UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA E DE COMPUTAO DEPARTAMENTO DE SEMICONDUTORES, INSTRUMENTOS E FOTNICA DISSERTAO DE MESTRADO Anlise Crtica de Plataformas GPON e EPON para Aplicao em Redes pticas de Acesso de Alta Capacidade DissertaoapresentadaFaculdadede EngenhariaEltricaedeComputaoda Universidade Estadual de Campinas, como partedosrequisitosexigidosparaa obtenodottulodeMestreem Engenharia Eltrica. Mauricio Lopez Bonilla Orientador: Prof. Dr. Edson Moschim Co-orientador: Dr. Felipe Rudge Barbosa Banca Examinadora: Prof. Dr. Felipe Rudge Barbosa (presidente)Prof. Dr. Yuzo Iano (FEEC/Unicamp) Dr. Mrio Tosi Furtado (Fundao CPqD) Campinas, SP Brasil Dezembro - 2008 ii FICHACATALOGRFICAELABORADAPELA BIBLIOTECADAREADEENGENHARIAEARQUITETURA-BAE-UNICAMP L881a Lopez Bonilla, Mauricio Anlise crtica de plataformas GPON e EPON para aplicao em redes pticas de acesso de alta capacidade/ Mauricio Lopez Bonilla. --Campinas, SP: [s.n.], 2008. Orientador: Edson Moschim. Dissertao de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao. 1. Comunicaes oticas.2. Telecomunicaes.I. Moschim, Edson.II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao.III. Ttulo. Ttulo em Ingls: Critical analysis of GPON and EPON platforms for application in high capacity optical access networks Palavras-chave em Ingls: Optical communication, Telecommunication rea de concentrao: Eletrnica, Optoeletrnica e MicroeletrnicaTitulao: Mestre em Engenharia Eltrica Banca examinadora: Yuzo Iano, Mario Tosi FurtadoData da defesa: 02/12/2008 Programa de Ps Graduao: Engenharia Eltrica iii ivResumo NestetrabalhoapresentamosumestudoatualdasplataformasGPONeEPON, mostrandosuasprincipaiscaractersticastcnicas,realizandoumaanlisecomparativa encontrando as vantagens e desvantagens entre as duas tecnologias. Utilizou-se o software livreanalisadordeprotocolosEthereal,paraoestudoexperimentaldeumenlacepontoa ponto Gigabit para diversos testes de trfego, obtendo a perspectiva desde o modelo OSI do enlace.Tambmserealizaramestudoseconmicossobreafactibilidadeaomomentode desenvolver uma rede ptica passiva, encontrando e apresentando argumentos vlidos tanto econmicoscomotcnicosaomomentodeimplantaremassificarestetipoderedesem uma regio. Palavras-chave:RedespticasPassivas,GPON,EPON,comparaotecno-econmica. Abstract This work presents a study of the current GPON and EPON platforms, showing its maintechnicalcharacteristics,makingacomparativeanalysisfindingtheadvantagesand disadvantages between the two technologies. We used the free software Ethereal, which is ananalyzerofprotocolsfortheexperimentalstudyofapointtopointGigabitlinkdoing testsfordifferentkindsoftraffictogettheperspectivefromtheOSI.Wealsoconducted studiesontheeconomicfeasibilityofdevelopingapassiveopticalnetwork,findingand presentingvalideconomicandtechnicalargumentstodeployandexpandthistypeof networks in a region. Keywords:PassiveOpticalNetworks,GPON,EPON,tecno-economic comparison. v Agradecimentos Forammuitasaspessoasdegrandeimportnciaparamimquedealgumaforma contriburam para o desenvolvimento deste trabalho. Agradeoaosmeuspaiseirmquesempreapoiarameacreditaramemminhas capacidades, sempre me dando fora e coragem para enfrentar os obstculos da vida. Agradeo especialmente s duas pessoas que fizeram possvel o desenvolvimento e aconclusodotrabalho,aminhanamorada;alindaMariaCatalinaParraquefoiminha fora,motivaoealegriaparaacabarsatisfatoriamentemeutrabalhoeaomeuamigo David Giraldo que sempre esteve presente em todos os momentos. Aos meus orientadores Edson Moschim e Felipe Rudge pela colaborao brindada, aceitao no grupo e pela oportunidade de realizar o mestrado na prestigiosa UNICAMP. E para finalizar, quero agradecer CAPES, pelo apoio financeiro. vi Aos meus pais, irm e namorada A imaginao mais importante que o conhecimentoAlbert Einstein Sumrio vii Sumrio Lista de Figuras ........................................................................................................ xiLista de Tabelas ..................................................................................................... xiiiGlossrio .................................................................................................................. xv1. Introduo Geral .............................................................................................. 11.1 Redes de Acesso (ltima Milha) ................................................................ 31.1.1 Redes de Acesso Via Par Tranado ........................................................ 41.1.2 Redes de Acesso Via Fibra ptica e Cabo Coaxial................................ 61.1.3 Redes de Acesso Via Fibra ptica ......................................................... 61.1.3.1 Redes APON (ITU-T G.983) ............................................................ 81.1.3.2 Redes GPON (ITU-T G.984) .......................................................... 101.1.3.3 EFM (IEEE 802.3ah) ....................................................................... 111.1.3.4 Resumo das Tecnologias APON, GPON e EPON .......................... 131.2 Mercado das Redes GPON e EPON no Mundo ....................................... 141.3 Organizao do Trabalho e Motivao ..................................................... 151.4 Principais Contribuies deste Trabalho .................................................. 161.5 Referncias ............................................................................................... 172. REDES GPON ................................................................................................ 192.1 Arquitetura da Rede ptica de Acesso ..................................................... 202.2 Conceitos Gerais sobre GPON ................................................................. 222.2.1 Possveis Configuraes Dplex para GPON ....................................... 242.3 Especificaes da Subcamada PMD (Physical Medium Dependent) ....... 272.3.1 Requisitos da Subcamada PMD para GPON ........................................ 272.3.2 Interao entre a Subcamada PMD da GPON e a Subcamada TC ....... 282.4 Frame de Dados no Canal de Distribuio (Downstream) ...................... 302.5 Frame de Dados no Canal de Retorno (Upstream) .................................. 322.6 Alocao do Tempo do Cabealho da Camada Fsica ............................. 332.7 GFP: Generic Framing Procedure ........................................................... 35Sumrio viii2.7.1 Modo de Encapsulamento de informao GPON (GEM) .................... 362.8 Referncias ............................................................................................... 373. REDES EPON ................................................................................................. 393.1 Foco do Estudo de IEEE 802.3 (Ethernet) ............................................... 403.2 Transmisso de Dados na EPON .............................................................. 413.3 Canal de Distribuio (Downstream) ....................................................... 423.4 Canal de Retorno (Upstream) ................................................................... 433.4.1 Acesso ao Meio Baseado em Contenda contra Acesso Garantido ....... 433.4.2 Controle de Acesso ao Meio para o Meio Garantido ........................... 443.4.3 Protocolo de Controle Multi-Ponto: MPCP ......................................... 463.4.3.1 Alocao de Banda .......................................................................... 463.4.3.2 Processo de Auto-Descobrimento (autodiscovery) ......................... 