WDM E REDES TOTALMENTE ÓPTICAS - PDF
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Daniel Barreiro Bento
1 1 - Introdução. As tecnologias para fibras ópticas estão cada vez mais desenvolvidas e certamente as redes terão backbones ópticos. Devido à capacidade do WDM de transportar diversas tecnologias e possibilitar o maior transporte de tráfego sobre a fibra, o WDM torna-se uma peça importante na integração das redes. Com a crescente demanda para transmissão de dados baseados em serviços como , vídeo de alta resolução, multimídia e voz sobre tecnologias como IP Internet Protocol, ATM Modo de Transferência Assíncrono, SONET/SDH, sobre a camada óptica, o DWDM é discutido como um componente crucial de redes ópticas. Apesar de atualmente as transmissões de dados utilizarem os meios de transportes sobre circuitos de voz, o que se verifica como tendência é que a voz seja transportada sobre redes de dados. Uma quantia enorme de capacidade de banda passante é exigida para prover os serviços requeridos pelos consumidores. Se milhares de pessoas simultaneamente decidem ver vídeos em Web Sites e novas aplicações de vídeo como Vídeo on demand, uma taxa de Terabits em transmissão de rede é requerida. Com uma taxa de transmissão de Tbps, é possível transmitir 20 milhões de telefonemas simultâneos ou transmitir em um segundo um texto contendo jornais diários de 300 anos. Ninguém poderia ter previsto um crescimento de rede necessário a tal demanda A necessidade da implementação de sistemas que permitissem muitas comunicações simultâneas começou a ser imperiosa já nas primeiras décadas do século XX. Por volta de 1926 foram criados os sistemas telefônicos com onda portadora, para transmissão de dois ou quatro canais de voz. Os equipamentos sofreram rápida evolução, levando a uma enorme ampliação na quantidade de contatos telefônicos. O aumento na demanda dos serviços de telecomunicações trouxe um congestionamento e uma saturação dos sistemas empregando as faixas tradicionais, incluindo as freqüências de microondas. Isto motivou o emprego de valores cada vez mais elevados, onde as portadoras fossem capazes de transportar um número bem maior de canais, através dos sistemas de multiplexação das mensagens. Nos últimos anos intensificaram-se as aplicações na faixa de ondas milimétricas, acima de 30GHz. Tornou-se, então, quase natural que as pesquisas se concentrassem na idéia de se empregarem freqüências de luz, ainda que não fossem na faixa visível. Foi através daí, da evolução da ciência através da óptica que novas descobertas e tecnologias foram sendo implementadas. Criaram-se os métodos de modulação da luz e aperfeiçoaram-se as fibras ópticas para confinar a propagação de luz em uma região que apresentasse pequena degradação do sinal transmitido. As fibras ópticas despertaram grande interesse para a modernização das comunicações por suplantarem os sistemas tradicionais nesses dois pontos e apresentarem outras vantagens. Pode-se começar garantindo que, na situação atual, a fibra óptica apresenta uma perda de potência de por quilômetro muito menor do que os sistemas com cabos coaxiais, guias de ondas ou transmissão pelo espaço livre. Isto significa uma quantidade menor de repetidores para cobertura total do enlace. Nas transmissões por fibras ópticas as portadoras possuem freqüências na faixa de infravermelho, valores da ordem de centenas de Terahertz, fato que permite prever o emprego de elevadíssimas taxas de transmissão, de até milhares de megabits/segundo. Esta propriedade implica em significativo aumento na quantidade de canais de voz sendo transmitidos simultaneamente. Uma das limitações no número de canais fica por conta da interface eletrônica, necessária para imprimir a modulação e a retirada da informação no ponto de chegada do sinal. A capacidade do sistema óptico pode ser aumentada, ainda mais, utilizandose a técnica de multiplexagem em comprimento de onda (WDM). Por esse processo, diferentes comprimentos de onda são transmitidos pela mesma fibra óptica, cada um transportando muitos canais de voz como sinal de modulação. Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 1
2 O aumento da capacidade de transmissão dos sistemas ópticos pode ser obtido alternativamente por duas técnicas básicas: - uma seria aumentando-se a taxa de transmissão pela multiplexação dos sinais (voz, dados, imagem) no domínio do tempo com taxas cada vez maiores (2,5Gbits, 10Gbits, 40Gbits, etc), através da técnica de Multiplexação por Divisão no Tempo (TDM Time Division Multiplexing). O uso dessa técnica encontra duas limitações práticas: uma de ordem econômica sendo muito elevado o custo das partes eletrônica e eletroóptica (transmissores, receptores, regeneradores) para operação com taxas de transmissão acima de 2,5Gbits. A outra limitação é de ordem técnica, relacionada à degradação do sinal devido à dispersão e a efeitos não lineares. Essa limitação se torna crítica com o aumento das taxas de transmissão. A indústria de telecomunicações adotou o SONET (padrão americano) ou o padrão SDH (padrão internacional europeu) para essa tecnologia que é atualmente utilizada como padrão de transmissão sobre a fibra óptica. Esta veio revolucionar o conceito da transmissão digital pela facilidade de efetuar o Add-Drop dos circuitos, sem precisar multiplexar e demultiplexar em todos os níveis da hierarquia PDH a cada ponto de extração e inserção de circuitos e proteção de vias, como por exemplo a utilização de rede em anel, ou a criação de alternativas para as rotas. Outra técnica seria, multiplexando-se os sinais do domínio da freqüência. É designada por Wavelength Division Multiplexing. Tipicamente, os sistemas WDM atuais operam com diversos sinais TDM de 2,5Gbits sendo cada um deles multiplexados por portadoras espaçadas tipicamente por 2nm. Esta última alternativa, que característica de estudo deste trabalho, só foi realmente considerada em termos práticos após o advento dos Amplificadores Ópticos (AFDE s), pois antes da disponibilização dos mesmos a necessidade de implementar um regenerador eletrônico para cada subsistema tornava essa técnica pouco atraente em termos de