arquitetura WDM-PON
Diferentemente da EPON (Ethernet Passive Optical Network) e da GPON (Gigabit Passive Optical Network), que fazem a divisão por usuário no domínio do tempo, o conceito utilizado pela arquitetura WDM-PON é baseado na divisão por usuário no domínio da frequência. Nessa arquitetura, padronizada pelo ITU-T (International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector), através da norma G.694.1 (Dense Wavelength Division Multiplexing – DWDM), que permite combinar até 320 canais por fibra óptica, e pela norma G.694.2 (Coarse Wavelenthg Division Multiplexing – CWDM), que permite combinar até 18 canais por fibra óptica, cada terminal óptico recebe um canal separado com comprimento de onda distinto, por meio de um demultiplexador de comprimento de onda passivo no local de divisão da PON. Essa transmissão paralela da informação em diferentes comprimentos de onda permite uma melhor ocupação das fibras existentes e, nesse caso, a capacidade da rede de alimentação da PON é compartilhada com maior segurança por mais usuários.
A técnica WDM permite que vários canais TDM sejam multiplexados em uma única fibra, aumentando a capacidade de transmissão do sistema. A topologia lógica da rede é ponto-a-ponto e reúne múltiplos comprimentos de onda, tanto no sentido de downstream como no sentido de upstream (Figura 5).
Uma rede WDM-PON permite que diferentes ONU/ONT’s possam operar em diferentes taxas de bits, fornecendo escalabilidade porque pode suportar múltiplos comprimentos de onda na mesma infraestrutura de fibra, transparência à taxa de bits do canal, não sofre perdas de divisão de energia e diferentes serviços podem ser oferecidos nessa mesma rede.
A arquitetura WDM-PON pode seguir duas estruturas básicas: broadcast e Arrayed Waveguide Grating (AWG).
- Em broadcast, com a subdivisão de toda a potência óptica, como ocorre na PON tradicional;
- AWG, através da subdivisão pela seleção dos comprimentos de onda individuais. Isto significa reunir, numa mesma fibra, vários comprimentos de onda diferentes, cada um gerado por uma fonte distinta.
Na primeira versão, em broadcast, o OLT (Optical Line Terminal) transmite todos os comprimentos de onda na fibra óptica e, através dos splitters, todas as ONU/ONT recebem o sinal, mas fazem uma filtragem para processar apenas a frequência destinada a si. Ou seja, a potência óptica é subdividida para todas as ONU/ONT e cada uma recebe um comprimento de onda específico.
Na segunda versão, existe um filtro óptico chamado Arrayed Waveguide Grating – AWG, onde na entrada, a luz é separada pelo seu espectro, sendo novamente reunida em outro estágio. Um roteador é o responsável pelo roteamento do sinal óptico de uma determinada porta de entrada para uma porta específica na saída, baseado no comprimento de onda do sinal. Uma fonte de múltiplos comprimentos de onda no OLT é usada para transmitir os comprimentos de onda que serão roteados para as diversas ONU/ONT’s (downstream). No sentido de upstream, o OLT é equipado com um demultiplexador WDM para receber os comprimentos de onda das ONU/ONT’s. No transmissor, múltiplos comprimentos de onda de luz são misturados e enviados. No receptor, os sinais são novamente separados e cada ONU/ONT possui um comprimento de onda reservado para se comunicar com o OLT. As redes WDM-PON utilizam comprimentos de onda de 1500nm no sentido de downstream e 1310nm no sentido de upstream. Em cada janela, a separação dos comprimentos de onda se dá por DWDM (tipicamente na faixa de 100GHz).
A vantagem da utilização de um roteador AWG em vez de um divisor de potência na ONU/ONT está em que a perda de inserção deste é muito menor que a perda apresentada pelos divisores de potência óptica (splitters) e não depende do número de usuários. Além disso, como a largura de banda de cada receptor na ONU/ONT é igual à largura de banda dedicada do canal, não há deterioração adicional da relação óptica sinal-ruído (OSNR) relacionada ao número de usuários.
Para cada ONU/ONT é atribuído um comprimento de onda dedicado. Desse modo, cada usuário pode enviar e receber dados com o OLT a qualquer instante, independentemente da condição dos outros usuários. Isso significa que não há distribuição de janelas temporais entre usuários distintos da rede WDM-PON. Assim, os problemas de gerenciamento da rede, ocasionados pelo seu compartilhamento, podem ser eliminados (Figura 6).
Nessa configuração, cada usuário fica com um canal óptico lógico ponto a ponto com o OLT, apesar de a arquitetura física da rede ser ponto-multiponto. Para que essa configuração seja possível, um multiplexador/demultiplexador óptico deve ser utilizado no ponto de distribuição óptica (Optical Distribution Network – ODN) em vez do divisor de potência, que é normalmente utilizado nas redes PON tradicionais. Além disso, o demultiplexador óptico deve ficar localizado no OLT para separar os diversos comprimentos de onda.
Em relação ao QoS, a utilização de WDM-PON utiliza algoritmos heurísticos que implementam o agendamento dinâmico dos dados, que são comparados em termos de atraso de pacotes de alta prioridade para cargas de tráfego variáveis.
Isto reduz significativamente os problemas de fluxo, uma vez que a rede é baseada em conexões ponto a ponto dedicadas. Além disso, não há necessidade de transmissão do sinal das ONU/ONT’s em modo de rajada (burst), nem de utilização de algoritmos MAC (Message Authentication Code) para gerenciar os tempos de transmissão de cada ONU/ONT. Esses fatores permitem que a operação da rede WDM-PON seja bastante simples. Porém, uma desvantagem é a impossibilidade de realocar a banda não utilizada de um usuário para outro.
3. O Futuro
Futuramente, com a tecnologia e protocolos de WDM-PON atingindo uma maior maturidade, será possível considerar sua utilização comercial em larga escala visando atender à alta demanda por largura de banda e os novos requisitos das aplicações dos usuários nas redes de acesso.
Até o próximo artigo!
José Maurício – Sócio Diretor da RATIO Consultoria e professor Universitário www.projetoderedes.com.br