523.5 Emulao da Topologia Lgica ................................................................ 543.5.1 Emulao da Topologia Ponto-Ponto (P2PE) ...................................... 553.5.2 Emulao do Meio Compartilhado (SME) ........................................... 563.5.3 Combinao de P2PE e SME ............................................................... 583.5.4 Soluo Adotada pelo Padro ............................................................... 583.6 Formato do frame Prembulo ................................................................... 593.7 Controle do LASER ................................................................................. 603.8 Correo de Erros Caminhante: FEC (Forward Error Correction) ......... 613.9 Enlace Ponto a Ponto Gigabit Ethernet .................................................... 623.9.1 Resultado Experimental ........................................................................ 643.9.1.1 Prova com Comando PING ............................................................. 653.9.1.2 Prova com CHAT (bate-papo) ......................................................... 683.9.1.3 Prova Compartilhando Desktop ....................................................... 693.9.1.4 Prova Enviando Arquivo ................................................................. 713.10 Referncias ............................................................................................... 734. Comparao entre GPON e EPON ............................................................... 754.1 Diferenas Bsicas entre GPON e EPON................................................. 764.1.1 Largura de Banda ................................................................................. 774.1.2 Alcance ................................................................................................. 784.1.3 Sistema de Gerenciamento ................................................................... 784.1.4 Segurana e Proteo ............................................................................ 784.1.5 Quantidade de Usurios por PON ........................................................ 794.1.6 Escalabilidade e Flexibilidade .............................................................. 794.1.7 Eficincia de Cada Padro .................................................................... 794.2 Eficincia das Redes GPON e EPON ....................................................... 804.2.1 Eficincia na GPON ............................................................................. 804.2.1.1 Cabealho na Transmisso no Canal de Distribuio ..................... 804.2.1.2 Cabealho na Transmisso no Canal de Retorno ............................ 814.2.2 Eficincia na EPON .............................................................................. 81Sumrio ix4.2.2.1 Cabealho por Agendamento........................................................... 824.2.2.2 Eficincia Absoluta na EPON ......................................................... 864.3 Comparao Econmica entre GPON e EPON ........................................ 864.4 Referncias ............................................................................................... 945. Concluso ........................................................................................................ 955.1 Trabalhos Futuros ..................................................................................... 96Anexo A .................................................................................................................... 99Ethereal .................................................................................................................... 99Anexo B .................................................................................................................. 101Comando PING ..................................................................................................... 101 Lista de Figuras xi Lista de Figuras Figura 1: Rede de Acesso ................................................................................................... 3Figura 2: Tipos de Redes de Acesso. ................................................................................. 4Figura 3: Redes pticas de Acesso .................................................................................... 8Figura 4: Arquitetura da Rede .......................................................................................... 20Figura 5: Configurao de Referncia para GPON (G.984.1) ......................................... 21Figura 6: Modelo Dplex G.984.1 ................................................................................... 23Figura 7: Sistema GPON Dplex: Sistema Dplex de Fibra ........................................... 24Figura 8: Sistema GPON Dplex: Sistema Dplex de OLT ............................................ 25Figura 9: Sistema GPON Dplex: Sistema Full Dplex .................................................. 25Figura 10: Sistema GPON Dplex: Sistema Parcial Dplex .......................................... 26Figura 11: Frame de downstream: GPON ..................................................................... 30Figura 12: Bloco de Controle PCBd .............................................................................. 31Figura 13: Frame de Dados GPON no Canal de Retorno .............................................. 32Figura 14: Cabealho do Frame GEM ........................................................................... 36Figura 15: Modelo OSI e Camadas do Modelo de IEEE 802.3 ..................................... 40Figura 16: Transmisso de Downstream em EPON ...................................................... 42Figura 17: Transmisso de Upstream em EPON ........................................................... 44Figura 18: Protocolo MPCP: Alocao de Banda .......................................................... 48Figura 19: Alocao do timeslot de Forma Seqencial .................................................. 49Figura 20: Alocao do timeslot de Forma Canalizada ................................................. 50Figura 21: Colises Possveis Devido a Atrasos na Mensagem GATE ......................... 50Figura 22: Tempo de Chegada GATE e Tempo de Inicio do timeslot (startTime)........ 51Figura 23: Mtodo de Alocao de Banda Usando MPCP ............................................ 52Figura 24: Mtodo de Auto-Descobrimento Usando MPCP ......................................... 54Figura 25: Modo Downstream de P2PE ........................................................................ 55Figura 26: Modo Upstream de P2PE ............................................................................. 56Figura 27: Emulao do Meio Compartilhado no Canal de Distribuio ...................... 57Figura 28: Emulao do Meio Compartilhado no Canal de Retorno ............................. 58Figura 29: Soluo Final para a Emulao da Topologia Lgica .................................. 59Figura 30: Formato do Frame Prembulo ...................................................................... 60Figura 31: Enlace Ponto a Ponto Gigabit Ethernet ........................................................ 64Figura 32: Comando PING ............................................................................................ 66Figura 33: Prova com CHAT ......................................................................................... 68Lista de Figuras xiiFigura 34: Prova Compartilhando Desktop ................................................................... 