Rede de Acesso Totalmente Óptica, um Novo Paradigma
Enviado em 09.07.2021
Redes de Acesso Totalmente Ópticas, um Novo Paradigma
O final do século XX e início do século XXI foram períodos caracterizados pelos avanços da microeletrônica, com a construção dos semicondutores e […]
O final do século XX e início do século XXI foram períodos caracterizados pelos avanços da microeletrônica, com a construção dos semicondutores e microprocessadores mais eficientes, novas técnicas digitais, com novos sistemas de transmissão de dados e as redes inteligentes tomaram o lugar das antigas redes de telefonia analógica. Fato é que o avanço tecnológico experimentado pela sociedade atual deu origem a uma demanda que tem exigido dos provedores de serviços a capacidade de atender aos constantes aumentos das taxas de transmissão para os diversos sistemas de informação. Nesse quadro, as redes ópticas se apresentam como a alternativa tecnológica mais viável para a infraestrutura de telecomunicações e assim, as fibras ópticas vêm se sobrepondo gradativamente os cabos metálicos e os enlaces de rádio, aumentando potencialmente a capacidade e a confiabilidade dos sistemas existentes.
As Redes Ópticas Avançam
Os avanços tecnológicos das últimas décadas impulsionaram sobremaneira o mundo das redes ópticas: a fibra dopada a Érbio (dos anos 1990), a fibra monomodo e a fibra de dispersão não-zero deslocada foram alguns dos desenvolvimentos que se seguiram à fibra multimodo. Depois, foi eliminada a hidroxila (OH–) no âmbito da janela de 1.400nm na fibra monomodo e as fibras modernas passaram a ser construídas visando minimizar a dispersão dos pulsos de luz, operando na faixa de 1.200nm a 1.600nm com melhor desempenho. A Figura 1, apresenta algumas dessas perdas nas fibras ópticas.
Figura 1 – Perdas nas fibras ópticas
Outro grande avanço nas comunicações ópticas foi o aperfeiçoamento e a introdução da multiplexação por comprimentos de onda, onde vários feixes de luz, com comprimentos distintos, percorrem a mesma fibra e multiplicam tremendamente a capacidade de transmissão da rede. Destacam-se o WDM (Wavelength Division Multiplexing), mostrado na Figura 2, e suas variações (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing – onde os canais são menos espaçados, exigindo fontes ópticas mais precisas e filtros lineares e o CWDM – Coarse Wavelenght Division Multiplexing – que admite maior espaçamento entre canais, resultando em menor capacidade, porém, mais barato).
Figura 2 – Princípio do WDM
O futuro próximo aponta para novos sistemas num único chip, sofisticados pacotes ópticos, banda por demanda, dispositivos heterogêneos, aplicações móveis, sistemas abertos, redes baseadas em software e conexão em banda ultra larga em qualquer lugar e a qualquer momento.
A crescente demanda por serviços de banda larga, seja em residências, em pequenas, médias ou mesmo grandes empresas, exige uma infraestrutura de rede capaz de suportar as exigências dos diferentes tipos de usuários, com interesses diversos e de diferentes áreas, que transitam pelas redes de computadores executando aplicações em variadas plataformas (Figura 3). Tudo isso obriga ao desenvolvimento de soluções de comunicação destinadas a aliviar os gargalos de capacidade nas redes de acesso existentes, principalmente aquelas baseadas em cobre.
No mesmo caminho, os custos decrescentes de equipamentos eletrônicos, cabos de fibra óptica e dos demais itens de infraestrutura são positivos para superar esse obstáculo de capacidade com a construção de redes usando fibras ópticas.
Figura 3 – Exemplo da rede legada
É preciso lembrar que a infraestrutura da rede legada de acesso demanda um tempo maior para substituição do que qualquer outra infraestrutura de comunicação. Isso é verdade devido à imensa quantidade de cabos envolvida e a mão de obra necessária na substituição dessas redes. Dado que a grande base de rede de acesso legada se encontra espalhada por grandes áreas, e que muito do custo da implantação das redes de fibra é determinado pela instalação de cabos, uma estratégia bem planejada de migração se torna necessária nesse primeiro momento. Posteriormente, uma decisão para passar da rede de acesso metálica, ou via rádio, para uma rede de fibra óptica, envolverá inevitavelmente custos com a retirada da rede antiga e a instalação da nova rede.
