Seção: Teleco español

As definições do GPON começaram em 2001, com o consórcio FSAN, que tinha como objetivo padronizar as redes ópticas passivas operando em 1 Gbps, sendo que a conclusão do trabalho ocorreu em 2004. A padronização elaborada pela FSAN foi aprovada e publicada pela ITU-T em 2003, como recomendação G.984, sendo que a série de recomendações está dividida em 6 partes, de G.984.1 a G984.6.

A capacidade de transmissão do GPON é superior às versões anteriores, sendo totalmente compatível com elas. Transporta não somente Ethernet, mas também ATM e TDM, incluindo PSTN, ISDN, E1 e E3. Suporta várias taxas de transmissão tanto em upstream quanto em downstream (ITU-T Rec. G.984.1, 2003).

Características Gerais do GPON

Assim como nas outras tecnologias baseadas em redes ópticas passivas, os sistemas GPON são caracterizados, em geral, por um OLT e uma ONU ou ONT com uma ODN interligando-os. Há, em geral, uma relação ponto-multiponto entre o OLT e as ONU/ONTs.

Além dos elementos principais, fazem parte do sistema GPON:

• A SNI (Service Node Interfaces) que são as interfaces disponibilizadas pelas operadoras para conexão com sua rede de agregação, que consiste na rede de serviços da operadora como transporte, internet, telefonia, etc.
• O R/S e S/R, que é a Interface entre OLT e a ODN, e entre ONU e ODN, ou seja, os conectores ópticos.
• O AF (Adaptation Function) equipamento adicional para alterar a interface da ONU/ONT de acordo com a necessidade do assinante, este equipamento é utilizado somente se as interfaces presentes na ONU/ONT não atenderem a necessidade do assinante. A UNI (User Network Interface) que é a interface solicitada pelo cliente.
• A IF_PON que é uma interface específica do PON que suporta todos os elementos e protocolo necessários para permitir a transmissão entre OLT e ONU.
• O NE (Network Element), que são equipamentos que utilizam comprimento de onda diferente do OLT e ONU/ONT (ITU-T Rec. G.984.1, 2003).

A figura 2 apresenta a estrutura do GPON.

Figura 2: Estrutura de uma GPON

Fonte: G.984.1, 2003, p.05

Componentes do GPON

OLT é o equipamento responsável por multiplexar o tráfego oriundo das ONU/ONTs para entregar à rede de agregação, e distribuir o conteúdo agregado recebido da rede de agregação aos respectivos terminais ligados à interface pela rede óptica. Este equipamento é composto por:

• Portas com interface óptica para conexão com a ODN e ONU/ONT: portas PON;
• Portas de serviço, para conexão à rede de agregação da operadora: portas de uplink;
• Função cross-connect.

Na figura 3 é apresentado um OLT do fabricante ZTE como exemplo.

Figura 3: OLT fabricante ZTE modelo C220

Fonte: Foto do autor

De acordo com a recomendação da ITU-T G.984.2 o OLT deve ser projetada com capacidade para receber 128 ONU/ONTs por porta PON, que são as portas ópticas que têm conexão com a ODN.

Cada porta PON tem as seguintes características, de acordo com ITU-T Rec. G.984.2:

• Taxa de transmissão (downstream / upstream), conforme tabela 1 abaixo:

Tabela 1: Relação de taxa de transmissão do GPON de acordo com ITU-T G.984.2

Fonte: G.984.2, 2003, p. 4

• Alcance: é dividido em dois tipos, sendo o primeiro o lógico, que é aquele que não depende dos recursos da camada física, ou seja, da fibra óptica, fusões e splitters, e é limitado em 60 km. E o segundo, o alcance físico, que é aquele que depende dos recursos da camada física, e está limitado em 20 km.
• Split ratio: que é a relação de divisões feitas no sinal original que sai de uma porta PON. Para as operadoras quanto maior for esta divisão melhor, pois poderá inserir uma quantidade maior de clientes em uma única porta PON, porém, o aumento do split ratio implica na necessidade de aumento da potência de transmissão para que o alcance físico não seja prejudicado. Dada a tecnologia atual o split ratio está limitada em 1:64, no entanto, antecipando a evolução contínua dos módulos ópticos, a camada GTC (Gpon Transmission Convergence) deve considerar split ratio de até 1:128.
• Meio de transmissão: deve ser fibra standard ITU-T Rec. G.652.
• Direção de transmissão: deve ser full duplex, sendo utilizados os termos downstream para designar o tráfego de dados no sentido OLT para ONU/ONT, e upstream para designar o tráfego de dados no sentido ONU/ONT para OLT.
• Método de transmissão: pode ser unidirecional, ou seja, utilizando 2 fibras ópticas ou bidirecional utilizando apenas 1 fibra óptica. No método unidirecional é utilizado o comprimento de onda de 1260 – 1360 nm para downstream e para upstream. No método bidirecional, que é o mais usual, é utilizado o comprimento de onda de 1480 – 1500 nm para downstream e de 1260 – 1360 nm para upstream.