70Figura 35: Prova Enviando Arquivo .............................................................................. 71Figura 36: Estrutura da Rede GPON .............................................................................. 76Figura 37: Estrutura da Rede EPON .............................................................................. 77Figura 38: Quantidade de ONTs necessrias segundo a largura de banda por usurio.89Figura 39: Quantidade de OLTs necessrias segundo a largura de banda por usurio. . 89Figura 40: Custo Total das Redes GPON e EPON ........................................................ 90Figura 41: Sensibilidade do Custo da ONT na GPON com Relao a EPON ............... 91Figura 42: Custo da OLT na GPON para Igualar o Custo com a Rede EPON .............. 92Figura 43: Janela Principal do Ethereal ....................................................................... 100 Lista de Tabelas xiii Lista de Tabelas Tabela 1: Demanda de Largura de Banda pelo Uso dos Novos Servios .......................... 2Tabela 2: Famlia de Tecnologias DSL .............................................................................. 5Tabela 3: Padro GPON ................................................................................................... 11Tabela 4: Trabalho Desenvolvido pelo Grupo EFM ........................................................ 12Tabela 5: Caractersticas Redes APON, GPON e EPON ................................................. 13Tabela 6: ProbabilidadedeumaRajadacomErrosGravesemFunodo Comprimento do Delimitador G.984.2 ......................................................................... 34Tabela 7: Alocaes Sugeridas de Tempo do cabealho .................................................. 35Tabela 8: Valores do Cabealho para o Canal de Upstream ............................................ 85Tabela 9: Valores do Cabealho para o Canal de Downstream ....................................... 85Tabela 10: Eficincia Absoluta na EPON ...................................................................... 86Tabela 11: Dimensionamento das Redes GPON e EPON .............................................. 88 Glossrio xv Glossrio AES: Padro de Criptografia Avanado (Advanced Encryption Standard); APD: Fotodiodo avalanche (PhotoDiode Avalanche); APON: Redes pticas Passivas ATM (ATM Passive Optical Networks); ATM: Modo de Transferncia Assncrono - (Asynchronous Transfer Mode); CATV: TV a Cabo - (Cable TV); CO: Central do Fornecedor de Servios - (Central Office); CSMA/CD:AcessoMltiploporVigilnciadaPortadoracomDetecodeColises- (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection); DBA:AlgoritmodeAlocaodeBandaDinmico-(DynamicBandwidthAllocation Algorithm); DSL: Linha Digital do Assinante - (Digital Subscriber Line); DWDM:MultiplexaoDensaporComprimentodeOnda(DenseWavelengthDivision Multiplexing);EFM: Ethernet na Primeira Milha (Ethernet in the First Mile); EPON: Redes pticas Passivas Ethernet (Ethernet Passive Optical Networks); FDM: Modulao por Diviso de Freqncia (Frequency Division Modulation); FEC: Correo de Erros Caminhante (Forward Error Correction); FP-LD: Laser Fabry-Perot (Fabry Perot Laser Diode); Glossrio xviFSAN: Rede de Acesso a Mltiplos Servios (Full Service Access Network); FTTB: Fibra at o Prdio (Fiber to the Building);FTTC: Fibra at a Calada (Fiber to the Curb); FTTCab: Fibra at o Gabinete (Fiber to the Cabinet); FTTH: Fibra at o Lar (Fiber to the Home); FTTP: Fibra at o Usurio (Fiber to the Premises); GbE: Gigabit Ethernet; GEM: Mtodo de Encapsulamento GPON (GPON Encapsulation Method); GFP: Procedimento do Frame Genrico (Generic Framing Procedure); GMII: Interface do Meio Gigabit Independente (Gigabit Media Independent Interface); GPON: Redes pticas Passivas Gigabit (Gigabit Passive Optical Networks); HDTV: Televiso de Alta Definio (High Definition Television); HFC: Redes Hbridas de Fibra e cabo Coaxial; IEEE:InstitutodeEngenheirosEletricistaseEletrnicos(InstituteofElectricaland Electronics Engineers); ISO: Organizao de Padronizao Internacional (International Standard Organization); IP: Protocolo Internet (Internet Protocol);ITU:OrganizaoInternacionaldasTelecomunicaes(International Telecommunication Union);LAN: Rede de rea Local (Local Area Network); LLC: Controle de Enlace Lgico (Logical Link Control); LLID: Identificao de Enlace Lgico (Logical Link Identification); LMDS:SistemadeDistribuioLocalMultiponto(LocalMultipointDistribution System); MAC: Controle de Acesso ao Meio (Medium Access Control); Glossrio xviiMAN: Rede de rea Metropolitana (Metropolitan Area Network); MDI: Interface do Meio Dependente (Medium Dependent Interface); MMDS:SistemaMulticanaldeDistribuiodeMicroondas(MultichannelMultipoint Distribution Service); MPCP: Protocolo de Controle Multi-Ponto (Multi-point Control Protocol); NE: Elemento de Rede (Network Element); NRZ: No H Retorno para Zero (Non Return to Zero); OAM:Operao,AdministraoeManuteno(OperationAdministrationand Maintenance); OAN: Rede ptica de Acesso (Optical Access Network); ODN: Rede de Distribuio ptica (Optical Distribution Network); OLT: Terminal de Linha ptica (Optical Line Terminal); OMCI:InstrumentaoparaaAdministraodoCliente(OpenManageClient Instrumentation); ONT: Terminal de Rede ptico (Optical Network Terminal); ONU: Unidade de Rede ptica (Optical Network Unit); OSI: Sistema Aberto de Interconexo (Open System Interconnection); PCB: Bloco de Controle Fsico (Physical Control Block); PCS: Subcamada Fsica de Codificao (Physical Coding Sublayer); PLOAM:OperaesdaCamadaFsica,AdministraoeManuteno(PhysicalLayer Operations, Administration and Maintenance); PMA: Subcamada do Meio Fsico Adjunto (Physical Medium Attachment); PMD: Subcamada Dependente do Meio Fsico (Physical Medium Dependent); PON: Redes pticas Passivas (Passive Optical Networks); POTS: Servio de Telefonia Bsico (Plain Old Telephone Service); Glossrio xviiiQoS: Qualidade de Servio - (Quality of Service); RDSI: Rede Digital de Servios Integrados; RF: Rdio Freqncia; RS: Subcamada de Reconciliao (Reconciliation Sublayer); RTT: Tempo de Ida e Volta (Round Trip Time); SDH: Hierarquia Digital Sncrona - (Synchronous Digital Hierarchy); SLA: Contratos de Nvel de Servio - (Service Level Agreements); SMF: Fibra Monomodo Padro (Single Mode Fiber); SNI: Interface de Servio de N (Service Node Interface); SONET: Rede ptica Sncrona - (Synchronous Optical Network); TC: Subcamada de Convergncia de Transmisso (Transmission Convergence); TCP: Protocolo de Controle de Transmisso -(Transmission Control Protocol); TDM: Modulao por Diviso de Tempo (Time Division Modulation); UDP: Protocolo de Datagramas de Usurio -(User Datagram Protocol); UNI: Interface de Rede de Usurio -(User Network Interface); VoD: Vdeo por Demanda -(Video on Demand); VPN: Redes Privadas Virtuais -(Virtual Private Networks); WAN: Rede de rea Ampla -(Wide Area Network); WDM:MultiplexaoporDivisodeComprimentodeOnda-(WavelengthDivision Multiplexing); Captulo 1: Introduo Geral 11. Introduo Geral Durante a dcada dos anos noventa presenciamos um desenvolvimento tecnolgico significativonareadasRedespticas.Avanostecnolgicoscomo:Roteamentode caminhoptico(wavelengthcross-connect),Multiplexaodensaporcomprimentode onda(DWDM:densewavelengthdivisionmultiplexing),Amplificaopticae Chaveamento de Alta Velocidade, encontraram seu caminho e desenvolvimento nas Redes dereaAmpla(WAN:WideAreaNetwork)provocandoumincrementosubstancialna capacidade e fiabilidade do backbone das redes de telecomunicaes.Aomesmotempoglobalizou-seousodaarquiteturaFast-Ethernet:Ethernet Rpida,(100Mbps)nomundoparaasRedesdereaLocal(LAN:LocalAreaNetwork), ainda que