custo. A disponibilização de AFDE s com características de ganho uniforme na faixa de operação mudou radicalmente essa situação explicando a rápida implementação desses sistemas. Uma grande vantagem dessa técnica é que embora a taxa total de transmissão seja de N x 2,5Gbits (sendo N o número total de fontes de laser utilizadas na multiplexação), a limitação imposta pela fibra devido à dispersão é calculada com base na taxa de 2,5Gbits. Assim, a premissa básica das redes de comunicações ópticas são que, como cada vez mais usuários começam a usar nossas redes de dados, e como os padrões de uso evoluem para incluir faixas de cada vez mais aplicações que utilizem muita largura de banda como, aplicações multimídia, vídeo conferência, telemedicina, etc, existe uma necessidade aguda por largura de banda de transporte de rede. Outro fato importante a ser discutido é que além da tecnologia TDM, outra solução que poderiam imaginar seria a implantação de mais fibras ópticas. Mas esse fator na seria limitante se o custo de implantação nos dutos, diretamente enterrados nas rodovias e ferrovias, o direito de passagem, a mão de obra não fossem tão dispendioso, além de que novas fibras não permitiriam o provimento de novos serviços ou utilizar a capacidade de administração de largura de banda de uma camada óptica única. Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 2
3 A tecnologia DWDM veio resolver todos estes problemas acima citados, pois é capaz de aumentar a capacidade da fibra óptica já embutida, diminuir a implementação de eletrônica no sistema que tornava cada vez mais dispendioso e limitante como vimos anteriormente. Somadas as evoluções e os desenvolvimentos da tecnologia VoIP com a demanda cada vez maior para os transportes de dados, muitos acreditam que o protocolo IP diretamente sobre o DWDM será o futuro das telecomunicações no mundo. A capacidade de transmissão de dados pode ser incrementada de diversas maneiras, entre elas temos: q q q Instalação de fibra nova: esta prática não é viável devido às limitações de produção e custo muito altos. Através do método TDM (Time Division Multiplexing): multiplexação dos sinais (voz, dados, imagem) no domínio do tempo com taxas cada vez maiores (2,5 Gbps, 10 Gbps). A multiplexação se faz com o envio sincronizado de partes dos dados. O tempo é dividido em pequenos intervalos nos quais cada fonte transmite pedaços de seus dados por vez. O uso dessa técnica encontra duas limitações práticas: uma de ordem econômica sendo muito elevado o custo das partes eletrônicas e eletroópticas (transmissores, receptores, regeneradores) para operação com taxas de transmissão acima de 2,5 Gbps e outra de ordem técnica relacionada à degradação do sinal devido à dispersão e a efeito não lineares. q Através do método WDM (Wavelenght Division Multiplexing): os Sinais que transportam a informação, em diferentes comprimentos de onda, são combinados em um multiplexador óptico e transportados através de um único par de fibras, com o objetivo de aumentar a capacidade de transmissão e, conseqüentemente, usar a largura de banda da fibra óptica de uma maneira mais adequada. Os sistemas que utilizam esta tecnologia, em conjunto com amplificadores ópticos, podem aumentar significativamente a capacidade de transmissão de uma rota sem a necessidade de se aumentar o número de fibras. Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 3
4 Através do método DWDM: a nova tecnologia DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing) nada mais é do que a tecnologia WDM diferenciando-se apenas no fato de que o número de comprimentos de onda transmitidos é bem maior pois o espaçamento entre eles é menor. Chegou-se a uma capacidade de 128 comprimentos de onda por fibra e ainda não se conhece o limite dessa tecnologia. Somadas as evoluções e os desenvolvimentos da tecnologia VoIP com a demanda cada vez maior para os transportes de dados, muitos acreditam que o protocolo IP diretamente sobre DWDM será o futuro das telecomunicações no mundo. 2 - Tecnologia de Transporte de Dados A seguir serão apresentadas algumas das tecnologias de transporte de dados mais utilizadas nas redes metropolitanas. A figura abaixo representa diferentes formas de transmissão e tipos de encapsulamento dentro dos quais a informação digital, no caso os pacotes de dados JP, pode ser transmitida através da camada óptica. PDH. Existem 3 padrões de hierarquias, chamada hierarquia PDH (Hierarquia Digital Plesiócrona), Americano, japonês e europeu. No Brasil é adotado o padrão europeu. A hierarquia européia mostra quatro níveis ou ordens de formação. O canal mais baixo é o de 64kBps na qual o equipamento de 1ª ordem suporta até 30 canais de 64kBps na sua entrada e na saída gera um sinal de 2048kBps ou 2MBps, chamado E1. O equipamento de 2ª ordem tem 4 entradas de 2MBps e gera na saída um sinal de 8MBps e assim sucessivamente até a 4ª ordem, podendo ter ainda uma 5ª ordem com saída de 565MBps (não padronizada pelo ITU-T). A interface óptica não é disponibilizada nos equipamentos mux TDM-PDH, havendo a necessidade de utilização de um equipamento de conversão eletro-óptico (ELO Equipamento de Linha Óptica). Os sinais de linha óptica não são padronizados dificultando uma utilização em ambientes multifornecedor. Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 4
5 SONET (SYNCHRONOUS OPTICAL NETWORK) / SDH (SYNCHRONOUS DIGITAL HIERARCHY) o SONET (padrão norte-americano) e o SDH (padrão europeu internacional) são os padrões de multiplexação TDM usados em transmissão de dados. O SDH permite que seintegrem vários serviços de comunicações utilizando a mesma rede. Ao contrário do padrão anterior, chamado PDH (plesiochronous Division Hierarchy), pode-se acrescentar ou retirar informações do sinal multiplexado com relativa facilidade, o que garante versatilidade ao sistema SDH Devido a essa característica, o SDH é chamado de padrão ADM (Add and Drop Multiplexer). Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 5
