REDES xPON
O termo xPON refere-se a uma expressão usada para definir redes do tipo PON (Passive Optical Network), onde, esta tecnologia se caracteriza o fato de estabelecer uma rede de acesso efetuando a comunicação entre dois elementos ativos, apenas com componentes
ópticos passivos (sem que exista alimentação elétrica).
Neste tipo de arquitetura não é realizada a recuperação e regeneração (amplificação) de sinais, isto é, entre os elementos ativos da comunicação (origem e destino da informação) bidirecionalmente não existem estruturas que recuperem o sinal ao longo do seu trajeto.
A rede é formada por uma rede de fibras ópticas ponto-multiponto (seja na sua concepção simétrica ou assimétrica). Caracteriza-se com uma topologia em árvore ou barramento, onde as ramificações são feitas através de divisores ópticos passivos.
Os sinais ópticos são transmitidos e controlados por equipamentos ativos. No ponto central localiza-se o equipamento concentrador que
agrega o tráfego dos pontos remotos (clientes). A rede xPON é composta pelos seguintes componentes:
OLT (Optical Line Terminal)
É o equipamento que tipicamente está localizado na central do provedor ou operadora (no POP – Point of Presence) ou distribuído em armários externos, e possui interfaces de uplink com o fornecedor de acesso para a Internet (PDH, SDH, Ethernet Fast / Giga / 10Giga / 40Giga / 100 Giga) para o lado da rede dos clientes.
A OLT possui portas PON, Padronizadas segundo um determinado protocolo (APON, BPON, EPON, GPON, 10-EPON, X-GPON, XGSPON,
etc.).
O hardware da OLT pode-se apresentar no formato de bastidor, também chamado de chassis ou “Pizza Box”, também conhecido como “Stand Alone”. Modelos Pizza Box são equipamentos de menor porte e custo, normalmente com 4 ou 8 portas. Equipamentos do tipo bastidor são para alta densidade de portas, possui um custo maior.
A OLT possui duas funções principais: controlar o tráfego e nomear a alocação de banda dinâmica para as ONU. No sentido downstream da OLT há nenhuma dificuldade em controlar o tráfego que chega de fora da rede e transmitir as informações para as diversas ONUs, dessa forma todas as ONUs recebem simultaneamente o mesmo tráfego.
A OLT é definida como o elemento genérico que realiza a interface entre a ODN (Optical Distribution Network – Rede Óptica de Distribuição) e as instalações do usuário. A OLT gerencia o tráfego upstream e downstream através das fibras, antes e depois dos divisores ópticos (splitteres). Nos casos onde exista a necessidade de transmissão de sinais de vídeo, analógico utilizam-se multiplexadores WDM e amplificadores ópticos.
Uma rede PON utiliza os comprimentos de onda de 1490nm para o tráfego de voz e dados e 1550nm de comprimento de onda (que pode estar presente ou não) para transmissão de vídeo, ambos no sentido downstream, ou seja, da OLT para a ONU (MDU ou ONT).
Para tráfego upstream é usado o comprimento de 1310nm. Elementos passivos são utilizados ao longo do enlace como acopladores WDM e Splitteres. Os primeiros na multiplexação dos comprimentos de onda
em upstream e downstream e, os últimos na divisão do sinal óptico.
ONU (Optical Network Unit)
Traduzindo: Unidade de Rede Óptica, de um modo genérico, é o dispositivo eletrônico que fará a comunicação com o OLT via rede óptica ODN.
Equipamento para acesso dos clientes que, dependendo do arranjo físico de atendimento, pode se dividir e, ONT (Optical Network Unit) Terminação de Rede Óptica ou MDU Multi Dwelling Unit – Unidade de Habilitação Múltipla. Além de realizar a interface da OLT com o cliente, a ONU é responsável pela multiplexação e demultiplexação dos serviços cliente / provedor e provedor / cliente e também pelo fornecimento de energia ao circuito eletrônico presente na própria ONU.