algumas empresas incrementaram a capacidade das suas redes locais at taxas de 1000Mbps, graas ao novo padro Gigabit Ethernet adotado pelo Instituto de Engenheiros EletricistaseEletrnicos(IEEE:InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)em Junho de 1998 e chamado IEEE 802.3z. Atualmente a demanda de largura de banda cada vez maior nos usurios das redes, devido ao surgimento de novos servios oferecidos tais como televiso digital, telefonia IP, videoconferncia entre outros [1.1]. Hoje em dia na maioria dos lares existem redes locais devidoaoaumentodecomputadoresnosdomiclios,permitindoquevriasmquinas possamcompartilharamesmaimpressoraouamesmaconexoaInternet[1.2]. Usualmenteessaspequenasredessoconstrudasusandoumswitchoumhubdebaixo custo,aparelhosqueconsegueminterconectardesdequatroatdezesseisdispositivosde rede. Tambm essas redes podem-se construir usando a arquitetura do padro IEEE 802.11 Captulo 1: Introduo Geral 2LANsemfio(wirelessLAN)fornecendo taxas de transmisso desde 11Mbps at 54Mbps. Redes com ou sem fio, so essencialmente pequenas LAN que fornecem interconexo a alta velocidade para vrios pontos na rede [1.3]. Estesavanosnobackbone,nasempresasenasredesinternasdosusurios,unido ao formidvel crescimento do trfego da Internet, acentuaram o problema presente hoje nas redes de acesso; a Capacidade, formando um ponto de gargalo na ltima milha da rede (a rede de acesso), devido a que as tecnologias usadas atualmente (xDSL, HFC, entre outras) nosuportamosnovosserviosqueaconvergnciadasredesoferecemcomoVdeosob Demanda(VoD:VideoonDemand),telefoniasobreIP,videoconfernciaeTelevisode AltaDefinio(HDTV:HighDefinitionTelevision).Serviosquesomenteafibraptica sustenta,convertendo-seasfibrasnomelhorcanaldetransmissonaatualidadedesdeo ponto de vista da capacidade de informao.DemandadeLarguradeBanda(Mbps)Vdeo sob Demanda (VoD)15 Redes Privadas Virtuais (VPN)2 Videoconferncia1 Navegao na Internet1,5 Jogos Online1 Duas conversaes telefnicas IP0,128Televiso de alta definio (HDTV) 19,2 Tabela 1: Demanda de Largura de Banda pelo Uso dos Novos Servios ATabela1:mostraademandaatualdalarguradebandanasredesde telecomunicaes. Atualmente a fibra ptica o nico meio de transmisso que suporta as taxas apresentadas na tabela anterior, deste modo vai jogar um papel essencial convertendo-senasoluotecnolgicaedandopassoaofuturoprximodastelecomunicaes:Redes pticasPassivasPON[1.4](PassiveOpticalNetworks).Emcaptulosposterioresse apresentaram em detalhe aquelas redes PON as quais so o tema central deste trabalho.Captulo 1: Introduo Geral 3Naprximaseoiremostambmmencionarbrevementeastecnologiasdeacesso atuais.1.1Redes de Acesso (ltima Milha) ARededeAcessoenvolveoselementostecnolgicosquesuportamosenlacesde telecomunicaes entre os usurios finais e o ltimo n da rede. Com freqncia denomina-se local loop ou simplesmente a ltima milha. Seus principais componentes so: os meios decomunicao(partranado,cabocoaxial,fibraptica,canalderadiofreqncia)eos elementosquerealizamaadequaodosinalaosmesmos.AFigura1:mostraaredede acesso, desde a casa do usurio at o n assentado na central de comutao do provedor. Figura 1: Rede de Acesso As redes de acesso podem-se classificar em quatro grupos: Redes de acesso via par tranado entras as quais se destacam as tecnologias xDSL:LinhaDigitalparaoAssinante(DigitalSubscriberLine)ea tecnologia RDSI: Rede Digital de Servios Integrados. RedesdeacessosemfiocomoSatlite,MMDS:SistemaMulticanalde Distribuio de Microondas (Multichannel Multipoint Distribution Service), LMDS:SistemadeDistribuioLocalMultiponto(LocalMultipoint Distribution System) e Celular. Redesdeacessoviafibrapticaecabocoaxialchamadasredeshbridas HFC (Hbrida Fibra Coaxial).RedesdeacessoviafibratotalmentepticascomoSONET/SDH,eredes PON: Redes pticas Passivas (Passive Optical Networks). Captulo 1: Introduo Geral 4A Figura 2: mostra a classificao das redes de acesso mencionada anteriormente. Figura 2: Tipos de Redes de Acesso. 1.1.1Redes de Acesso Via Par Tranado Doisacontecimentosimportantesimpulsionaramstradicionaiscompanhias operadorastelefnicasapesquisarumatecnologiaquepermitisseoacessoaoserviode bandalargasobreseustradicionaisparestranadosdecobre:Asnovasaplicaes multimdia e o acesso rpido a contedos da Internet. Duranteanosestudou-sesobaslimitaesdasredestelefnicaseemparticularse alcanariam superar os 14,4Kbps e depois os 28,8Kbps utilizando pares tranados de cobre atchegartaxade56,6Kbps.DepoisvimoscomoosnovosmodemsxDSLse aproximaram a velocidades de 10Mbps.AtecnologiaxDSL[1.5],surgepelanecessidadedeaumentaracapacidadede transmisso do par de cobre. xDSL faz referncia a todas as tecnologias da famlia DSL as quais utilizam tcnicas de modulao modernas ajudadas pelos avanos no processamento digitaldesinaisparaconseguirtransmitiraaltasvelocidadessobreolocalloop.Na0 mostra-se um resumo comparativoentre algumas das tecnologias xDSL. Captulo 1: Introduo Geral 5TipodeDSL Simtrico/AssimtricoDistanciaMximadoenlace(m)TaxaRecepo(Download)TaxaTransmisso(Upload)IDSL (RDSI Bsico)Simtrico5400192 Kbps192 Kbps ADSL (ANSI T1.413-1998 Issue 2) Assimtrico20008 Mbps1 Mbps ADSL 2 (ITU G.992.3/4)Assimtrico250012 Mbps1 Mbps ADSL 2+ (ITU G.992.5)Assimtrico250024 Mbps1 Mbps ADSL G.lite (ITU G.992.2) Assimtrico54004.0 Mbps0.5 Mbps SDSL: Symmetric Digital Subscriber Line Simtrico3000400 Kbps 800 Kbps 1200 Kbps 2048 Kbps 400 Kbps 800 Kbps 1200 Kbps 2048 Kbps HDSL: High bit rate Digital Subscriber Line (Dois pares) (ITU G.991.1) Simtrico36001.544 Mbps1.544 Mbps SHDSL: Single-pair High-speed Digital Subscriber Line (ITU G.991.2) Simtrico(Um par) 18002.3 Mbps2.3 Mbps Simtrico (Dois pares) 18004.6 Mbps4.6 Mbps VDSL: Very high bit-rate Digital Subscriber Line (ITU G.993.2) Assimtrico30052 Mbps12 Mbps Simtrico30026 Mbps26 Mbps Assimtrico100026 Mbps3 Mbps Simtrico100013 Mbps13 Mbps Tabela 2: Famlia de Tecnologias DSL Captulo 1: Introduo Geral 61.1.2Redes de Acesso Via Fibra ptica e Cabo Coaxial Uma rede de acesso Hbrida Fibra Coaxial est constituda, de forma geral, por trs partes principais:1.Elementosderede:dispositivosespecficosparacadaservioqueo operadorconectanospontosdeorigemdeservioenospontosde acesso ao servio. 2.Infra-estruturaHFC:incluiafibrapticaeocabocoaxial,os transmissorespticos,osnspticos,osamplificadoresde radiofreqncia e os elementos passivos. 3.Terminal de usurio: set top box, modems e unidades para integrar o servio telefnico. Commaiorlarguradebanda,osoperadoresdispemdemaiorespectropara oferecerserviosquegerembenefcio.EntreasvantagensdestetipoderedesHFCse incluem:Apossibilidadedeoferecerumaamplagamadeserviostantoanalgicos como digitais e suporte de servios comutados e de difuso.Capacidade de adaptao dinmica s mudanas da demanda e do mercado, devida,emgrandeparte,grandeflexibilidadedequeestodotadaseste tipo de redes. 