Na tabela 2 são apresentados os níveis de potência óptica de um OLT do fabricante ZTE, que está em conformidade com a série de recomendações ITU-T G.984.

Tabela 2: Níveis de potência óptica de um OLT

Sistemas com taxas de 2,4Gbps em downstream e 1,2 Gbps em upstream.

Fonte: Autor com dados da ZTE, 2011, p.68

ONU/ONT é uma nomenclatura genérica do terminal instalado no cliente. Este equipamento recebe e transmite sinais ópticos de acordo com o método de transmissão adotado pela rede (unidirecional ou bidirecional), convertendo os sinais ópticos de acordo com as portas disponíveis no equipamento, que podem ser 10/100baseT, 10/100/1000baseT, E1, RF coaxial para TV, etc. Na figura 4 são exibidas duas ONUs utilizadas para comunicar com o OLT, como mostrado na figura 3.

Figura 4: ONU/ONT do fabricante ZTE

Fonte: Fotos do autor

Em concordância com a recomendação da ITU-T G.984.2, segue abaixo na tabela 3 os níveis de potência óptica obtidos por uma ONU/ONT do fabricante ZTE, trabalhando em sistemas com taxas de 2,4 Gbps em downstream e 1,2 Gbps em upstream.

Tabela 3: Níveis de potência óptica em uma ONU/ONT

Sistemas com taxas de 2,4Gbps em downstream e 1,2 Gbps em upstream.

Fonte: Autor com dados da ZTE, 2011, p.68

A ODN é composta por todos os elementos passivos que estão entre a OLT e a ONU/ONT. São estes componentes os responsáveis pela maior parte da atenuação do sinal óptico. Dentre estes componentes estão os cabos ópticos, cordões ópticos, conectores ópticos, atenuadores ópticos fixos, passantes ópticos em DGOs (Distribuidor Geral Óptico), emendas por fusão ou mecânicas e divisores ópticos, também conhecidos como Splitter.

Splitters ópticos são componentes passivos que realizam a divisão do sinal óptico em uma rede PON. Quanto à divisão de potência os splitters são classificados em balanceados e desbalanceados. Os splitters balanceados dividem o sinal da entrada de forma simétrica nas saídas. A relação entre entrada e saída pode ser de 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64 e 1:128 conforme padronização da ITU-T G.984.2. Por outro lado, os desbalanceados, dividem a potência de entrada de forma assimétrica nas saídas, sendo que a relação entre entrada e saída é de 1:2 e a divisão de potência entre as portas de saída ocorre em passos de 10% (60/40, 70/30, 80/20, 90/10) ou de 5% (65/35, 75/25, 85/15, 95/5), visando a atender ramos com atenuação diferenciada.

Quanto ao método de fabricação, os splitters são classificados em FBT (Fused Biconical Taper) e PLC (Planar Lightwave Circuit). No método FBT o splitter é produzido por meio de fusão de duas fibras. Este processo é indicado apenas para divisores 1:2 assimétricos, pois possuem uma perda de inserção alta, porém o custo de fabricação é baixo se comparado ao PLC. No método PLC são utilizados circuitos de guia de onda de sílica alinhados com os pigtails (cabinho para emenda) das fibras. Este processo é mais complexo, a perda por inserção é baixa, porém, o custo de fabricação é maior que o FBT (FURUKAWA, 2014).

A figura 5 mostra um splitter óptico balanceado do tipo PLC com relação 1:8, é possível observar o tamanho reduzido deste componente quando comparado com uma tampa de caneta.

Figura 5: Splitter óptico balanceado tipo PLC (relação 1:8) comparado com tampa de caneta

Fonte: Foto do autor

Com a utilização de splitters a potência do sinal óptico pode ser dividida em proporções diferentes de acordo com a necessidade de cada projeto. O splitter é o componente da ODN que insere a maior atenuação na rede. A tabela 4 mostra alguns modelos deste componente com suas atenuações típicas.

Tabela 4: Relação de splitters com sua atenuação típica e tecnologia de fabricação

Fonte: Autor com dados da FURUKAWA, 2014

Estrutura de Comunicação do GPON

Como informado anteriormente, o método de transmissão mais usual é o bidirecional (em uma única fibra), utilizando os comprimentos de onda de 1480 – 1500 nm para downstream e de 1260 – 1360 nm para upstream.

No sentido de downstream os dados são enviados em broadcast (envio não direcionado). As informações de cada ONU são divididas no tempo (TDM – Time Division Multiplexing). Desta forma, toda informação provida pelo OLT é repassada a todas ONUs da rede, mas cada ONU filtra as informações que lhe são destinadas (ZTE, 2011), a figura 6 ilustra esta forma de comunicação. Uma forma para se garantir a segurança dos dados transmitidos na rede é a utilização de criptografia, sendo utilizado o algoritmo Advanced Encryption Standard (AES).

Figura 6: Representação do tráfego GPON no sentido downstream

Fonte: HUAWEI, 2011, p.09

No sentido upstream a transmissão é feita a partir de um arranjo TDMA (Time Division Multiple Access ou Acesso Múltiplo por Divisão no Tempo). Cada ONU tem seu tempo predefinido para realizar a transmissão de seus dados para o OLT. Para evitar colisões, o OLT fica responsável por administrar o momento em que cada ONU deve realizar a transmissão, sendo que cada frame (quadro) em upstream possui um tempo de 125μs (ZTE, 2011).

A figura 7 ilustra esta forma de comunicação.

Figura 7: Representação do tráfego GPON no sentido upstream

Fonte: HUAWEI, 2011, p.10

Camadas do GPON

Como mostrado na figura 8 a estrutura de camada de um GPON, tanto no OLT como na ONU, consiste, basicamente, em duas camadas: PMD (physical-medium-dependent), camada física dependente do meio padronizada pela recomendação ITU-T G.984.2, e a GTC, camada de convergência de transmissão padronizada pela recomendação ITU-T G.984.3. Elas correspondem à camada física e à camada de enlace do modelo de referência OSI, respectivamente (ITU-T Rec. G.984.3, 2004).

Figura 8: Representação em camadas do GPON

Fonte: G.984.3, 2008, p.16

Camada GPON Physical-Medium-Dependent (PMD)

A PMD é composta por hardware, sendo este definido pela recomendação ITU-T G.984.2, conforme parâmetros descritos no item 5.2 referentes à taxa de transmissão, método de transmissão, comprimento de onda, tipo de tráfego, split ratio, alcance lógico e físico, etc.

Camada GPON Transmission Convergence (GTC)

A camada GTC é dividida em duas subcamadas, como segue:

• Subcamada Framing GTC

De acordo com as especificações do ITU-T Rec. G.984.3(2004), a subcamada framing GTC é responsável por realizar a multiplexação e a demultiplexação do PLOAM (Physical Layer OAM ou Operação, Administração e Manutenção da Camada Física), ATM e GEM (G-PON Encapsulation Method ou Método de Encapsulamento G-PON), criação do cabeçalho do GTC no downstream e decodificação no upstream, e roteamento com base no Alloc-ID dos dados em ATM e GEM.

• Subcamada de Adaptação

A subcamada de adaptação fornece três adaptadores de convergência de transmissão (TC):

• Adaptador de convergência de transmissão ATM, que em conjunto com a subcamada framing (subcamada de quadros) do GTC fornece a interface ATM conforme padrão especificado na recomendação ITU-T I.432.1;
• Adaptador TC GEM que pode ser configurado para diversas interfaces de transporte como TDM, Ethernet, SDH e IP;
• Adaptador OMCI (ONU Management and Control Interface) que, na ONU é responsável por filtrar e desencapsular os frames no downstream e encapsular os PDUs (Protocol Data Unit) no upstream; no OLT é realizado o mesmo processo no sentido contrário, ou seja, filtrar e desencapsular os frames no upstream e encapsular os PDUs no downstream.

Estrutura do Frame GTC

A figura 9 mostra a estrutura do frame GTC para downstream e upstream. O quadro downstream do GTC consiste do PCBd (Physical Control Block downstream), que é o bloco responsável pelo controle físico, provendo a localização do frame, sincronização e funções de alocação de largura de banda, e a seção de Payload do GTC, usado para carregar os dados de downstream. O quadro de GTC upstream contém vários bursts ou rajadas de transmissão. Cada burst resulta em uma sessão PLOu (Physical Layer Overhead upstream) e em um ou mais intervalos de alocação de banda associados com ALLOC_IDs (ITU-T Rec. G.984.3, 2004).

Figura 9: Estrutura do frame GTC para downstream e upstream

Fonte: G.984.3, 2008, p.30