As ONUs devem ser adquiridas de acordo com a aplicação FTTx desejada. Possui a funcionalidade de diferenciar os pacotes que pertencem a um determinado cliente e descartar os que não são. O ponto mais crítico em uma rede PON é o tráfego upstream das ONUs
para a OLT, pois todos os usuários concorrem no uso da rede de acesso e compartilham o mesmo comprimento de onda e um MAC (Media Access Control) que é necessário para se evitar a colisão de pacotes das diferentes ONUs.
ONT e MDUs
Existem basicamente dois tipos de ONUs: a ONT (Optical Network Terminal – Terminação de Rede Óptica) e a MDU (Multi Dwelling Unit – Unidade de Habilitação Múltipla).
ONT (Optical Network Terminal) Terminação de Rede Óptica) são instaladas diretamente na residência do cliente focadas para uso interno (indoor), ou seja, para concepção da topologia de rede FTTH.
A ONT é um caso particular de ONU, utilizado para prestar serviço para apenas um usuário, ficando instalado diretamente na casa do cliente e permite que se dedique taxa de banda específica a ela, entregando na casa do cliente a taxa que ele achar necessária para a melhor qualidade dos seus serviços dentro dos valores disponíveis.
ONTs permitem a alocação de banda dinâmica (DBA) específica para um usuário, transmite em pequenos espaços de tempo que são controlados pela OLT tendo assim uma intensa utilização da banda alocada.
MDU (Multi Dwelling Unit)
MDU (Multi Dwelling Unit – Unidade de Habilitação Múltipla) é instalada externamente à residência do usuário (outdoor) em postes,
armários externos ou mesmo na base de prédios.
Seu objetivo é fornecer acesso aos usuários do serviço tipicamente usando cabo par trançado UTP Ethernet ou outro, como xDSL, por
exemplo, focada em FTTC ou FTTB. A MDU é um equipamento que pode ser instalado nas dependências do condomínio, ou em área próxima, que receberá o sinal da OLT.
Topologia xPON
Topologia em ANEL
Em uma topologia de rede em anel, duas ONUs são conectadas a uma OLT criando dois segmentos PON: PON-A e PON-B. A partir da
primeira ONU do segmento PON (A ou B) são conectadas as outras ONUs de maneira serial formando um barramento óptico.
Assim, cada ONU do barramento funciona como um derivador óptico ativo ou um elemento passante como no SDH. Para essa configuração as ONUs e OLTs devem permitir essa configuração.
Ao final dos barramentos as últimas ONUs da topologia são conectadas entre si e então fecham um anel óptico a partir de dois segmentos PON (barramentos). As grandes vantagens desta topologia são: a redundância da rede e a possibilidade de configuração do custo métrico de tráfego, onde é possível indicar a direção mais rápida para o tráfego, seja ela no sentido leste ou oeste.
Topologia em ÁRVORE
Em uma topologia de rede em árvore as ONUs estão conectadas a uma OLT por meio de um único segmento PON. A partir dessa OLT conecta-se um segmento de fibra óptica denominado “Deep Fiber”, que então recebe um conjunto de derivadores ou divisores ópticos
passivos (splitteres).
O primeiro divisor deve ter obviamente, no mínimo, um fator de derivação (relação, razão ou cardinalidade) de 1:2, ou seja, um splitter cria dois subsegmentos de fibra. Na figura a seguir o fator de derivação é de 1:3, ou seja, um splitter cria três subsegmentos de fibra, inclusive sendo splitteres dessa relação (1:3, 1:6, etc.) pouco usados em redes PON, sendo mais comuns splitteres de relação 1:2, 1:4, 1:8 e assim por diante.
Topologia em Barra
Esse tipo de rede tipicamente é chamada de rede simétrica ou balanceada em virtude de os sinais presentes nos ramos do(s) splitter(es) ser(em) iguais.