1.1.3Redes de Acesso Via Fibra ptica Atransmissoviafibrapticaoferecevirtualmentelarguradebandailimitada,e amplamente considerada como a soluo fundamental para fornecer acesso de banda larga ltima milha, onde se encontra principalmente o ponto de gargalo provocado pelo envio de serviosdealtavelocidade,aindaquenovastecnologiascomoasxDSL,conseguiram aumentar a largura de banda disponvel na infra-estrutura de cobre existente. No obstante, precisa-seumanovainfra-estruturaderedeparasuportarasnovasaplicaesquevo surgindoeparaasqueseprevemnofuturo.Estainfra-estruturadeverpermitir primeiramente mais largura de banda, rpido fornecimento de servios, e garantias de QoS Captulo 1: Introduo Geral 7(qualidadedeservio)aumcustoefetivoedemaneiraeficiente.Astopologiasque estendem a fibra ptica atravs da arquitetura de acesso de ltima milha so: FTTH: Fibra atacasa(FiberToTheHome),FTTB:Fibraatoprdio(FiberToTheBuilding), FTTCab: Fibra at o gabinete (Fiber To The Cabinet), e FTTC: Fibra at a calada (Fiber ToTheCURB).Todasessastopologiasoferecemummecanismoquehabilitasuficiente larguradebandaparaoenviodenovosservioseaplicaes.AtecnologiaAPONpode incluir-se em todas estas arquiteturas [1.6]. OcomponenteprincipaldeumaPONodispositivodivisorptico(splitter)que, dependendodadireodaluz,divideoraioentrantedistribuindo-loparamltiplasfibras, oucombinando-losnadireoopostadentrodeumanicafibra.QuandoaPONseinclui numaarquiteturaFTTH/B,afibravaidesdeaCO(centraldofornecedordeserviosde telecomunicaes) at um divisor ptico localizado dentro da casa do assinante ou empresa. Na arquitetura FTTCab, a fibra vai desde a CO at o divisor ptico que se localiza em um gabinetenavizinhanaatendidatipicamenteaumadistnciaaproximadade300mdo usurio.NaFTTCsechegacomfibraatumgabinetemaisprximoaousurio,situado aproximadamentea20mdeste.AsredesAPON(verseo1.1.3.1)podemsercomunsa todasestasarquiteturas.Noentanto,snasconfiguraesFTTH/Bseeliminamtodosos componenteseletrnicosativosdaplantaexterior,peloquenestasPONaredemais eficiente, ao eliminar todos os processos de processamento de sinal e codificao. Captulo 1: Introduo Geral 8 Figura 3: Redes pticas de Acesso OpontoinicialdoenlacesechamaterminaldelinhapticoOLT:OpticalLine TerminalnaCO(CentralOffice).AOLTonprincipaldaredeeopontode comunicaocomosoutrosserviosdaredeoferecidospeloprovedor(redeSDH,rede ATM, rede IP, Metro Ethernet, etc.). Unicamente pode existir uma OLT por PON.O outro pontochama-seterminalderedepticoONT:OpticalNetworkTerminalnoladodo cliente. O objetivo principal de este dispositivo realizar a interface entre a rede ptica e os aparelhosdocliente.AONTtemportasEthernetparaserviosdedados,portasE1ou POTS(Serviodetelefoniabsico)paraserviosdevozeportasRFanalgicaspara servios de vdeo.1.1.3.1Redes APON (ITU-T G.983) UmaredeAPON(ATMPassiveOpticalNetwork)estconstituda fundamentalmentepelaOLT,ONT,afibraquesuportaoscomponentespticoseum sistema de gesto de rede. A OLT reside tipicamente no escritrio central, enquanto a ONT selocalizanasinstalaesdousurio.Aplantaexterna(fibraecomponentespticos) totalmentepassiva.UmanicafibraconectaumaportaOLTcommltiplasONTs, utilizandofiltrospticos.UmanicaAPONpodeequipar-seatcom64ONTs,aindaque Captulo 1: Introduo Geral 9tipicamenteamargemsejaentre32e48ONTs.AOLTpodeestarat20Kmdedistncia dasONTs,permitindocobrirumaextensareageogrfica.UmaOLTpodesuportar mltiples APON, o que, combinado com a capacidade de filtragem das APON, significa que uma OLT pode suportar um grande nmero de usurios. AstcnicasWDMqueutilizamtrscomprimentosdeondadiferentespermitem transmitir dados em sentido bidirecional e permitem tambm distribuio de vdeo na fibra. Nadireodebaixada(download),osdadossedistribuema1490nm,utilizandoo protocoloTDM:MultiplexaoporDivisonoTempo(TimeDivisionMultiplexing);na direodesubida(upload),utilizam-se1310nmemconjunocomoprotocoloTDMA: Acesso Mltiplo por Diviso de Tempo (Time Division Multiple Access) a fim de suportar omeiodeconexocompartilhadomultipontoaponto.Oterceirocomprimentodeonda; 1550nmtransportaadistribuiodevdeodesdeaOLTatasONTs,constituindoum mtodo eficiente em custo para entregar um grande nmero de canais de vdeo analgicos e/ou digitais aos usurios. Para o transporte de comandos, controle e informao de estado se utilizam clulas ATM especiais em ambas direciones. De acordo com o padro G.983, a APONpodeoperaraduasvelocidades:155Mbpssimtricoe622Mbpsdescendentes (Download)/155Mbps ascendentes (Upload) assimtrico. A largura de banda pode atribuir-se individualmente s ONT. Todas as ONT de uma APON recebem a difuso completa do canal de distribuio da OLT. Cada ONT supervisiona o fluxo de dados extraindo somente as clulas destinadas paraele,baseando-senovalordocampoVPI/VCIdaclulaATM,queidentificaacada ONTdemaneiraunvoca.AntesdatransmissodesdeaOLT,osdadossecriptografam, mediante um processo chamado variao, para a segurana na APON. Durante a variao cadaONTtransmiteumasenhacriptografadaataOLTparaserusadanoprocessode variaoeassegurarqueos dadosdestinados para essa ONT no estejam disponveis para as demais. No canal de retorno, cada ONT s transmite dados OLT depois de receber uma mensagemporpartedesta,cedendo-lheumnmerodeciclosdetempo(timeslots)na APON.JquecadaONTpodeestaraumadistnciasignificativadasdemais,edaOLT, utiliza-se um procedimento chamado "ranging" para determinar a distncia entre cada ONT e a OLT, a fim de ajustar a atribuio dos ciclos e maximizar assim a eficincia da APON. Captulo 1: Introduo Geral 101.1.3.2Redes GPON (ITU-T G.984) Soredestotalmentepassivas,semrepetidoresdentrodaredeesemfontesde energiaintermdias,unicamenteusam-sesplitters(divisores),acopladoreseatenuadores. Todaainformaotransmitidabidirecionalmentesobumanicafibra.Utilizam-sedois comprimentosdeondadiferentes,umaparaainformaodebaixada(downstream) exemplo;1490nmeumaparaainformaodesubida(upstream)(Exemplo;1510nm).A informao no canal de distribuio (downstream) transmitida em modo broadcast, isto que a informao transmitida para todos os elementos da rede. Como a informao chega atodososusuriosnecessrioutilizarumsistemadecriptografiaparamantera privacidadedascomunicaes.Nocanalderetorno(upstream)atransmissorealizada utilizandooprotocolodeacessomltiploTDMA,ondecadaelementodaredetemum perododetempoespecficoparatransmitir,permitindoqueummesmocanalde transmisso,nestecasoomesmocomprimentodeonda,sejacompartilhadoporvrios usurios. AsredesAPONsoineficientesparaotrfegoIP,oqualomaiortrfego atualmente. Para superar estas limitaes, no ano 2001, o grupo FSAN (Full Service Access Network)fezumnovoesforoparaespecificarumaPONoperando com taxas superiores a um Gigabit por segundo. Baseada nas recomendaes do grupo FSAN, em 2003-2004, ITU-T tem aprovado o novo padro Gigabit-PON (GPON) e sua srie de especificaes. EstasespecificaessoconhecidascomorecomendaesITU-Teso:G.984.1,G.984.2,G.984.3,G.984.4,G.984.5,G.984.6.Nocaptuloseguintedescreveremoscom detalhe as redes GPON. Captulo 1: Introduo Geral 11ITUTRecomendao EspecificaesG.984.1 Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Especificaes Gerais Fornece resumo das caractersticas essenciais Taxasdetransmissodesde1.244/0.155at 2.488/2.488 Gbps 20kmMximoalcancefsico,60kmMximo alcance lgico G.984.2 Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Camada PM Fornece as especificaes da camada PMD G.984.3 Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Especificaes da transmisso Fornece as especificaes da camada TC Modo ATM, Modo GEM, ou operao em modo dual Segurana AES G.984.4 Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): ONT Interfase de controle e gerenciamento Fornece gerenciamento da ONT G.984.5 Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON) Melhoramento da banda G.984.6 Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON) Extenso Tabela 3: Padro GPON 1.1.3.3EFM (IEEE 802.3ah) EmJaneirode2001,oIEEEformouumgrupodeestudochamadoEthernetna primeiramilha(EFM:EthernetintheFirstMile).Ogrupodefiniuoobjetivode proporcionarumaumentosignificativonodesempenhodaredeEthernet,minimizando equipamentos, operao e custos de manuteno. Ethernet PON tornou-se uma das reas de foco do grupo EFM [1.7]. EthernetPON(EPON)umaredebaseadaemPONquetransportainformao encapsuladaem framesEthernetseguindoopadroIEEE802.3.EPONusaumpadrode linhadecodificao8B/10B(8bitsdedadoscodificadosemumalinhade10bits)eoperanopadroEthernetaumavelocidadede1.25Gbps. Sempre que possvel EPON utiliza as atuais especificaes 802.3. Incluindo a utilizao do atual 802.3 