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Redes de Telecomunicações
Capítulo 5
Redes de Transporte Ópticas
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Espectro Óptico e Comprimentos de Onda
• Os sistemas de comunicação óptica operam na banda do espectro electromagnético com comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, ou seja na região do infra-vermelho (não visível pelo olho humano).
• O ITU (International Telecommunications Union) definiu seis bandas passíveis de serem usadas pelos sistemas de comunicação sobre fibra óptica.
• As bandas mais usadas pelos sistemas comerciais são as bandas O e C.
Ultra-violeta Visível Infra-vermelho
0.05 0.4 0.7 100 λ (μm)
Banda usada pelos sistemas de comunicação óptica
6×1015 4.3×1014 3×1012 ν (Hz)
Comprimento de onda
Frequência
c=νλ
Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L Banda U
1260 1360 1460 1530 1565 1625 1675 λ(nm)
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Largura de Banda de Transmissão
• A relação entre um espaçamento no domínio da frequência (Δν) e um espaçamento no domínio do comprimento de onda (Δλ) é dada por
onde λ0 é o comprimento de onda central na banda considerada e c é a velocidade de propagação da luz no vazio.
• A largura de banda total de transmissão correspondente às bandas do ITU é calculada na tabela seguinte:
λλ
ν Δ≅Δ 20
c
5.51501650UltralongU7.08601595LongL4.39351547.5ConventionalC9. 40701495ShortS15.091001410ExtendedE17.481001310OriginalO
Δν (THz)Δλ (nm)λ0 (nm)DesignaçãoBanda
Total
59 THz
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Fibras Ópticas
• As fibras ópticas dividem-se em fibras monomodais e fibras multimodais. As redes WDM (Wavelength Division Multiplexing) só usam fibras monomodais.
• Os principais fenómenos limitativos são a atenuação e a dispersão. O primeira é responsável por reduzir a amplitude dos pulsos e a segunda por alargá-los.
0
1
2
3
4
5
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Comprimento Onda (μm)
Coe
ficie
nte
de a
tenu
ação
(dB
/km
)
0
1
2
3
4
5
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Comprimento Onda (μm)
Fibra óptica monomodal normal Fibra óptica monomodal “AllWave”
Coe
ficie
nte
de a
tenu
ação
(dB
/km
)
1330-1625 nm
0.35 dB/km0.35 dB/km
1440-1625 nm
A fibra óptica monomodal normal apresenta um pico de atenuação devido à absorção OH em 1385 nm. A fibra “AllWave” elimina este pico.
A banda disponível para WDM (atenuação ≤ 0.35 dB/km) situa-se entre os 1440 e 1625 nm, o que corresponde a 370 canais para um espaçamento de 0.5 nm.
Fibra Normal
A banda disponível para WDM (atenuação ≤ 0.35 dB/km) situa-se entre os 1330 e 1625 nm, o que corresponde a 590 canais para um espaçamento de 0.5 nm.
Fibra “AllWave”
Sinal WDM
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Caracterização da Atenuação
• A atenuação (Af) é uma medida da perda de potência do sinal óptico resultante da propagação ao longo da fibra óptica e exprime-se usualmente em decibel (dB), ou seja
• É usual nas comunicações em fibra óptica exprimir a potência óptica em dBm, definida como sendo o nível de potência, em escala logarítmica, medido relativamente a 1 mW, ou seja
• Por sua vez
• A fibra óptica é caracterizada em termos do coeficiente de atenuação, definido como sendo a atenuação por unidade de comprimento, ou seja
)()0(log10
LppA
o
of = po(0): potência na entrada em mW
po(L): potência na saída em mW
mW 1log10dBm)(0
opP =0 dBm = 1 mw 30 dBm= 1W
dB)((dBm))0(dBm))(( foo APLP −=
(km)/)dB((dB/km) LAf=α
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Bandas de Utilização das Fibras
WDM, LANPON
Monomodal(G.652)
1460-1530SSexta
WDMMonomodal(All Wave)
1350-1450EQuinta
WDMMonomodal(G.653)
1565-1625LQuarta
Mono –λe WDM
Monomodal(G.655)
1530-1565CTerceira
Mono –λPON, Ethernet
Monomodal(G.652)
1260-1360OSegunda
LAN, EthernetEx:1000 Base-Sx
Multimodal820-900__Primeira
AplicaçõesTipo de fibraBanda (nm)DesignaçãoJanela
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Transmissão Digital Óptica
• Considera-se um sistema de transmissão digital óptico com compensação da dispersão, através de uma fibra compensadora de dispersão (DCF):
• As fontes ópticas podem ser de três tipos: LED, Laser modulado directamente e laser+modulador externo.