A maior vantagem desta topologia é quando as ONUs estão relativamente distantes da OLT e/ou estão concentradas a partir de uma certa distância, onde não existem ONUs intermediarias.
Neste caso podemos lançar, por exemplo, 15 km de segmento de fibra deep fiber e somente omeçar a derivação deste segmento a partir desta distância de 15km.
Em uma topologia de rede em barra, barramento (bus) ou em linha as ONUs são conectadas a uma OLT através de um segmento de fibra óptica deep fiber, que então recebe vários splitteres passivos com o fator de derivação de 1:2, ou seja, um splitter cria dois subsegmentos de fibra.
Um dos subsegmentos obtidos serve de conexão para a ONU e o outro serve como caminho passante para o próximo splitter. Esse tipo de configuração é conhecido como rede desbalanceada ou assimétrica.
A utilização desta topologia se aplica de forma contrária a topologia em árvore, já que entre a OLT e a última ONU existem várias outras ONUs com distância relativamente curta entre uma e outra ONU.
Esta topologia é útil para aplicações de abordagem nas ruas (Fiber To The Curb), onde cria-se o segmento deep fiber e então instala-se pequenos gabinetes de distribuição nas calçadas ou postes onde estarão os derivadores e/ou ONUs distribuindo conectividade via
fibra óptica, cabo coaxial ou wireless para os usuários finais.
Uma planta típica de uma rede PON em operação contempla um misto de topologias de acordo com a estratégia de implantação e com grande flexibilidade de arquitetura, caracterizando uma rede de contexto híbrido.
Redundância de Acesso
A redundância dos acessos de Fibra Óptica é definida pelo padrão GPON G.984.1 e prevê as seguintes configurações para questões de redundância e disponibilidade:
Redundância do Tipo A
É utilizada uma OLT e uma porta GPON. A redundância é feita utilizando duas fibras conectadas a um chaveador óptico, substituindo um chaveamento manual. Vantagem: não requer porta GPON adicional na OLT.
Redundância do Tipo B
É utilizada uma OLT onde a redundância é feita utilizando duas portas GPON da OLT, cada uma com uma fibra até o splitter.
Também é conhecida como espelhamento de porta. Vantagem: não requer hardware extra na ONT.
Redundância do Tipo C
Também chamada de Duplex System Model. Nesta topologia há duas OLTs e cada fibra é conectada no equipamento específico.
Observe na figura abaixo que elas compartilham o mesmo splitter (PON – Passive Optical Splitter) são conectadas em portas da OLT e duas portas da ONT. São usadas para prover redundância ou pode ser usada uma ONT que possua duas portas PON.
Redundância do Tipo D
É um sistema conhecido como Dual Parented Duplex System Model. É o mais completo e que oferece a maior disponibilidade. Observe na figura abaixo que há duas OLTs são usadas para prover redundância com o princípio da dupla abordagem, requerendo assim redes distintas para cada acesso. Também pode ser usada uma ONT que possua duas portas PON.
Padrões xPON
FSAN – Full Service Access Network
Em 1995, as grandes operadoras no mundo (NTT, BT, France Telecom, etc.) e seus fornecedores de equipamentos iniciaram uma discussão para desenvolver uma solução de acesso completa para uma tendência denominada de triple play (voz, dados e vídeo).
Na época duas opções lógicas surgiram para protocolo e planta física: ATM e PON. ATM porque já era um padrão consolidado para transmissão de múltiplos protocolos e PON porque era a opção mais viável, da perspectiva financeira, para soluções de Broadband óptica em larga escala.
O modelo ATM e PON criou o comitê FSAN (Full Service Access Network), o qual implementou o padrão ITU-T G.983 – Broadband Optical Access Systems Based on Passive Optical Networks (PON). A FSAN tem mais de 70 organizações membros, incluindo mais de 20 operadores de rede, que representam os principais especialistas em tecnologias BPON, GPON, XG-PON, XGS-PON e NG-PON2.