full-dplex no controle de acesso ao meio (MAC). No captulo 3 descreveremos com detalhe as redes EPON.O grupo EFM desenvolve trabalhos nos seguintes campos: Captulo 1: Introduo Geral 12EFM CaractersticasEFM sobre cobre (EFM Copper)2BASE-TL:taxasdesde2Mbpsat5,69Mbps para uma distncia mxima de 2700m 10PASS-TS: 10Mbps para uma distancia mxima de 750m EFMsobreFibra(Ponto-Ponto,Fibra Monomodo)100BASE-LX10:enlaceEthernetde100Mbps sobre um par de fibras para uma distancia mxima de 10km 100BASE-BX10:enlaceEthernetde100Mbps sobreumnicafibraparaumadistanciamximade 10km 1000BASE-LX10: enlace Ethernet de 1000Mbps sobre um par de fibras para uma distancia mxima de 10km 1000BASE-BX10: enlace Ethernet de 1000Mbps sobreumnicafibraparaumadistanciamximade 10km EFMsobrePON(EPON,Ponto-Multiponto) 1000BASE-PX10: enlace Ethernet de 1250Mbps sobre PON para uma distancia mxima de 10km 1000BASE-PX20: enlace Ethernet de 1250Mbps sobre PON para uma distancia mxima de 20km Tabela 4: Trabalho Desenvolvido pelo Grupo EFM NasredesEPONocanaldedistribuio(downstream)ummeiocompartilhado ponto-multiponto onde a OLT transmite por meio de broadcast a informao para todas as ONU.Ocanalderetorno(upstream)nasredesEPONconformadoporenlacesponto-ponto onde todas as ONU (Optical Network Unit: Unidade de rede ptica) transmitem em diferentes perodos de tempo para a OLT.A OLT faz o controle de assinao dos tempos de transmisso para as ONU. Captulo 1: Introduo Geral 131.1.3.4Resumo das Tecnologias APON, GPON e EPON CaractersticasITUTAPON ITUTGPON IEEEEPONTaxa de bits (Mbps) Distribuio: 622, 155 Retorno: 155 Distribuio: 2488, 1244 Retorno: 2488, 1244, 622, 155 Distribuio: 1250 Retorno: 1250 Data da padronizao 199820032004 Cdigo de Linha NRZNRZ8B/10B Diviso mxima 1:64 1:64 1:32 Alcance mximo 20 Km20 Km 10 Km Protocolo bsico ATMATMEthernet Padres Srie ITU-T G983.xSrie ITU-T G984.xIEEE 802.3ah Tecnologia de acesso TDMATDMATDMA OAM (Operao, Administrao e Manuteno) PLOAM+OMCIPLOAM+OMCIEthernet OAM Segurana donwstream AESAESNo definida Tabela 5: Caractersticas Redes APON, GPON e EPON Atabela5[2.1][2.6][3.2]apresentaumbreveresumodastecnologiasAPON, GPONeEPON;naprimeiralinhatemosastaxasdetransmissoparaocanalde downstream e para o canal de upstream. As nicas tecnologias que forneces taxas acima de 1Gbps so GPON e EPON. Naterceiralinhatemosotipodecodificaodelinhaqueusamastecnologias; APONeGPONusamNRZ(Non-Return-to-Zero),ouseja,avoltagemnovoltaazero entre bits consecutivos de valor um. EPON usa codificao de linha 8B/10B. Temostambmnatabelaoalcancemximodastrstecnologias,almdisso,os padres correspondentes da ITU-T e do IEEE.Napenltimalinhapode-severoserviodeOAM(Operao,Administraoe Gerenciamento)nastecnologias;APONeGPONutilizamPLOAM+OMCI,ouseja, Captulo 1: Introduo Geral 14PLOAM(PhysicalLayerOperations,AdministrationandMaintenance):operaesda camadafsica,administraoemanuteno,maisOMCI(OpenManageClient Instrumentation):instrumentaoecontroleabertoparaocliente.EPONusaoOAM definido para Ethernet. Naltimalinhamostraacriptografiautilizadapelastecnologias.APONeGPON usam AES: Padro de Criptografia Avanado (Advanced Encryption Standard). Para EPON ainda no se encontra definida. 1.2Mercado das Redes GPON e EPON no Mundo AsinstalaesdasredesPONnomundocontinuamcrescendocadadia, majoritariamentenoJapo(NipponTelegraphandTelephoneCorporation:NTT),Coria (KoreaTelecom)enosEstadosUnidos(Verizon)eEuropa.AsinstalaesdasRedes pticasPassivasencontram-sedividasemdoistipos:EhernetPON(EPON)noJapoe Coria, e GPON nos Estados Unidos e Europa.Na Europa e Amrica do Norte, as empresas fornecedoras de redes tipo PON esto instalando-as agressivamente. O modelo de montagem das redes nos Estados Unidos utiliza um dispositivo externo de interface de Rede (NID) geralmente colocado fora do prdio do usurio, no Japo, Coria e Europa a ONU tipicamente instalada no interior do prdio do cliente.NomundoomercadodeBPONvemperdendogradualmente,devidotransio para redes GPON, hoje em dia, a maior parte do mercado divide-se entre EPON e GPON. GPONestganhandomercadonaEuropa,EstadosUnidosenoOrienteMdio.EPON domina na sia e Oceania oferecendo custos mais baixos. Segundo um estudo feito pelo FTTH Council, atualmente 14 pases possuem frao dos lares dispondo de conexo por meio de fibra acima de 1%. Entre esses 14 pases, os trs primeiros encontram-se na sia e so; Coria do Sul, Hong Kong e Japo.Oprimeiropas,CoriadoSul,tem31.4%doslaresconectadosporfibraptica, HongKongcom23.4%,Japocom21.3%eSuciacom7.1%.Osoutros10pasesso Captulo 1: Introduo Geral 15Taiwan, Noruega, Dinamarca, Estados Unidos, Eslovnia, Islndia, China, Holanda, Itlia e Singapura.NaAmricadoNorteempresas como Verizon,SBCeBellSouthplanejam12mil assinantesBPON/GPONparafinaisdopresenteano2008.AT&Tesperater17mil residnciasparaoano2008tambm.NaEuropapasescomoItliacontamcom600mil assinantes de FTTX, Dinamarca com 120 mil assinantes e Sucia com 600 mil assinantes. A regio de sia e Oceania conta com um total de 16,6 milhes de usurios com conexo pormeiodefibraptica.HojeemdiaNTT(NipponTelegraphandTelephone Corporation) supera os 10 mil assinantes de EPON e planeja ter para o ano 2010 mais de 30 mil assinantes [1.8]. NaAmricalatinaestchegandoofenmenodasredesGPON,cidadescomo Bogot,SoPaulo,BuenosAires e Santiago j contam com oservio deste tipo de redes. NaColmbiaaempresaespanholaTelefnicaapresentouumasoluoGPONoferecendo taxasde10Mbps.NaArgentinatambmnopassado18deSetembrode2008chegouao mercado local a empresa MOTOROLA apresentando sua soluo tecnolgica para GPON. NoBrasiltambmestpresenteaempresaPADTECcomaintroduodaplataforma FlexPad 8200 construda com base nas recomendaes ITU-T G.984 (GPON), a plataforma FlexPad8200capazdetransportarserviostriple-play(voz,dadosevdeo)porfibra ptica em taxas de 2,5Gb/s por at 20Km de distncia.1.3Organizao do Trabalho e Motivao Acrescentedemandadenovosserviosdebandalargaaoassinantevem ocasionando um veloz aumento do trfego das diversas redes de comunicaes e tambm o aparecimento de novas tecnologias e melhoras para as redes. Tendo em vista este cenrio, surgiu a proposta de trabalhar com redes PON, devido a que so redes que provavelmente sero o futuro prximo das telecomunicaes. OdetalhamentodotrabalhoversaentosobreasredesEPONeGPONtalcomo estohoje,fazendo-se,portantoumacomparaoentreelas,edestacandoaspectostecno-econmicos. Fizemos tambm uma breve anlise experimental de enlaces Gigabit Ethernet, afimdeaprofundaroconhecimentodosprotocolosenvolvidos;devidoalimitaesde Captulo 1: Introduo Geral 16equipamentonofoipossvelimplementarumapequenaredeticaconformeinicialmente planejado.OtrabalhonofaznfaseemusodatecnologiaWDMparaasredespticas, deixando aberta a possibilidade para futuros estudos. O trabalho encontra-se estruturado da seguinte maneira.O captulo 1; Introduo Geral, trata-se de uma breve contextualizao das redes de acesso atuais, sendo focalizadas principalmente as tecnologias pticas.Nocaptulo2;RedesGPON,seroatingidosconceitosedefiniesbsicasdos elementosmaisimportantesqueconstituemumaredeGPON,assimcomotambmo processo de transporte de informaes nestas redes. Nocaptulo3;RedesEPON,seroatingidosconceitosedefiniesbsicasdos elementosmaisimportantesqueconstituemumaredeEPON,assimcomotambmo processo de transporte de informaes nestas redes. No captulo 4; Comparao entre GPON e EPON, sero apresentadas as definies eimplementaesnaobtenodosresultadosdestetrabalho,almdeumaanlise comparativo custo-benefcio entre as redes GPON e EPON. Efinalmente,nocaptulo5;Conclusoserfeitaumaconclusogeraldetodoo trabalho e tambm sugesto de trabalhos futuros. Os Anexos deste trabalho foram disponibilizados aps a Concluso.1.4Principais