Filtro
v(t)Fonte óptica
Fibra Óptica
Juntas
Ps(0)
Ps(1)Pr(0)
Pr(1)
DCF
Corrente I
t
t
P0
t
t
V
P0
P0
Modulador externo
Laser modulado directamente
Laser + modulador
externo
Receptor óptico
RegeneradorPré-amplificador
Fotodíodo
BER
Razão de extinção (r) =Ps(0)/Ps(1)
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Fotodetecção
• No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico.
• Fotodíodos PINOs fotodíodos PIN são baseados numa junção p-n com material intrínseco (I) colocado entre os dois tipos de semicondutor. A junção é polarizada inversamente.
J.s1063.6 , 34−×==< hEhc
gcλλ
Ec
Ev
Eg
Banda de condução
Banda de valência+
_Fotão
Par electrão-lacuna
InP
InP p
n
+
InPAs i Região de absorção
Região de depleção
Campo Eléctrico
x
O campo eléctrico é intenso em quase toda a região de absorção.
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Caracterização dos Fotodetectores
• Num fotodíodo PIN ideal por cada fotão incidente na região de absorção seria originado uma par electrão-lacuna na região de depleção. Num PIN real a eficiência de conversão η (designada por eficiência quântica) é inferior a um.
• Num fotodetector APD (Avalanche Photodiode) o processo de multiplicação por avalanche é caracterizado por um ganho m(t) aleatório com valor médio M.
PINPotência óptica incidente, Po Foto-corrente, I
η, Rλ
νη
hPqI
o //
incidentes fotões de ritmolacuna-electrão pares de geração de ritmo
== q=carga do electrão=1.602×10-19 C
ν:frequência da radiação óptica[ ]1.24
mμληηλ ===
hvq
PIRo
Respostividade (A/W)
h=constante de Planck=6.626×10-34 J.s
+ _
+ _
+ _
Fotão incidente
Par electrão-lacuna
Ionização por impacto
Multiplicação de avalanche
Corrente instantânea: 0)()( PtmRti λ=
Corrente média: 0MPRiI λ>==<
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Caracterização do Sinal Recebido
• Admitindo que o fotodetector é um PIN a corrente na sua saída tem a contribuição do sinal e do ruído quântico. Essa corrente é dada,respectivamente, para o nível lógico 1 (i1(t)) e para o nível 0 (i0(t)) por
• Tendo presente que o receptor introduz ruído de circuito, a corrente na saída do filtro (para os dois níveis lógicos) é dada por
)()1()( :1 lógico nível 11 tiPRti qr += λ )()0()( :0 lógico nível 00 tiPRti qr += λ
)()( :1 lógico nível 111 tnIti += )()( :0 lógico nível 00 tnIti o +=
Valor médio da corrente para o nível 0
Valor médio da corrente para o nível 1
Corrente de ruído para o nível 1 Corrente de ruído para o nível 0
Tempo
Cor
rent
e
I1
I0Limiar de decisãoD
t0
Instante de decisão
I1
I0
D
p(I|1)
p(I|o)
I
Densidade de probabilidade
σ1
σ0
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Estatística do Sinal Amostrado
• O sinal i(t) é aplicado à entrada de um regenerador, cujo esquema de blocos é o seguinte:
• Admite-se que a amostra i(t0) tem uma distribuição Gaussiana com média I1 e variância σ1
2=<n12> para o nível lógico 1 e média I0 e variância σ0
2=<n02> para o
nível lógico 0.
AmostragemDecisão e formatação
do pulso
Recuperação de relógio
i(t) i(t0) i(t0)> D simbolo 1
i(t0)< D simbolo 0
221,
21 cq σσσ += 22
0,20 cq σσσ +=
nerq BPqR ,2
1, )1(2 λσ = nerq BPqR ,2
0, )0(2 λσ = bnenBc RBTfk /4 ,2 =σ
Be,n: largura de banda de ruído do receptor; fn: factor de ruído do receptor; Rb:resistência de polarização do fotodetector; T :Temperatura em K; KB: constante de Boltzmann (1.38 ×10-23 J/K)
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Avaliação de Desempenho
• A probabilidade de erro é dada por
• Admitindo a equiprobabilidade dos símbolos, obtém-se para a probabilidade de erro, ou BER (razão de erros binários) a seguinte expressão:
• A função complementar de erro é definida por
• O limiar de decisão óptimo (Dop) que minimiza o BER, corresponde a fazerPr(0/1)=Pr(1/0).