Como a missão da FSAN era direcionar os padrões existentes para os serviços e produtos do setor, ao mesmo tempo em que avança suas próprias especificações nos organismos de padrões apropriados (ITU e IEEE). Havia um grande cuidado para garantir que não houvesse uma sobreposição ou esforço duplicado com outras organizações.
APON – Asynchronous Passive Optical Network
É um padrão que já caiu em desuso e foi padronizada no início da década de 90 pela FSAN como solução mais barata e rápida com elevadas taxas de transmissão, suportando dados, voz e vídeo simultaneamente, utilizando fibra óptica. A rede APON foi o primeiro padrão para redes PON aceita pela ITU-T em com norma G.983.
O padrão utilizava o protocolo ATM – Asynchronous Transfer Mode (Modo de Transferência Assíncrono) onde as fontes de informação são mutuamente assíncronas e a informação são segmentadas em células, as quais são enviadas pelas fontes em instantes independentes.
Ele utiliza a técnica de multiplexação WDM (Wave Division Mode) que utilizam três comprimentos de onda diferentes e permitem transmitir dados de forma bidirecional.
No sentido downstream (OLT –> ONU), os dados se distribuem a 1490 nm, utilizando o protocolo TDM: Multiplexação por Divisão no Tempo (Time Division Multiplexing); no sentido upstream (ONU –> OLT) é utilizado o comprimento de onda de 1310 nm em conjunção com o protocolo TDMA: Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (Time Division Multiple Access) a fim de suportar o meio de conexão compartilhado multiponto a ponto.
O terceiro comprimento de onda; 1550nm transporta a distribuição de vídeo desde a OLT até as ONUs, constituindo um método eficiente em custo para entregar o serviço Triple Play.
Para o transporte de comandos, controle e informação de estado se utilizam células ATM especiais em ambas direções.
De acordo com o padrão G.983, a APON pode operar a duas velocidades: 155 Mbit/s simétrico e 622 Mbit/s assimétrico (622 Mbit/s no sentido downstream e 155 Mbit/s no sentido upstream).
BPON – Broadband Passive Optical Network
Esse padrão é considerado como uma extensão do padrão APON, segue a norma ITU-T G983.1, utiliza-se do protocolo ATM e opera com taxas de 155 Mbit/s simétricos e 622/155 Mbit/s assimétrico. Esse padrão foi pensado para o serviço de IPTV que estava sendo ensaiado para ser lançado a partir de 2000. Ele era capaz de integrar dados, voz, serviços de vídeo a clientes empresariais e residenciais por uma única fibra, podendo realizar o atendimento final de acordo com as soluções FTTx.
EPON – Ethernet Passive Optical Network
Seguindo a linha de ofertar um serviço de IPTV via fibra óptica, no final da década de 90 o IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos) começou a fazer estudos para padronizar um serviço do tipo triple play (voz, dados e imagem) de forma rápida e com baixo custo. Lembrando que o conceito EFM – Ethernet First Mile, utilizado pelo IEEE é possível utilizar infraestruturas de cobre e de fibra ópticas.
Foi criado então o padrão IEEE 802.3ah, utilizando na camada de Enlace, o protocolo Ethernet, para fazer o transporte e encapsular o IP na pilha de protocolos. A forma especial da topologia pontomultiponto do EPON é algo interessante. A distribuição aos respectivos
usuários também é feita também por splitter. Para evitar colisões é utilizado um protocolo especial, o MPCP (Multipoint Control Protocol).
Esse padrão utiliza o comprimento de onda de 1310 nm no upstream e 1490 nm no downstream. Podem ser obtidas taxas de divisão de até 1:32, sendo que na prática são obtidas relações de divisão menores. A taxa de transmissão simétrica de 1,25Gbps parece ser alta, a princípio, mas torna-se relativa quando se deduz o elevado overhead do protocolo, em torno de 45% resultando em velocidades de aproximadamente 815Mbps simétricos.