Contribuies deste Trabalho Opresentetrabalhocontribuiuparaoesclarecimentodesituaesconcorrentesde GPON e EPON, e apresentou algumas solues originais ao tema. Entre elas destacamos: UmestudoeanliseatualizadaecomparativadosnovospadresGPONe EPON desde o ponto de vista tecno-econmico. Argumentosvlidosparaquenomomentodeplanejarumarede,decidirse desenvolver uma plataforma GPON ou EPON. Captulo 1: Introduo Geral 17Estudosexperimentaisemnossotrabalhoqueabremocaminhoparao investimento de equipamento para futuras pesquisas, aproveitando a conexo com a rede KYATERA que temos no laboratrio. Alm disso, temos artigos originais, acerca dos mtodos, experimentos e resultados obtidos,queseroalvodepublicaes,empreparaoequeserosubmetidosaeventos num futuro prximo.1.5Referncias [1.1]S.C.Grady,ThebookonFTTXFromDesignToDeployment:APracticalGuide To FTTX Infrastructure. ADC Telecommunications INC, 2005. [1.2]A. S. Tanenbaum, Redes de Computadores. Editora Campus, Traduo da 3 ed. [1.3]W.T.Ooi,M.C.Chan,A.Ananda,R.Shorey,Mobile,Wireless,andSensor Networks, Editora John Wiley & Sons, Ltd, 2006[1.4]R. Ramaswami e K. N. Sivarajan, Optical Networks: Practical Perspective, Morgan Kaufmann Publisher, 2002. [1.5]G.T.Hawley,SystemsconsiderationsfortheuseofxDSLtechnologyfordata access, IEEE Communications Letters Magazine, vol. 35, issue 3, Maro 1997.[1.6]C.Lin,BroadbandopticalAccessNetworksandFiber-to-the-Home.EditoraJohn Wiley & Sons, Ltd, 2006. [1.7]G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks. Editora Mac Graw Hill, 2005. [1.8]FTTH Council Home Page: www.ftthcouncil.org Captulo 2: REDES GPON 192. REDES GPON AITU-T(InternationalTelecommunicationsUnionTelecommunicationsector) comeouatrabalharnopadroGPONnoano2002.AprincipalmotivaodeGPONera fornecermaiorlarguradebanda,maioreficinciadetransporteparaserviosIP,euma especificaocompletaeadequadaparaoferecertodotipodeservios.GPONest padronizadanoconjuntoderecomendaesITU-TG.984.x(x=1,2,3,4,5,6).As primeirasrecomendaesapareceramduranteoano2003e2004,tendocontnuas atualizaesnosanosposteriores.Aindaquemuitadafuncionalidadequenoest relacionadacomGPONseconservacomrespeitoassuastecnologiaspassadas, principalmente BPON. GPON baseia-se numa camada de transmisso completamente nova.GPONproporcionaumaestruturadeframeescalvelde622Mbpsat2,5Gbps, assimcomosuportedetaxasdebitassimtricas.Avelocidademaisutilizadapelosatuais fornecedoresdeequipesGPONde2,488Gbpsnosentidodownstreamede1,244Gbps nosentidoupstream.Sobrecertasconfiguraessepodemproporcionarat100Mbpspor cliente [2.1]. A rede de acesso a parte da rede do operador mais prxima ao usurio final, pelo que se caracteriza pela abundncia de protocolos e servios. O mtodo de encapsulamento dainformaoqueutilizaGPONchamado:GEM(GPONEncapsulationMethod)que permitesuportarqualquertipodeservio(Porexemplo:Ethernet,TDM,ATM)emum protocolodetransportesncronobaseadoemframesperidicosde125s.GEMsebaseia nopadroGFP(GenericFramingProcedure)doITU-TG.7041,commodificaes menoresparaastecnologiasPON.GPONdestemodo,nosoferecemaiorlargurade Captulo 2: REDES GPON 20bandadoquesuastecnologiaspassadas,almdisso,maiseficienteepermiteaos operadorescontinuaroferecendoseusserviostradicionais(vozbaseadaemTDM,linhas alugadas)semterquemudarasequipesinstaladasnasdependnciasdeseusclientes.Na seo 2.7 vai se mostrar com mais detalhe o padro GFP. Ademais, GPON implementa capacidades de OAM (Operation Administration and Maintenance)avanadas,oferecendoumapotentegestodoservioextremoaextremo. Entreoutrasfuncionalidadesincorporadascabedestacar:monitoraodataxadeerro, alarmes e eventos, processo de descobrimento e ranging automtico. Nestecaptulo,portanto,abordam-sedefiniesespecficas,parmetrosevariveis relevantes para as redes GPON. 2.1Arquitetura da Rede ptica de AcessoAseopticadaredelocaldeacessopodeserativaoupassivaesuaarquitetura pode ser ponto-multiponto ou ponto-ponto. A Figura 4: mostra as arquiteturas consideradas na recomendao ITU-T G.984.1. Figura 4: Arquitetura da Rede Na figura anterior temos duas interfaces: a interface UNI e a interface SNI. Captulo 2: REDES GPON 21AUNI(UserNetworkInterface)defineainterfacefsicaeasespecificaesdo protocolo para dispositivos que esto conectados nos extremos das redes ATM. Isto inclui sistemasdeusuriosqueestoconectadosaumswitchprivadoATM,ouaconexoentre umswitchprivadoATMeumswitchATMdaredepblica[2.2].ASNI(ServiceNode Interface)ainterfacedarededepticadeacesso(OAN)paraaredebsica,atravsde uma rede de ptica passiva (PON) [2.3]. A recomendao G.984.1 apresenta a seguinte configurao de referncia: Figura 5: Configurao de Referncia para GPON (G.984.1) AFigura5:especifica a configurao para umaredeGPON.OsmdulosdeWDM (WavelengthDivisionMultiplexModule)senovoserusados,nonecessriocoloc-los. O mdulo NE (Network Element) usa os diferentes comprimentos de onda desde a OLT eaONU.OmduloAFsedenominafunodeadaptao(AdaptationFunction);um dispositivoadicionalparamudarainterface doassinanteONT/ONUparaainterfaceUNI requeridapelooperadorouparamudarainterfaceUNIparaainterfacedocliente ONT/ONU. AF tambm se usa para mudar a interface de rede da OLT para a interface SNI requeridapelooperadorouparamudarainterfaceSNIparaainterfacederedeOLT. Algumas vezes o mdulo AF est includo na ONU.Sumpontonafibraquese encontra depois do ponto de conexo ptico da OLT nosentidodebaixada(downstream)edaONUnosentidodesubida(upstream).Por Captulo 2: REDES GPON 22exemplo,umconectorpticoouumsplitterptico.Rumpontonafibraqueestjusto antes do ponto de conexo ptico da ONU no sentido de baixada (downstream) e da OLT no sentido de subida (upstream) Por exemplo, um conector ptico ou um splitter ptico.AinterfacenospontosderefernciaR/SeS/RsedefinecomoIFPON,istouma interface especifica das redes PON que suporta todos os elementos do protocolo necessrios para permitir a transmisso entre a OLT e as ONU. GPONseconheceporsuahabilidadedesuportarmltiplosenovosserviosque estoaparecendoparaosclientesresidnciaseparaaspequenasempresas,devidoalta capacidade da rede.2.2Conceitos Gerais sobre GPON BasicamenteGPONapontaasvelocidadesdetransmissomaioresouiguaisa1,2 Gbps.NocasodeFTTHouFTTCqueusamxDSLassimtrico,aquelaelevadataxade upstreamnonecessria.GPONconsidera7combinaesdevelocidadesesoas seguintes: 155 Mbps (Upstream), 1,2 Gbps (Downstream). 622 Mbps (Upstream), 1,2 Gbps (Downstream). 1,2 Gbps (Upstream), 1,2 Gbps (Downstream). 155 Mbps (Upstream), 2,4 Gbps (Downstream). 622 Mbps (Upstream), 2,4 Gbps (Downstream). 1,2 Gbps (Upstream), 2,4 Gbps (Downstream). 2,4 Gbps (Upstream), 2,4 Gbps (Downstream). O padro GPON G.984 define o alcance lgico e o alcance fsico. O alcance lgico daredeamximadistnciaentreaONU/ONTeaOLTdesprezandoaslimitaesda camada fsica. Na GPON o alcance lgico mximo de 60Km. O alcance fsico a mxima distncia fsica entre a ONU/ONT e a OLT. GPON tem definido duas opes definidas para o alcance fsico: 10Km e 20Km. Estabelece-se que 10Km a mxima distncia onde pode serusadoumFP-LD(FabryPerot-LaserDiode)naONUparaaltastaxasdetransmisso como 1,25 Gbps. Captulo 2: REDES GPON 23A rede GPON pode ser demultiplexada at para 64 usurios, o que se converte em umaspectomuitoatrativoparaosoperadores.Paraofuturoprximoseesperachegarat 128 usurios usando a mesma OLT.Desde o ponto de vista da administrao da rede de acesso, a proteo na GPON consideradacomoumamelhoranafiabilidadedarede.Noentanto,aproteodeveser consideradacomoummecanismoopcionalporquesuaimplementaodependedo planejamentoeconmicodosistema.ArecomendaoG.984.1apresentavriasformas possveis para uma configurao dplex. Existem dois tipos de proteo os quais so: Chaveamento forado. Chaveamento automtico. Ochaveamentoforadoativadoporeventosdaadministraodarede,como