6 Os sistemas síncronos podem ser encarados como o último estágio na hierarquia dos sistemas de transmissão, pois possibilitam a inserção e extração de enlaces sem que seja necessária uma demultiplexação. Por exemplo, numa rede onde haja perfeito sincronismo entre todos os enlaces, é possível saber exatamente a que enlace pertence determinado bit, assim como saber quando começa e quando termina um enlace. Embora os fabricantes estivessem tentando produzir soluções próprias, desde o começo fizeram grande esforço conjunto para padronizar ao máximo os sistemas de transmissão síncronos. A oportunidade de definir padrões foi usada para resolver problemas como incluir espaço, dentro de cada hierarquia, para que o sistema fosse capaz de gerenciar a qualidade de transmissão e medir o tráfego. No SDH é definida uma estrutura básica de transporte de informação denominada STM-I (Synchronous Transport Module-I), com taxa de 155,5 Mbit/s. Esta estrutura define o primeiro nível de hierarquia. As taxas de bit dos níveis superiores são múltiplos inteiros do STM-l. Atualmente são padronizados quatro módulos de transporte conforme tabela abaixo: STM-N Taxa (Mbps) STM-I STM STM STM STM1 pode ser formado por 63 X 2Mbps, ou 3 X 34Mbps, ou 1 X 140Mbps, ou combinações de 2Mbps e 34Mbps. Além disso pode servir como transporte para outras tecnologias como, ATM, TCP/IP e Ethernet. Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 6
7 ATM - ASYNCIIRONOUS TRANSFER MODE É a tecnologia baseada na transmissão de pequenas unidades de informação denominadas células (pacotes de comprimento fixo), que são transmitidas em circuitos virtuais, onde a rota é estabelecida no momento da conexão. Este modo de transferência de informações independe do meio de transporte na camada física e é classificado como orientado à conexão. o A TM é baseado no conceito de comutação por células e na multiplexação por divisão de tempo assíncrona (ATDM), onde não há alocação fixa de intervalos de tempo ao canal (conexão). A ocupação do canal é feita sob demanda de acordo com o tráfego de cada conexão, sendo cada canal identificado através do rótulo no cabeçalho. Umas das vantagens da tecnologia ATM, é que ela não utiliza a alocação e nem a monopolização de canais. Os mesmos comutadores podem ser utilizados para chaveamento de todos os serviços de forma transparente. As redes ATM podem ser projetadas de forma a aproveitar melhor os meios de comunicação na presença de tráfego em rajadas e ao mesmo tempo, garantir o retardo máximo para serviços que suportam fontes de tráfego contínuo. A característica das células de ATM possuírem tamanho fixo e reduzido traz vantagens como diminuir o grau de complexidade dos comutadores da rede, diminuir tempo de empacotamento e proporcionar um menor atraso de transferência. A principal desvantagem que as células ATM proporcionam é o grande overhead, isto é, a quantidade de bytes destinados ao cabeçalho dentro das células é muito grande, cerca de 9,4% da informação transmitida é cabeçalho, o que diminui a capacidade efetiva de transmissão na rede. GIGABIT ETHERNET A crescente importância das redes locais e o aumento da complexidade das aplicações em estações de trabalho têm aumentado a necessidade por redes de altavelocidade. Diversas tecnologias de redes de alta-velocidade foram propostas, entre elas a FastEthemet, ou 100Base-T, projetada para oferecer uma evolução tranqüila à j á conhecida tecnologia Ethemet (100Base-T). Com a tendência de conexões 100Base- T às estações de trabalho, a necessidade de conexões ainda mais velozes com os servidores e mesmo com o backbone toma-se obrigatória. Entra em Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 7
8 cena então o GigabitEthemet, que será ideal para interconectar switches 10/100Base-T e servidores de alto desempenho e será o caminho natural para, futuramente, conectar estações de trabalho que necessitem de uma maior largura de banda do que o 100Base- T pode oferecer. O GigabitEthemet, por seu apelo de poder oferecer a solução para o congestionamento de backbones, por atender às demandas cada vez maiores das aplicações e por ser uma tecnologia familiar e compatível com o padrão Ethernet está atraindo, cada vez mais, a atenção da indústria e dos profissionais da área de redes. O GigabitEthernet tem como principais vantagens à popularidade da tecnologia Ethernet e o seu menor custo se comparado às tecnologias SONET e A 1M. Basicamente, ele oferece um aumento de 10 vezes em relação ao desempenho da tecnologia mais utilizada atualmente para conexão entre computadores e servidores: o Fast Ethernet. Trata-se de uma tecnologia conhecida, protegendo o investimento feito em treinamento de profissionais e em equipamentos. IP O protocolo IP (Internet Protocol) conclui uma unidade de transferência de dados, chamada datagrama ou pacote. Na internet o conjunto de protocolos TCP/IP formam a base para toda a troca de informações. Cada "HOST" conectado à Internet possui um endereço distinto chamado endereço IP que é constituído de 32 bits. Dessa forma, em todo pacote de dados estão incluídos os endereços IP de origem e destino, sendo utilizados pelos equipamentos da rede para encontrar o melhor caminho para a entrega do pacote. É um conjunto de protocolos que permite todas as facilidades para os usuários, tais como: correio eletrônico (SMfP), transferência de arquivo (FTP), visualização de páginas web, etc. Visto isso, a questão reside no fato de como será encapsulado o pacote IP para a transmissão na rede óptica: IP sobre A1M sobre SONET, IP sobre SONET (chamado POSPacket Over Sonet), ou IP sobre Gigabit Ethernet. WDM. Através do WDM é possível utilizar vários comprimentos de onda para transmissão de informação, o que significa multiplicar a capacidade das fibras instaladas pelo número de comprimentos de onda utilizados. As principais vantagens do WDM são: q q q Rapidez de instalação; Escalabilidade e flexibilidade na hora da expansão; Otimização do uso da fibra. Sua principal desvantagem é: q O alto custo dos equipamentos. A característica de escalabilidade do WDM é de grande importância devido à rápida evolução da Internet. q q q No projeto de uma rede WDM deve-se levar em consideração: O tipo de fibra usado. A forma de gerenciamento. E a melhor topologia a ser empregada. Visto todos esses benefícios, podemos dizer que a implementação de uma rede baseada em WDM é um bom negócio que certamente tem lugar assegurado no futuro fornecendo a banda necessária para o tráfego de grandes quantidades de dados. Os sistemas WDM possuem algumas características que devem ser exploradas de acordo com a necessidade e situação: Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 8
9 Flexibilidade de capacidade: migrações de 622 Mbps para 2,5 Gbps e a seguir para 10 Gbps poderão ser feitas sem a necessidade de se trocar os amplificadores e multiplexadores WDM. Transparência aos sinais transmitidos: podem transmitir uma grande variedade de sinais. Por não haver envolvimento de processos elétricos, diferentes taxas de transmissão e sinais poderão ser multiplexados e transmitidos para o outro lado do sistema sem que seja necessária uma conversão ópticoelétrica. A mesma fibra pode transportar sinais PDH, SDH e ATM de maneira transparente. Permite crescimento gradual de capacidade: um sistema WDM pode ser planejado para 16 canais, mas iniciar sua operação com um número menor de canais. A introdução de mais canais pode ser feita simplesmente adicionando novos equipamentos terminais. Reuso dos equipamentos terminais e da fibra: permite o crescimento da capacidade mantendo os mesmos equipamentos terminais e a mesma fibra. Através do método WDM (Wavelenght Division Multiplexing): os sinais que transportam a informação, em diferentes comprimentos de onda, são combinados em um multiplexador óptico e transportados através de um único par de fibras, com o objetivo de aumentar a capacidade de transmissão e, conseqüentemente, usar a largura de banda da fibra óptica de uma maneira mais adequada. Os sistemas que utilizam esta tecnologia, em conjunto com amplificadores ópticos, podem aumentar significativamente a capacidade de transmissão de uma rota sem a necessidade de se aumentar o número de fibras. Através do método DWDM: a nova tecnologia DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing) nada mais é do que a tecnologia WDM diferenciando-se apenas no fato de que o número de comprimentos de onda transmitidos é bem maior, pois o espaçamento entre eles é menor. Chegou-se a uma capacidade de 128 comprimentos de onda por fibra e ainda não se conhece o limite dessa tecnologia. Somadas as evoluções e os desenvolvimentos da tecnologia VoIP com a demanda cada vez maior para os transportes de dados, muitos acreditam que o protocolo IP diretamente sobre DWDM será o futuro das telecomunicações no mundo. Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 9
10 Histórico: A sociedade atual está vivendo umas das maiores revoluções já presenciadas pela humanidade. Uma revolução baseada na informação. O bem mais valioso, tanto de um indivíduo como de corporações empresariais, consiste no poder de gerar, absorver e transmitir informações. O transporte eficiente de informações tornouse um elemento chave neste novo contexto. O avanço desta sociedade será construído com considerável suporte de sistemas de comunicação de alta capacidade, dos quais se destacam os sistemas de comunicações ópticas, sistemas de comunicações móveis, CATV digital (Community Antenna Television) e redes locais sem fio. O aumento da utilização dos sistemas de comunicação pode ser verificado por meio do aumento considerável na demanda por largura de banda. A recente explosão da popularidade da internet e a desregulamentação dos setores públicos de telefonia em muitos países foram responsáveis por este aumento de demanda por largura de banda. Adicionalmente, houve um aumento no volume de tráfego em função do oferecimento de serviços multimídia de banda larga. Este crescimento rápido e global por demanda de largura de banda está acelerando o desenvolvimento e a implementação de redes de comunicações ópticas. As redes de comunicações ópticas são baseadas na recente e promissora tecnologia das fibras ópticas, a qual se tornou comercial no final da década de 1970 quando passou a ser empregada na industria de telecomunicações, em redes de dados e em CATV. As fibras ópticas caracterizam-se por fornecer elevadíssima largura de banda, baixas perdas de transmissão, imunidade à interferência eletromagnética e segurança no transporte de informações. Desde o início das aplicações comerciais dos sistemas de comunicações ópticas os centros de pesquisa do mundo inteiro vem buscando exaurir a largura de banda teórica de 50 THz das fibras monomodo. Esta largura de banda está localizada na faixa de comprimentos de onda de 1,3 a 1,6 µm. A maneira mais eficiente de se beneficiar desta largura de banda consiste na utilização de vários comprimentos de onda dentro de uma mesma fibra, o que é comumente denominado multiplexação por divisão de comprimento de onda, WDM (Wavelength Division Multiplexing). Os primeiros sistemas de comunicações ópticas utilizavam a fibra apenas em aplicações de transmissão ponto-a-ponto. Porém, o amadurecimento desta tecnologia tem fomentado o desenvolvimento de redes de comunicações totalmente ópticas. Neste tipo de rede o roteamento e processamento de sinal ocorrem no domínio óptico. Desta forma, evita-se a dispendiosa conversão eletro-óptica do sinal. A seguir será apresentado um rápido histórico da evolução dos sistemas de comunicações ópticos. O aumento do interesse em comunicações em freqüências ópticas teve início em 1960 com o advento do laser. Esta descoberta tornou disponível uma fonte óptica coerente. Como as freqüências ópticas são da ordem de Hz, o laser possui uma capacidade potencial de informação que excede os sistemas de microondas por aproximadamente um fator de 10 5, o que equivale a aproximadamente 10 milhões de canais de televisão. Com este potencial de largura de banda de transmissão ocorreu um grande número de experimentos utilizando canais ópticos via ar, atmosfera e espaço no começo da década de Estes experimentos mostraram a possibilidade da modulação de uma portadora óptica coerente em alta Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 10