O alcance da conexão de um sistema EPON é de até 20Km entre a OLT e a ONU. Funciona em modo full-duplex, ou seja, não necessita do protocolo CSMA/CD de acesso ao meio e detecção de colisão, inerente ao Ethernet.
As ONUs enxergam somente o tráfego vindo do Cental Office (OLT), e não podem ver tráfego transmitido por outras ONUs através da fibra compartilhada (as ONUs filtram o tráfego não direcionado a elas através de protocolo específico).
Se houver necessidade de conexão ponto-a-ponto entre duas ONUs, isto só pode ser feito por intermédio da OLT. Cada ONU transmite para a OLT em turnos, usando um protocolo de multiplexação de acesso por divisão de tempo (TDMA – Time Division Multiplex Access).
Estes tempos de transmissão permitidos são controlados pela OLT através de protocolo.
GPON – Gigabit Passive Optical Network
Tem como característica o fato de serem redes totalmente passivas, sem fontes de energia entre a operadora e o cliente. Utiliza-se de splitters (PON Passive Optical Network) e toda a informação é transmitida de forma bidirecional sob uma única fibra.
Para isso utiliza-se de dois comprimentos de onda diferentes, uma para a informação de Downstream (OLT –> ONU) com 1.510nm e outra para Upstream (ONU –> OLT) com 1.149nm. A informação no canal de distribuição (downstream) é transmitida em modo broadcast, significa que a informação é transmitida para todas ONUs.
Como a informação chega a todos os usuários é necessário utilizar um sistema de criptografia para manter a privacidade das comunicações.
No canal de retorno (upstream) a transmissão é realizada utilizando o protocolo de acesso múltiplo TDMA, onde cada elemento da rede tem um período de tempo específico para transmitir, permitindo que um mesmo canal de transmissão, neste caso o mesmo comprimento de onda, seja compartilhado por vários usuários. Depois a tecnologia evoluir e na tabela abaixo você pode observa a cronologia de evolução da tecnologia GPON.
Basicamente GPON aponta as velocidades de transmissão maiores ou iguais a 1,2Gbps. No caso de FTTH, FTTB ou FTTC que usam xDSL assimétrico, aquela elevada taxa de upstream não é necessária. GPON considera (7) sete combinações de velocidades e são as seguintes:
10GPON – 10Gigabit Passive Optical Network
Esse padrão foi criado pelo IEEE em 2009 também conhecido como IEEE 802.3av possui uma largura de banda de 10 Gbit/s. Utiliza a mesma característica e topologia das redes EPON e também opera com a característica óptica passivas. A sua capacidade de transmissão de 10Gbps é o seu grande diferencial. Pode trabalhar de forma simétrica ou assimétrica.
X-GPON – 10Gigabit Passive Optical Network
Padrão estabelecido em 13/06/2012 pelo ITU-T sob o padrão G.987, também conhecido como X-GPON. Ocorre em velocidade de upstream de 2,5Gbps e downstream de 10Gbps. É uma tecnologia de comunicação assimétrica evolutiva em relação ao GPON, com maior largura de banda de downstream. Possui recursos similares e pode coexistir na mesma fibra com o GPON. Foi muito pouco implementado até o momento.
Possui um Split Ratio (divisão do splitter) no máximo de 1:256, mas a taxa típica utilizada é de 1:128, devido a atenuação do sinal. Permite,
portanto, atender até 256 ONUs por porta.
XS-GPON – 10Gigabit Passive Optical Network
Padrão criado pelo ITU-T em 22/06/2016, também conhecido como ITU-T G.9807.1 possui uma largura de banda de 10Gbps simétrica.
É uma tecnologia de comunicação simétrica evolutiva em relação ao GPON, com maior largura de banda tanto de upstream como de
downstream. Possui os mesmos recursos e pode coexistir na mesma fibra com o GPON.