substituio da fibra, re-encaminhamento da fibra, entre outras. O chaveamento automtico acionadopordetecodefalhas;comoperdadosinal,perdadoframe,degradaodo sinal,entreoutros.AmbostiposdeproteosopossveisnaredeGPON,aindaqueso funes opcionais. O mecanismo de chaveamento realizado geralmente pela funo OAM (Operation,AdministrationandMaintenance),portanto,ocampodeinformaoOAM necessrio, deve ser reservado no frame OAM.A Figura 6:mostra o modelo dplex para a rede de acesso. A parte mais importante daproteonaGPONdeverseraseoentreainterfaceODN(OpticalDistribution Network) na OLT e a interface ODN na ONU via a ODN, excluindo a redundncia SNI na OLT. Figura 6: Modelo Dplex G.984.1 Captulo 2: REDES GPON 242.2.1Possveis Configuraes Dplex para GPON Podem existir diferentes tipos de configuraes para GPON, onda cada uma poderia terumprotocolodecontroledistinto.ArecomendaoG.984.1apresentaosseguintes4 exemplos. Na Figura 7:temos a primeira configurao, onde somente se duplica a fibra. Nesse caso o sinal perdido ou os frames perdidos so inevitveis no perodo de chaveamento. Figura 7: Sistema GPON Dplex: Sistema Dplex de Fibra NaFigura8:duplica-seaOLTeafibrapticaentreasOLTeosplitterptico.O splitter tem duas portas de entrada/sada do lado da OLT. Nesse caso o sinal perdido ou os frames perdidos so inevitveis no perodo de chaveamento. Captulo 2: REDES GPON 25 Figura 8: Sistema GPON Dplex: Sistema Dplex de OLT NaFigura9:duplica-seaOLTeaONU.Usandoessaconfigurao,arecuperao por falhas possvel em qualquer ponto. No entanto, os custos da rede so elevados. Figura 9: Sistema GPON Dplex: Sistema Full Dplex Captulo 2: REDES GPON 26SeasONUjseencontraminstaladasnosprdiosdosusurios,ocaboinstalado pode ser ou no duplexed. Adicionalmente se cada ONU pertence a um diferente usurio, a fiabilidade vai depender de cada cliente e somente um nmero limitado de ONU poderiam terumaconfiguraodplex.Baseadonoanterior,aconfiguraoquemostraaFigura 10:permite um duplexing parcial do lado da ONU. Figura 10: Sistema GPON Dplex: Sistema Parcial Dplex DevidonaturezamulticastdePON,GPONprecisadeummecanismode segurana que adapte os seguintes requisitos: Evitar que outros usurios decodifiquem os dados facilmente na direo de downstream; Evitar que outros usurios aparecessem como outra ONU / ONT. Permitir uma implementao custo-efetiva razovel. Captulo 2: REDES GPON 272.3Especificaes da Subcamada PMD (Physical Medium Dependent) ArecomendaoITU-TG.984.2foiaprovadaodia16demarode2003ese focalizanosserviosdesuportederedecomrequisitosdelarguradebanda,taiscomo serviosdevozatserviosdedadoscomtaxasdevelocidadesdeGigabitsporsegundo. Tambmsepropemosrequisitoseespecificaesdacamadafsicaparaasubcamada PMD de uma rede ptica passiva com capacidade de Gigabits. A subcamada PMD se encarrega do acesso aomeio fsico (da transmisso dos bits de uma forma correta entre os ns da rede). A PMD dependente do modo de transmisso que se utilize.2.3.1Requisitos da Subcamada PMD para GPON As taxas de transmisso padronizadas na GPON so valores mltiplos de 8KHz. No item2.2estoespecificadasasvelocidades.ArecomendaoITU-TG.984.2usafibras ITU-TG.652;tambmconhecidacomopadroSMF[2.4].Estafibratemumasimples estruturadendicedegraueotimizadaparaoperarnabandade1.310nm,possuium comprimentodeondadedispersozeroem1.310nmepodeoperartambmnabandade 1.550nm,tambmpossuiumatpicadispersocromticaem1.550nmaltaem 17ps/nm*Km. O parmetro de atenuao para a fibra G.652 tipicamente de 0,2dB/Km em 1.550nm, e o parmetro PMD menor que 0,1ps/Km. As fibras G.652 (Fibra de Disperso No Deslocada com Baixo Pico dgua) no so otimizadas para aplicaes WDM devido altaatenuaoaoredordaregiodopicodegua.AconvencionalSMFtemum comprimentodeondacomzerode disperso que fica prximo banda de 1.310nm. SMF mostra altos valores de disperso sobre a faixa entre 1.500nm e 1.600nm (terceira janela de banda). A transmisso bidirecional realizada usando tecnologia WDM em uma nica fibra ou transmisso unidirecional usando duas fibras. No sentido descendente (downstream) a taxa de velocidade desde a OLT at a ONU de 1244,16 ou 2488,32Mbps. O intervalo de comprimentos de ondas utilizado na direo Captulo 2: REDES GPON 28descendente nos sistemas de uma nica fibra vai desde 1480nm at 1500nm. Para sistemas de duas fibras vai desde 1260nm at 1360nm.No sentido ascendente (upstream) a taxa de velocidade desde a ONU at a OLT de 155, 622, 1244 ou 2488Mbps. Quando se encontra em um dos estados do funcionamento e autorizada,aONUtransmiteosinalcomumaprecisoigualadosinaldescendente recebida. No sentido ascendente o intervalo de comprimentos de ondas utilizado vai desde 1260nm at 1360nm [2.5].Tantonosentidoascendentecomodescendente,seusacodificaoNRZ(Non ReturntoZero).Oconvenioutilizadoparaonvellgicooseguinte:umaltonvelde emisso de luz para transmitir um 1 binrio e um baixo nvel de emisso luz para transmitir um 0 binrio. 2.3.2Interao entre a Subcamada PMD da GPON e a Subcamada TC AsubcamadaTC(TransmissionConvergence)temcomofunoaextraode informaocontidadesdeacamadafsica.IstoincluiageraoearevisodoHEC (HeaderErrorControl)extraindoclulasdesdeofluxodebitsprimeiramenteeo processamentodeclulas"idles",tambmoreconhecimentodolimitedela.Outrafuno importantetrocarinformaodeoperaoegerenciamento(OAM)comoplanejamento administrativo [2.6]. Algumas das funes da GPON pertencem as duas subcamadas; PMD e TC ou tem repercusso nas duas. Alguns sistemas usam FEC (Forward Error Correction) para a correo de erros na recepo, em GPON define-se G como o ganho ptico efetivo queadiferenaentreapotnciapticanaentradadoreceptorusandoounoFEC,para uma BER (Bit Error Rate) de 1x10-10. Os sistemas que utilizam FEC com um ganho ptico efetivo G(dB), podem usar as seguintes duas variantes de desempenho: A potncia mnima e a mxima do transmissor podem ser reduzidas ao valor de G; A sensibilidade mnima do receptor pode diminuir at o valor de G; Alternativamente,tendoomesmodesempenhodostransmissoresedosreceptores, pode-se utilizar o ganho G de codificao ptica efetiva para lograr um alcance fsico maior Captulo 2: REDES GPON 29ouumarelaodedivisomaisalta(splitratio)usando-seumLASERMLM(Multiple LongitudinalModeLaser)naONU.Nessecasousa-seFECparareduzirapenalizao devida ao rudo de partio de modo (MPN, mode partition noise). A FEC se implementa na subcamada TC, o ganho da FEC no desvia a especificao de sobrecarga no receptor. OsrequisitosdoreceptornaOLTimplicamousodeimplementaesbaseadasno fotodiodo avalanche (APD; Avalanche PhotoDiode) a taxas de 1244,16 Mbps e superiores. Osreceptoresdevemterumaboasensibilidadeeumaamplamargemdinmicaparaa receponomodoburstataxasdebitsaltas.Paraflexibilizaressamargemdinmicano receptordaOLT,precisa-sereduzironveldepotnciadetransmissodasONUcom baixasperdasnaODN(OpticalDistributionNetwork),comoobjetivodeevitar sobrecarregaroreceptornaOLT.Devidoaisto,aGPONimplementaummecanismo apropriado de potncia.EstemecanismorequerfuncionalidadesquepertencemsubcamadaTC,comoa capacidadedaONUparaaumentaroudiminuirapotnciatransmitidapormeiode mensagens que envia a OLT no sentido descendente (downstream). ParaapotnciadesadanaONUexistemtrsmodos.APMDpode-se controlar localmente para que funcione em qualquer modo. Os modos so os seguintes: MODO 0: Normal (Potncia mnima: -7dBm, Potncia mxima: -2dBm) MODO 1: Baixo 1 = Normal -3dB MODO 2: Baixo 2 = Normal -6dB A OLT mede a potncia ptica mdia P, de cada burst proveniente da ONU. A OLT compara essa medio com um ou dois umbrais (TL; umbral baixo e TH;umbralalto)eemiteumadasseguintesindicaes(Ointervalode incerteza na comparao de umbrais deve ser no mximo de 4 dB):P>TH: indicao de potncia alta P