É importante observar que os custos associados por essa migração podem ser mitigados pela adoção de um processo racional visando o menor impacto possível, tanto economicamente, quanto tecnicamente. Por exemplo, redes metálicas podem ser atualizadas num primeiro momento usando uma solução híbrida, onde a fibra é levada próximo aos usuários finais, e as conexões até os clientes individuais permanecem ativas com cabo metálico nesse primeiro momento. Para um ISP, a alternativa FTTC é mais econômica em relação ao FTTH ou FTTD, porém, como utiliza lances de cabeamento metálico, o projeto fica limitado aos comprimentos estipulados pelas normas e padrões de cabeamento estruturado. Lembrando também que as redes utilizando par metálico estão limitadas pelos padrões de cabeamento a um alcance de cerca de 100 metros. Já com a fibra óptica em toda a extensão da rede é possível chegar a distâncias bem superiores e, dessa forma, interligar um número maior de equipamentos, eliminam-se gastos com pontos de conexão intermediários (mais espaço físico), gastos com energia (não há equipamentos ativos), o que é essencial para projetos de redes de grande confiabilidade e eficiência.
Logicamente, considerações técnicas e comerciais devem determinar o quão longe um provedor de serviços irá levar a instalação de fibra, mas quando a demanda torna viável, o objetivo final de ter uma rede de acesso totalmente óptica, poderá ser alcançado (Figura 4).
Figura 4 – Rede de acesso óptica
Como em todas as estratégias de migração eficazes, os principais fatores que devem ser considerados são benefícios, custos e recursos. Para que um projeto seja viável (e econômico), ele deve prover benefícios que excedam os seus custos e não deve vincular custos que excedam os recursos disponíveis. Portanto, é importante equilibrar os investimentos em novos equipamentos sejam ativos e passivos, bem como pessoal e outros recursos e considerar as capacidades existentes na infraestrutura, buscando ficar um passo à frente da demanda do mercado e construir uma base sólida para gerar receitas futuras.
Conversão de Domínios
A grande maioria das redes de comunicação atuais ainda utiliza mecanismos de conversão eletro-óptica que possibilitam o roteamento dos sinais ao nível eletrônico, mas que também são responsáveis por adicionar atrasos, além de encarecer os equipamentos de comunicação. O processamento dos sinais ao nível do transmissor e do receptor óptico é, em geral, feito eletricamente. Dessa forma, os esquemas de comutação utilizados nessas redes são baseados em circuitos eletrônicos que não são capazes de prover a velocidade necessária exigida pela demanda atual. A limitação desses sistemas ópticos se acentua nas redes de acesso onde se faz necessária uma nova conversão dos impulsos de luz em impulsos elétricos no usuário, ou seja, a informação chega em forma de luz e, em seguida, é convertida para sinais elétricos, processados no usuário e convertidos novamente como luz no sentido de retorno à rede.
A tarefa de conversão entre os domínios óptico e elétrico gera retardos o que limita a taxa de transmissão de todo o sistema. Para resolver esse problema, novas tecnologias para as redes de acesso são capazes de realizar o roteamento ao nível óptico eliminando o overhead da conversão optoeletrônica. Nessas redes totalmente ópticas, os equipamentos do núcleo da rede dispensam a conversão eletrônica (pelo menos para tratamento dos dados), executando a comutação da informação por meios puramente ópticos até o acesso. A tecnologia de comutação totalmente óptica tornou-se importante para o futuro das redes de alta velocidade e a alocação e reutilização de comprimentos de onda por WDM têm sido apresentada como uma técnica promissora para tornar as redes ópticas de acesso mais flexíveis e eficientes. A Figura 5, mostra um exemplo de rede TWDM-PON, que representa um novo paradigma para redes ópticas para o futuro.
Figura 5 – Arquitetura TWDM-PON
Conexões de fibra são uma forma cada vez mais popular de entregar serviços de banda larga para diferentes grupos de usuários, por exemplo, em parques empresariais e blocos de apartamentos. A fibra tem a vantagem de oferecer uma capacidade quase ilimitada de banda, restrita apenas à tecnologia de rede óptica usada.
Redes de Acesso Totalmente Ópticas
Uma rede totalmente óptica é vista como um novo paradigma e solução ideal para obtenção de altas taxas de transmissão. Entretanto, um fato importante se apresenta: historicamente, sempre foi muito caro construir e manter uma rede física e os custos para substituir uma rede de comunicação já em operação não ficam atrás. Frequentemente, esse alto custo ainda se torna mais exacerbado pela falta de planejamento de longo prazo, planejamento que poderia contribuir para mitigar os custos operacionais de curto prazo.
As arquiteturas atuais para redes de acesso de ISP's permitem a otimização de recursos de rede (equipamentos, cabos ópticos, energia, etc.), possibilitando um projeto de rede flexível e escalável, de forma a atender aos usuários finais de acordo com a demanda requerida. A economia nos custos de implantação e de operação da rede, permitem a aplicação dos recursos disponíveis de acordo com a demanda dos usuários, minimizando também os custos de manutenção e maximizando as receitas por meio da redução do tempo de retorno do investimento.
Embora a fibra óptica ofereça um ótimo potencial como meio de transmissão nas redes de acesso, deve ser enfatizado que todas as atuais tecnologias em banda larga (HFC, xDSL, rádio etc.) têm papéis importantes a desempenhar, especialmente durante o processo de migração das redes legadas para as redes totalmente ópticas. A força combinada dessas tecnologias ainda representa a salvaguarda contra o total colapso nos serviços de banda larga atuais.
Considerando que as redes de comunicação atuais são fortemente baseadas na arquitetura IP, que é um dos fatores que impulsionam a integração das diferentes mídias de comunicação (dados, vídeo e voz), todos os serviços, sejam quais forem seus requisitos de largura de banda, são realizados por redes baseadas em IP. Portanto, a infraestrutura de qualquer rede, não somente no acesso, deve ser otimizada para atender essa demanda, que tende sempre ao crescimento do tráfego, bem como ao desenvolvimento de novos serviços e a adição constante de novos usuários.
A Figura 6, apresenta a evolução das tecnologias de acesso utilizando redes ópticas.
Figura 6 – Evolução das arquiteturas PON
Do ponto de vista da rede de acesso, é necessária uma infraestrutura que esteja disponível para todos os usuários, onde quer que eles estejam. A rede deve ser tecnicamente e competitivamente estruturada e aberta a todas as tecnologias existentes e futuras. O objetivo é dar ao usuário o acesso a alta tecnologia e capacidade, porém com baixo custo.
Um princípio norteador é que a infraestrutura deve ser planejada como uma rede de uso geral e não como uma rede especializada baseada em soluções técnicas rígidas ou construída para atender um universo limitado de tecnologias. Com as soluções atualmente disponíveis, o projeto das redes ópticas de acesso deve escolher tecnologias flexíveis para a infraestrutura que possibilitem uma frequente renovação de equipamentos com taxa atual em torno de 5 a 10% dos pontos ativos.
O acesso totalmente óptico permite a entrega de serviços avançados que resolvem problemas no acesso dos usuários, como tratamento de tráfego prioritário, segurança de LAN e provisionamento de circuitos, uma vez que temos uma infraestrutura de rede flexível e multifuncional.
As redes de acesso totalmente ópticas estão começando a materializar-se diante de nossos olhos. Depois de décadas de estudos de viabilidade, testes de laboratório e testes de campo, as redes de acesso usando fibras ópticas acabaram por encontrar seu caminho para aumentar o portfólios de produtos dos provedores de serviços, tornando sua implantação algo que ocorre em larga escala. Redes de backbone totalmente óptico também contribuem para esse crescimento contínuo, provando a viabilidade técnica e o potencial comercial das tecnologias ópticas, e fornecendo inovações que levam a oferta de novos serviços, criando novas demandas e introduzindo um novo paradigma nas redes de telecomunicações.
Com a expansão da capacidade das redes de acesso de fibra óptica, todos os usuários podem se beneficiar dos novos serviços, como e-business, e-commerce, hospedagem na Web, serviços em nuvem, streaming de vídeo, entre outros. Considerando que a capacidade no backbone de uma rede óptica bem planejada é virtualmente ilimitada graças à ampla penetração da tecnologia WDM e suas variantes, somente os gargalos de transmissão na primeira milha podem dificultar a o atendimento dessa demanda de serviços.