Permite atender até 256 ONUs por porta. Possui um Split Ratio (divisão do splitter) no máximo de 1:256, mas a taxa típica utilizada é de 1:128, devido a atenuação do sinal. Para utilização em distância limite de até 60Km.
40GPON – 40Gigabit Passive Optical Network
Foi padronizado em junho de 2010 pelo IEEE como 802.3ba, mas em março de 2011 foi lançado o padrão 802.3bg, para operar de forma
serial. Pode operar com diversos tipos de adaptadores SFP como:
- 40GBASE-KR4: Curtas distâncias, muito utilizada em backplane (blade server).
- 40GBASE-SR4: Curtas distância (125 metros) utiliza fibras do tipo Multimodo (OM3 e OM4).
- 40GBASE-LR4: É utilizado em ambientes WAN, opera com fibras monomodo.
Quando esse padrão está trabalhando de forma serial (IEEE 802.3bg) ele pode chegar a 2 Km, operando com fibras do tipo Monomodo 40GBASE-FR. Na forma serial há compatibilidade com equipamentos legados: OC-768, OTU-3, STM-256 ou 40G Packetover-
SONET (POS).
N-GPON – New Gigabit Passive Optical Network
NG-PON2 também conhecido como TWDM-PON (10Gbps downstream e 10Gbps upstream, 10Gbps downstream e 2,5Gbps upstream é uma tecnologia de comunicação óptica evolutiva do GPON, não sendo apenas uma versão com maior banda, possui novos recursos, como mobilidade de comprimento de onda e ligação de canais.
Coexiste com GPON, X-GPON e XGS-PON, opera em até 40Gbps e atende até 256 ONUs. Há expectativas para a evolução para permitir
upstream em 25 Gbps e downstream em 100Gps.
100GPON – 100Gigabit Passive Optical Network
A transmissão de sinal óptico em um meio não linear é o principal problema de projeto analógico. Como tal, sua evolução ocorreu de
forma mais lenta do que de um circuito digital (que geralmente progrediu de acordo com a lei de Moore). Isso explica por que os sistemas de transporte de 10 Gbit/s existiam desde meados da década de 1990, enquanto as primeiras incursões na transmissão de 100 Gbit/s aconteceram cerca de 15 anos depois – um aumento de 10x na velocidade em 15 anos é muito mais lento do que a velocidade 2x por 1,5 anos normalmente citado pela lei de Moore.
E no ano de 2011 pelo menos cinco empresas (Ciena, Alcatel-Lucent, MRV, ADVA Optical e Huawei) fizeram anúncios de clientes para sistemas de transporte de 100 Gbit/s. Embora os fornecedores alegassem que caminhos de luz de 100 Gbit/s poderiam usar a
infraestrutura óptica analógica existente, a implantação da tecnologia de alta velocidade foi rigidamente controlada e testes de interoperabilidade extensivos foram necessários antes de colocá-los em serviço.
Havia outro problema, para projetar roteadores ou switches que suportem interfaces de 100 Gbit/s é algo extremamente difícil e cara. A necessidade de processar um fluxo de 100 Gbit/s de pacotes (backplane) sem reordenar em micro fluxos é algo que exige memória e processares robustos. Como esse padrão utiliza a mesma especificação 802.3ba, a sua camada física e de enlace são as mesmas do padrão 40G EPON. Essa tecnologia pode operar com os seguintes adaptadores SFP:
- 100GBASE-SR10: Curtas distancias em redes internas e pode operar com fibra Multimodo (OM3 e OM4).
- 100GBASE-LR4: Utilizado em ambientes WAN e opera com fibras do tipo Monomodo em distancias de até 10 km.
- 100GBASE-ER4: Utilizado em ambientes WAN e opera com fibras do tipo Monomodo em distancias de até 40 km.
Como esse padrão utiliza a mesma especificação 802.3ba, a sua camada física e de enlace são as mesmas do padrão 40G EPON. Essa tecnologia pode operar com os seguintes adaptadores SFP:
