30/04/08

Artigo

Topologias para Redes GPON

Recentemente a oferta de novos serviços e aplicações cada vez mais diversificados e sofisticados, como, por exemplo, video-conferência, vídeo sob demanda, jogos on-line e voz sobre IP, justificou o investimento na tecnologia de Fiber to the Premises (FTTP), ou seja, a utilização de fibras ópticas nas redes de acesso. Segundo estimativas recentes, a demanda por largura de banda apresenta um crescimento anual superior a 50% nos últimos anos.

A utilização de FTTP atende a uma série de requisitos da rede de acesso, entre eles: capacidade potencial de Gbit/s alcançando distâncias de até dezenas de quilômetros, facilidade de instalação e atualização, possibilidade de serviços simétricos, baixo custo de operação e manutenção, confiabilidade, imunidade a interferências eletromagnéticas, cabos mais leves e mais compactos. Entretanto, até recentemente, os equipamentos necessários para a implantação dessa tecnologia apresentavam custos superiores aos de outras tecnologias e a demanda por banda não era suficiente para justificar o investimento nessa tecnologia.

Além da necessidade de alta capacidade de transmissão e processamento, a rede de acesso tem uma série de requisitos específicos, entre os quais destacamos: a necessidade de oferecer multisserviços (voz, vídeo e dados) a clientes variados (residências, condomínios, empresas), a instalação de equipamentos em ambiente não-controlado (fora de estações), a exigência de baixo custo (infra-estrutura de rede compartilhada entre um número reduzido de
usuários) e a expectativa de alta confiabilidade dos serviços por parte do cliente.

Entre as três arquiteturas básicas de redes ópticas de acesso – ponto-a-ponto, estrela passiva e pontomultiponto –, a grande maioria das redes de acesso que estão sendo instaladas são ponto-multiponto ou redes ópticas passivas (Passive Optical Networks – PON), em função da redução nos custos de operação e manutenção quando comparadas com as outras arquiteturas. A arquitetura ponto-multiponto usa um ou mais níveis de acopladores ópticos passivos para distribuir o sinal aos clientes. O acesso ao meio na transmissão ascendente é feito por meio de multiplexação no tempo (TDMA), para evitar colisões no acoplador.

Duas tecnologias de redes ópticas passivas com TDMA são disponíveis hoje: GPON (com capacidade de Gigabit), GPON (padronizada pela ITU-T G.984) e Ethernet PON, EPON (padronizada pela IEEE 802.34h). O padrão GPON foi desenvolvido pelas operadoras de telecomunicações e oferece algumas vantagens técnicas sobre o EPON, como, por exemplo, maiores taxas de tráfego descendente e ascendente, maior eficiência de banda, maior variedade de serviços e suporte a Operation, Administration and Maintenance (OAM) e serviços
Time Division Multiplexing (TDM). Entretanto, o padrão EPON apresenta custos menores e é uma tecnologia em estágio de maturidade mais adiantado que a tecnologia GPON.

Muitos países estão realizando testes de campo e instalando produtos de acesso ópticos lançados recentemente, sendo que, neste ano, o número de usuários conectados por fibra no mundo já ultrapassa 30 milhões. Entretanto, as redes ópticas passivas representam uma tecnologia ainda não completamente madura, e há várias questões não consolidadas. As operadoras ainda enfrentam uma série de desafios associados ao projeto e à implantação dessas redes. Um dos principais desafios relacionados ao projeto e à implantação é a definição da topologia da rede, que depende da distribuição geográfica da demanda e da infra-estrutura existente na região, influenciando fortemente os custos da rede de distribuição.

Estudos recentes revelam que mais da metade da quantidade de fibra que está sendo instalada não é necessária para a implantação da rede de distribuição. Isso ocorre por duas razões principais: a área de cobertura das redes de distribuição é maior do que o necessário, ou seja, não é otimizada, assim como o posicionamento dos acopladores em campo também não é otimizado.

Propomos uma nova topologia que faz uso de distribuição híbrida simétrica/ assimétrica de potência óptica para a entrega do sinal aos usuários nas rede GPON. Essa nova topologia, adequada a uma distribuição linear de ONTs. A topologia básica é de barramento, aplicada para atendimento de uma demanda de tráfego distribuída ao longo de uma rodovia ou para aproveitamento de infra-estrutura já existente e disposta de forma linear. O alcance geográfico da rede GPON, ou seja, a máxima distância entre o OLT e o ONT mais distante, apresenta uma limitação lógica e uma limitação física.

A limitação lógica, de 60 km, está associada aos protocolos de comunicação entre OLT e ONT, que têm como requisito um tempo máximo de recebimento de mensagens. A diferença entre as distâncias do ONT mais afastado e o ONT mais próximo do OLT não deve superar 20 km para que o protocolo de ranging funcione adequadamente.

A limitação física do alcance dessas redes estárelacionada às características ópticas da rede. Nesse caso, o alcance depende fortemente da topologia da rede de distribuição, além de fatores como atenuação das fibras nos comprimentos de onda ascendente e descendente, número de ONTs ligados a cada OLT, número de níveis de distribuição, potência de saída dos transmissores e sensibilidade dos receptores utilizados.

Foram realizadas análises de uma rede com 32 e 64 ONTs distribuídas de forma linear e considerando o tráfego ascendente, pois a maior limitação do alcance está associada a ele, em virtude da maior atenuação da fibra no seu comprimento de onda. A Figura 1 mostra os diagramas esquemáticos das duas topologias comparadas.

Figura 1 Rede de distribuição para GPON de 32 ONTs com acopladores simétricos e assimétricos, acopladores simétricos com três estágios de distribuição.

As Tabelas 1 e 2 mostram os valores das margens e as quantidades de fibra para os dois tipos de topologia, sendo que para a topologia simétrica, são apresentadas três combinações possíveis de acopladores.

Tabela 1 Comparação entre as margens das topologias híbrida simétrica/assimétrica e simétricas convencionais para 32 ONTs

Tabela 2 Comparação entre margens das topologias híbrida simétrica/assimétrica e simétricas convencionais para 64 ONTs

Quando avaliada e comparada com as topologias convencionais, em que o sinal é distribuído apenas de forma simétrica, a topologia híbrida simétricaassimétrica requer uma quantidade menor de fibra com um melhor aproveitamento das fibras no cabo. As topologias convencionais com distribuição simétrica geram um desperdício de fibras no cabo, pois somente parte das fibras usadas na distribuição são utilizadas ao longo de todo o cabo, e algumas fibras ficam com trechos sem utilização, conforme Figura 1b. Na nova topologia proposta com distribuidores assimétricos, as fibras são utilizadas ao longo de todo o cabo.

As margens de potência óptica da nova topologia são inferiores às das topologias convencionais, porém, bastante próximas. É importante destacar que esta topologia para a rede de distribuição, baseada em distribuição híbrida simétrica/assimétrica de potência óptica é adequada para aplicação em um conjunto de ONTs dispostos de forma linear. A identificação e análise de topologias deve ser realizada para cada geografia de demanda e é um passo essencial para o projeto de redes PON eficientes e otimizadas em custo.

Miriam Regina Xavier de Barros é pesquisadora do CPqD

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