11 freqüência. Entretanto, o alto custo da instalação e a necessidade de desenvolvimento de novos componentes inviabilizaram este tipo de sistema. Havia ainda os problemas técnicos ocasionados pelas condições atmosféricas como neve, neblina e chuva que limitavam o canal óptico. Apesar disso, houve o desenvolvimento de sistemas empregando canais ópticos não guiados em sistemas de curta distância (menos de 1 km), sistemas de longa distância e enlaces entre satélites. Paralelamente, estavam em curso investigações sobre um meio de transporte mais eficiente para as informações, ou seja, as fibras ópticas. Inicialmente, o alto nível de perdas tornava a tecnologia das fibras ópticas inviável. As melhores fibras apresentavam perdas maiores que 1000 db/km. Em 1966, Kao e Hockman, quase simultaneamente com Werts, concluíram que estas altas perdas nas fibras eram resultado das impurezas contidas no material empregado na sua fabricação. Utilizando este princípio, em 1970 foi fabricado por Kapron, Keck e Maurer da Corning Glass Works uma fibra óptica de sílica que possuía atenuação de 20 db/km. Com este valor de atenuação o espaçamento dos repetidores entre os enlaces ópticos tornou-se comparável com o espaçamento utilizado pelos sistemas baseados em cabos de cobre. Este desenvolvimento tornou as comunicações ópticas baseadas em fibras uma tecnologia que realmente poderia ser empregada comercialmente. Após este desenvolvimento, pesquisadores trabalharam intensivamente para a redução da atenuação nas fibras ópticas. Atualmente, a atenuação foi reduzida para valores próximos de 0,16 db/km para o comprimento de onda de 1550 nm. Neste comprimento de onda o valor mínimo teórico de atenuação é 0,14 db/km. As primeiras aplicações dos sistemas de transmissão em fibra foram às ligações entre centrais telefônicas. Estas ligações consistiam em canais de voz multiplexados a uma taxa de 64 kbps utilizando a técnica da multiplexação no domínio do tempo, TDM (Time Division Multiplexed). A técnica TDM é limitada principalmente pela velocidade dos circuitos eletrônicos, o último estágio de avanço dos multiplexadores TDM tornou possível a multiplexação do sinal digital numa taxa de 40 Gbps. Com a evolução destes sistemas ponto-a-ponto surgiu a necessidade da criação de padrões para que houvesse a compatibilidade e interoperabilidade entre sistemas distintos. Para satisfazer esta demanda foi desenvolvido no final da década de 1980 os padrões de hierarquia digital síncrona, SONET/SDH (Synchronous Optical Network/ Synchronous Digital Hierarchy). Estes padrões definiam a taxa de transmissão, esquemas de codificação, hierarquia de taxa de bits, operabilidade e funcionalidade da transmissão para um canal óptico na configuração ponto-a-ponto. Redes em anel operando neste padrão apresentaram bom desempenho não somente devido a suas propriedades de transmissão óptica, mas também pelas suas características de funcionalidade. Porém, os sistemas de transmissão baseados em um único comprimento de onda já não satisfaziam a demanda por largura de banda devido à grande quantidade de informação transmitida. A resposta para a demanda crescente por largura de banda seria o desenvolvimento da tecnologia WDM, uma vez que esta tecnologia permite a expansão da capacidade dos sistemas ópticos sem a necessidade de instalar novas fibras. A tecnologia WDM foi concebida em meados da década de 1980 com a utilização inicial de somente dois comprimentos de onda. Estes dois comprimentos de onda consistiam nas janelas de 1310 nm e 1550 nm. Porém, a grande consolidação e estímulo aos sistemas WDM ocorreram no início da década de 1990 com o desenvolvimento de amplificadores ópticos que utilizam fibra óptica dopada com érbio, EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). O desenvolvimento dos amplificadores DA e a evolução dos dispositivos ópticos passivos deram origem no início da década de 1990 à primeira geração de sistemas WDM comerciais. Estes sistemas comportavam de 2 a 4 canais ópticos com espaçamento de 3 a 5 nm. No final da década de 1990, o desenvolvimento de dispositivos cada vez mais seletivos em comprimento de onda diminuiu a separação entre os canais ópticos. Isto implicou no surgimento de sistemas comerciais WDM que comportam 8, 16 e 40 canais. Convencionou-se que sistemas WDM com número de canais superior a 16 receberiam a denominação de Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 11
12 sistemas WDM denso DWDM. O estado da arte dos sistemas DWDM atuais são sistemas compostos por 40 canais operando nos comprimentos de onda da banda C ( nm) com comprimento de onda central de 1550 nm. Neste sistema, os canais estão igualmente separados em 100 GHz. Esta faixa de comprimentos de onda caracterizase por concentrar a faixa de ganho dos amplificadores ópticos EDFA e a faixa de comprimentos de onda de menor atenuação da sílica. Os amplificadores EDFA típicos funcionam eficientemente numa faixa restrita de comprimentos de onda, chamada de banda C. Os comprimentos de onda mais longos estão localizados na região onde os amplificadores EDFA apresentam ganho mais plano. Para se ter uma idéia do volume dos investimentos realizados em estruturas para o transporte de dados, vale lembrar que os backbones de internet estão crescendo a uma taxa de % ao ano e as redes de telefonia crescem a uma taxa de 5-10 % ao ano. Crescimento - Trafego Dados e Voz A evolução da óptica fez com que novas descobertas e tecnologias fossem sendo implementadas. Criaram-se os métodos de modulação da luz e aperfeiçoaram-se as fibras ópticas para confinar a propagação de luz em uma região que apresentasse pequena degradação do sinal transmitido. As fibras ópticas despertaram grande interesse para a modernização das comunicações por suplantarem os sistemas tradicionais e apresentarem outras vantagens. Dentre essas vantagens podemos citar o fato de os cabos de fibra óptica possuírem uma capacidade de transmissão muito maior do que a dos cabos de cobre, além do fato de não serem tão susceptíveis a interferências. A perda de potência do sinal por quilômetro é muito menor do que os sistemas com cabos coaxiais, guias de onda ou transmissão pelo espaço livre, que significa uma quantidade menor de repetidores para cobertura total do enlace. Nas transmissões por fibras ópticas as portadoras possuem freqüências na faixa de infravermelho, valores da ordem de centenas de Terahertz, fato que permite prever o emprego de elevadíssimas taxas de transmissão, de até milhares de megabits/segundo. Esta propriedade implica em significativo aumento na quantidade de canais de voz sendo transmitidos simultaneamente. Uma das limitações no número de canais fica por conta da interface eletrônica, necessária para imprimir a modulação e a retirada da informação no ponto de chegada do sinal. A capacidade do sistema óptico pode ser aumentada, ainda mais, utilizandose a técnica da multiplexação por comprimento de onda. Multiplexar significa combinar sinais vindos de múltiplas fontes e transmiti-los através de um único meio. O WDM é um novo sistema que multiplexa múltiplos comprimentos de onda (ou cores de luz) que serão transmitidos através de uma única fibra óptica. O sistema de multiplexação funciona como um prisma. É um sistema que utiliza um canal comum para transmitir outros pequenos canais de comunicação de uma ponta a outra. Cada Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 12
13 comprimento de onda é um canal separado, que multiplica a capacidade de transmissão da fibra. Comprimento de Onda. O Comprimento de onda (λ) é sempre importante nas redes ópticas, especialmente quando discutimos transmissores e receptores ópticos. Hoje muitos comprimentos de ondas e faixas de comprimento de onda são usados em diferentes propósitos. A figura mostra uma perspectiva no uso do comprimento de onda nas redes ópticas, juntamente com a evolução histórica de seu uso. Na década de 1970 a primeira janela utilizada foi à faixa de nm, que eram utilizadas nos primeiros sistemas ópticos. Na década de 80 passou a se utilizar a segunda janela de 1310nm e na década de 90 iniciou-se a utilização da terceira janela, de 1510 e 1600nm. Estas mudanças foram devido aos menores valores de atenuação em cada comprimento de onda. Estas janelas são utilizadas em todos modernos sistemas WDM e DWDM. Comprimentos de Ondas Importantes Entretanto, a abertura da terceira janela não foi fácil. As fontes de luz são bastante caras nessa faixa e há mais fatores que a simples atenuação. Mas era necessário habilitar as fibras trabalharem bem na janela dos anos 90. Os Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 13
14 trabalhos se concentraram na degradação causada principalmente pelos efeitos devido a dispersão. Definição: Rede WDM é o conjunto de equipamentos e meios físicos que têm a capacidade de otimizar o uso de redes de fibra óptica. Este sistema tem o objetivo de fornecer uma infra-estrutura de meios ópticos que permite a inserção de mais de um sistema de telecomunicações, seja ele para redes de dados e/ou voz, em uma única fibra óptica. Atualmente a Rede WDM é utilizada em muitas empresas que prestam serviços de Telecomunicações, públicos e privados, em todo o mundo. A rede WDM utiliza a tecnologia de Multiplexação Óptica para compartilhar a mesma fibra com diversos sinais ópticos de diferentes comprimentos de onda, que são usualmente denominados de canais com cores distintas. A taxa de transmissão de cada canal pode variar de 2 Mbit/s (E1) até 10 Gbit/s (STM-64), dependendo da aplicação, sendo que a sua maior utilização ocorre nos sistema que necessitam taxas de transmissão acima 155 Mbits/s (maior que STM-1). Sua elevada flexibilidade para transportar diferentes tipos de hierarquias digitais permite oferecer interfaces compatíveis com as diversas aplicações existentes, entre elas as redes de transmissão PDH e SDH, as redes Multisserviços ATM, IP e Frame Relay, e aplicações específicas para redes de dados e de computadores de grande porte (Fast Ethernet, Gbit Ethernet, interfaces ESCON, FICON e Fiber-Channel, entre outras). A tecnologia das redes WDM permite ainda implementar mecanismos ópticos de proteção nos equipamentos ou diretamente nas redes da camada de aplicação, oferecendo serviços com alta disponibilidade e efetiva segurança no transporte de informações. Os primeiros equipamentos WDM desenvolvidos eram totalmente passivos, permitindo a comunicação 2 sistemas através de uma única fibra, sendo que um sistema utilizava a 2ª janela de propagação, de comprimento de onda igual a 1310 nm, e o outro sistema utilizava a 3ª janela de propagação, de comprimento de onda 1550 nm. Dependendo da localidade onde o equipamento fosse instalado, ele funcionava como um misturador óptico, para inserir os sinais originados pelos 2 sistemas, ou como um divisor óptico, para separar os sinais a serem enviados para os 2 sistemas. WDM - 2 Sistemas Tais equipamentos evoluíram, deixando de ser passivos, e as redes WDM passaram a utilizar misturadores mais complexos, transponders e filtros que permitiram colocar um número maior de comprimentos de onda por fibra, utilizando Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 14
15 uma mesma janela de propagação. Com o desenvolvimento dos amplificadores ópticos, essas redes passaram a cobrir distâncias cada vez maiores. Para garantia da integridade do tráfego foram incorporados mecanismos de proteção automática nas redes WDM. Além disso, o desenvolvimento dos sistemas ópticos permitiu incorporar a funcionalidade de inserção ou extração de um determinado comprimento de onda em um ponto intermediário de um enlace. Com o desenvolvimento dos sistemas de gerenciamento, tornou-se possível a monitoração à distância dos parâmetros mais importantes para a operação dos equipamentos da rede WDM, e também a configuração remota de rotas e trocas de comprimento de onda em um determinado ponto do enlace. Todo esse avanço tecnológico fez com que os projetos se tornassem cada vez mais complexos, e os requisitos de rede levaram ao desenvolvimento de fibras ópticas com características cada vez melhores. Rede WDM Uma rede WDM é composta por: Rede Física: é o meio de transmissão que interliga os equipamentos WDM, composto pelos cabos de fibra óptica. Equipamentos: são os multiplexadores, transponders, amplificadores e equipamentos de cross conexão de diversas capacidades que executam o transporte de informações. Sistema de Gerência: é o sistema responsável pelo gerenciamento da rede WDM, contendo as funcionalidades de supervisão e controle da rede, e de configuração de equipamentos e provisionamento de facilidades. A figura a seguir apresenta um exemplo de rede WDM. Vantagens e Restrições As redes WDM oferecem vários benefícios, quando comparada com outras tecnologias: Permite utilizar equipamentos de aplicação para redes de transporte e multiserviços sobre a mesma infra-estrutura de meio físico óptico; Permite o tráfego de qualquer tecnologia, independente do fabricante, através do uso de transponders; Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 15
16 Permite a economia de equipamentos de aplicação ao longo das rotas, mediante a instalação destes apenas nos pontos de troca de tráfego; Permite a economia e até mesmo a otimização do uso de fibras ópticas em locais com alta densidade de redes e acessos. Entretanto, a tecnologia WDM apresenta ainda as seguintes desvantagens: O projeto, instalação e operação da rede WDM é complexo e deve ser feito com um planejamento criterioso e detalhado; Não existe padronização de equipamentos e da tecnologia WDM, que impede que sejam usados equipamentos de fabricantes distintos um mesmo enlace da rede. Características. As Redes WDM possuem algumas características importantes que devem ser levadas em consideração quando da elaboração de seus projetos. Abaixo são descritas as mais importantes. Fibra Óptica Uma fibra óptica é composta basicamente de material dielétrico (em geral, sílica ou plástico), segundo uma longa estrutura cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas comparáveis às de um fio de cabelo. A estrutura cilíndrica da fibra óptica é formada por uma região central, chamada de núcleo, envolta por uma camada, também de material dielétrico, chamada casca, como mostrado na figura abaixo. A composição da fibra óptica oferece condições à propagação de energia luminosa através do seu núcleo, ela propaga luz por reflexões sucessivas. As fibras ópticas possuem algumas vantagens em relação a alguns dos meios físicos tradicionais, como o cabo coaxial e o par trançado. Por exemplo: Baixas perdas de transmissão: diminui o número de repetidores. Alta capacidade de transmissão: aumenta a quantidade de informação transportada. Imunidade a interferências e isolação elétrica: os dados não são corrompidos durante a transmissão. Segurança do sinal: a fibra não irradia de forma significativa a luz propagada, dando um alto grau de segurança a informação transportada. A fibra óptica moderna apresenta largura de faixa muito grande (multigigahertz x quilômetros) com baixa atenuação e pequena dispersão dos pulsos emitidos. Por estas propriedades os sistemas à fibra são os que apresentam o menor custo por quilômetro por canal instalado. q q q q O uso da fibra óptica também possui algumas desvantagens como: Fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamento. Dificuldade de conexões das fibras ópticas. Acopladores tipo T com perdas muito grandes. Falta de padronização dos componentes ópticos. O espectro óptico inclui freqüências entre, correspondendo ao extremo inferior da faixa infravermelho e o limite superior da faixa ultravioleta. Os interesses para comunicações ópticas são as freqüências no infravermelho na faixa de, aproximadamente. Usualmente, para comunicações ópticas, em lugar das freqüências ópticas expressam-se os correspondentes comprimentos de onda, o valor calculado de Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 16
17 comprimento de onda está entre 0,8 µm e 1,6 µm, aproximadamente no meio da faixa conhecida como infravermelho próximo. A capacidade de transmissão (banda passante) de uma fibra óptica é função do seu comprimento, da sua geometria e do seu perfil de índices de refração (n). Existem duas classes principais de fibras: monomodo e multímodo. A fibra multimodo possui vários modos de propagação e de acordo com o perfil da variação de índices de refração da casca com relação ao núcleo, classificam-se em: índice degrau e índice gradual, a diferença entre eles pode ser visto na figura a seguir. O seu diâmetro é bastante elevado, entre 50 e 80 mícrons, fazendo com que o feixe luminoso sofra reflexões, limitando o alcance do sinal a cerca de 2 Km. Devido a isso as fibras ópticas multimodo são utilizadas em redes locais ou de campus. Já a fibra monomodo possui dimensões muito pequenas, e uma capacidade de transmissão superior às fibras multimodo, o seu diâmetro de 10 mícrons, permite uma propagação da onda sem reflexão. A distância é claramente mais elevada e a largura de banda disponibilizada torna-se quase ilimitada. As fibras monomodo são utilizadas sobretudo nas redes de longa distância, isto é, nas redes metropolitanas do tipo Gigabit-Ethernet, ou em backbones de tipo SDH ou WDM. Atualmente existem vários tipos de fibras ópticas, com características diversas e que foram desenvolvidas conforme as necessidades de sua aplicação. Para todas elas, as duas características mais importantes a serem analisadas são: Atenuação: é a perda da intensidade luminosa ao longo da fibra, causada pelo próprio material da fibra e / ou por eventuais emendas, físicas ou mecânicas, existentes (medida em db/km); Dispersão: é o espalhamento da luz ao longo da fibra, causado pela existência de diferentes comprimentos de onda no feixe de luz (medido em ps/nm.km). Fibras e Comprimentos de Onda Operacionais. A sílica pura, ou dióxido de silício, é o ingrediente primário na construção de fibras ópticas. Mas o uso de sílica requer altas temperaturas, e o índice de refração da sílica não é particularmente bem adaptado para sistemas ópticos. O processo de dopagem é usado para mudar o índice de refração do núcleo da fibra ou da casca, ou de ambos. A dopagem é o processo intencional de adicionar impurezas na substância durante a fabricação. Nas fibras ópticas, 4 a 10% de óxido de germânio é adicionada a sílica para aumentar o índice de refração. Esta é uma enorme quantidade de material dopante, comparando com a construção de semicondutores (1ppm). Trióxido de boro diminui o índice de refração. Outras substancia também podem ser usadas, mas elas tendem a aumentar a atenuação da fibra. As fibras atuais apresentam atenuação da ordem de 0,2 db/km. A atenuação varia dramaticamente com o comprimento de onda. Há um water peak, causada pelos íons OH que estão sempre presentes na fibra. Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 17
18 Assim, a ação é contra a atenuação das fibras pode ser combatida e vencida na década de 1990 com a abertura de novas janelas de comprimento de onda para operação. Entretanto, os efeitos da dispersão tiveram que ser levado em conta também. Uma das razões das janelas de 1970 não serem as melhores eram que os pontos de dispersão zero, onde a dispersão material e a dispersão no guia de onda cancelam-se umas as outras, estava por volta de 1310nm. Os pulsos de 1310nm ficam bons e seguros para propagarem ao longo de alguns quilômetros em fibra monomodo, embora ainda atenuando-se. A fibra monomodo padronizada usada no Sonet/SDH tinha seu ponto de dispersão zero em 1310nm. Com a mudança nos métodos de dopagem e manipulação do perfil dos índices de refração através do núcleo, uma geração inteira de fibras de dispersão trocada apareceu na década de 1990 que operavam em janelas com menor atenuação. Assim as fibras da década de 1990 moveram o ponto de dispersão zero para a janela em torno de 1550nm. A historia das fibras especiais para redes ópticas poderiam parar aqui, se não por alguns pontos importantes. Primeiro, SONET/SDH ainda é definido para operar em 1310nm, mas obviamente a construção de novas redes ópticas se firmou na faixa 1510nm a 1600nm. Segundo, isto não diz que o comprimento de 1310nm não pode ser usado com fibras DSF (Dispersion-shifted fiber). Entretanto, a dispersão (e atenuação) é maior em 1310nm que em 1510nm. Terceiro, as redes ópticas hoje baseiam-se mais em WDM e DWDM que num simples fluxo de bits em um único comprimento de onda. Assim um ponto de dispersão zero simples no meio da faixa de transmissão nem sempre é desejável. Para WDM e DWDM, seria melhor uma faixa entre 1510 e 1600nm onde a dispersão é baixa, mas ainda não é zero. Novamente, uma dopagem inteligente nos perfis de índice de refração, possibilitou a construção da chamada nom-zero dispersion-shifted fiber (NZ-DSF). Os perfis do índice de refração da NZ-DSF são recomendados para WDM e DWDM, embora a regular fibra DSF em 1310nm possa ser usada também (contanto que a alta dispersão seja considerada durante o projeto do sistema). Há muitos outros interessantes desenvolvimentos no campo de cabos e fibras ópticas. Entre estes há as large effective-area fibers (LEAF) que aceitam potência maior, dispersion-flattened fibers com dispersão nas janelas da década de 1990 (mas com maior atenuação), dispersion-compensating fiber (DCF) que pode ser emendada periodicamente para combater os efeitos da dispersão, em fibras NZ- DSF. Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 18
19 As fibras ópticas que vem sendo utilizadas nas redes WDM são: q q q Single Mode (SM G.652 ITU-T): é o tipo de fibra mais comum encontrada no mercado. Possui algumas limitações quando usada em sistemas WDM com maior concentração de comprimentos de ondas, pois possui elevado fator dispersão cromática. Para compensar essa limitação torna-se necessário o uso de segmentos de fibras especiais para correção da dispersão cromática (DCU). Entretanto, como essa fibra possui um núcleo com área maior do que os outros tipos de fibra óptica, seu uso se adapta bem a sistemas WDM com grande capacidade de comprimentos de onda. Dispersion Shifted (DS G.653 ITU-T): é o tipo de fibra cuja dispersão é zero. Acreditava-se, em seu lançamento, que seria a fibra ideal para ser usada com sistemas WDM e SDH de alta capacidade. Porém, com a evolução desses sistemas e o conseqüente aumento da quantidade de comprimentos de onda (Lâmbdas), verificou-se que esta fibra possui limitações no tocante à dispersão cromática, o que diminuiu o seu uso. Non Zero Dispersion (NZD G.655 ITU-T): é tipo de fibra que foi concebida para corrigir a limitação da fibra tipo DS, e cuja dispersão para a janela de 1550 nm é muito baixa em relação à fibra SM (18 ps.nm/km), porém não é zero (8 ps.nm/km). Para obter esta redução do fator de dispersão cromática, o núcleo da fibra foi alterado para ter menor diâmetro. Sempre se acreditou que estas fibras seriam ideais para sistemas WDM com grande número de comprimentos de onda, porém com o passar do tempo e utilização em sistemas reais, verificou-se que o fato de ter a área de seu núcleo reduzida, impede sua utilização em sistemas de grande quantidade de comprimentos de onda (Lâmbdas). q Low Water Peak (LWP G.652D ITU-T): é tipo de fibra onde os processos industriais de produção permitem a diminuição ou eliminação do efeito pico d'água, permitindo que a faixa de 1400 nm seja utilizada para tráfego de sistemas ópticos. Isso otimiza o uso de equipamentos CWDM (descritos adiante), que atuam em toda a faixa, desde 1310nm até 1625nm, compreendendo as bandas O, E, C e L do espectro de luz. Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 19
20 Banda Comprimento de onda (λ) Uso [nm] L 1565 a 1610 Comercial C 1530 a 1565 Comercial S 1400 a 1530 Laboratório E 1330 a 1400 Sem atividades O 1280 a 1330 Comercial Multiplexação Óptica É a característica mais importante a ser definida quando do planejamento de um sistema WDM. De acordo com as necessidades da aplicação, identifica-se o qual tipo de sistema WDM a ser implantado definindo-se o espaçamento entre os canais ópticos, limitando assim a sua capacidade. Este espaçamento, que pode variar de 200 GHz a 12,5 GHz, é padronizado pelas normas G (DWDM) e G (CWDM) do ITU-T. Os tipos de sistemas WDM mais comuns são: CWDM (Coarse Wave Division Multiplex): sistema cuja multiplexação óptica possui espaçamento de 200 GHz e pode variar a quantidade de canais de 4 a 16 dependendo da fibra óptica adotada no projeto. Sua taxa de transmissão pode variar de E3 (34 Mbit/s) a STM-16 (2,5 Gbit/s). Possui um melhor desempenho com o uso da fibra óptica tipo LWP. Utilizada em redes metropolitanas.espaçamento entre canais de 20 nm. Prof. Paulo Roberto de Paiva Novo 20