)0/1()1/0Pr( 01 re PppP +=
p1:probabilidade a priori de enviar o símbolo “1”
p0:probabilidade a priori de enviar o símbolo “0”
Pr(0/1):probabilidade de decidir pelo “0” tendo enviado o “1”
Pr(1/0):probabilidade de decidir pelo “1” tendo enviado o “0”
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −+⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡ −=
2erfc
41
2erfc
41
1
1
0
0
σσDIIDPe
∫∞
−=x
t dtex22)(erfc
π3 )(erfc
2
≥≈−
xxex
x
π
QDIID op
o
op =−
=−
1
10
σσ 01
0110
σσσσ
++
=IIDop
01
01
σσ +−
=IIQ ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡=
2erfc
21 QPe
x=4.5, erfc(x)=1.966x10-10
x=4.7, erfc(x)=2.995x10-11
x=5.0, erfc(x)=1.538x10-12
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Sensibilidade
• A sensibilidade do receptor ( ) é definida como a potência óptica mínima necessária para obter um valor de Pe , normalmente para 10-12 (Q≈7).
• Para um receptor baseado num fotodíodo PIN o ruído quântico édesprezável. Nesta situação a sensibilidade do receptor é aproximada por
• A sensibilidade do receptor com PIN diminui com a raiz do débito binário.
rP
λ
σR
QrrPPP c
rrr
2
11)0(
21)1(
21
−+
=+=
Ruído de circuito brancobner DBP ∝∝ ,
Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência para garantir o mesmo desempenho.
Débito Binário Tipo Sensibilidade Sobrecarga
155 Mbit/s pinFET -36 dBm -7 dBm
622 Mbit/s pinFET -32 dBm -7 dBm
10 Gbit/s pin -20 dBm 0 dBm
Sensibilidade de receptores que operam a 1.55 μm
Sobrecarga:valor máximo da potência na entrada do fotodetector
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Sistemas com Cadeias de Amplificadores Ópticos
• No estudo de sistemas com cadeias de amplificadores ópticos admite-se que quando o sistema não opera em saturação o ganho de cada amplificador compensa exactamente a atenuação do troço de fibra anterior.
• Cada amplificador óptico para além de amplificar o sinal também vai introduzir ruído, designado por ruído de emissão espontânea.
• Os amplificadores ópticos mais usados usam como elemento de amplificação um troço de fibra dopada com érbio e como fonte energética um laser.
Fonte óptica
Fibra ÓpticaReceptor
óptico
Amplificador ópticoPs(0)
Ps(1)
Ps(0)
Ps(1)
G GG
Laser bomba
Fibra dopada com érbio Isolador
Emite nos comprimentos de onda de 980 nm e 1480 nm
EDFA (Erbium DopedFiber Amplifier)
Os EDFAs normais só amplificam na banda C, enquanto os EDFAs de banda ulta-larga amplificam nas bandas C e L.
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Sistema WDM Ponto-a-Ponto
• Os elementos essenciais de um sistema de multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) são os multiplexadores (MUX), responsáveis por agregar vários canais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer e os desmultiplexadores (DMUX) que realizam a operação inversa.
• Sistemas DWDM ( Dense WDM) ponto-a-ponto comerciais de ponta (2007)
MUX EDFA
λ1 Sinal multiplex ⇒ λ1, λ2 ,λ3,..., λN
EDFA EDFA DMUX
Laser 1
Laser 2
Laser N
λ2
λN
Receptor Óptico 1
Receptor Óptico 2
Receptor Óptico N
λ1
λ2
λNFibra óptica monomodal
80 λs × 40 Gb/s 3.2Tb/sMarconi MHL 3000 CoreEricsson
80 λs × 10 Gb/s320 λs × 2.5 Gb/s
0.8 Tb/sOptical Long Haul 1600Nortel
64 λs × 40 Gb/s 128 λs × 10 Gb/s
2.56 Tb/s 1.28 Tb/s
1625 Lambda Extreme Transport
Alcatel-Lucent
192 λs × 10 Gb/s 1.9 Tb/sCoreStreamCiena
Número de λsCapacidadeEquipamentoFabricante
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Técnicas de Multiplexagem WDM
• A multiplexagem por divisão de comprimento de onda ou WDM (WavelengthDivision Multiplexing) pode ser efectuada recorrendo a dois métodos.
• Na multiplexagem selectiva usam-se dispositivos baseados nas grelhas difractoras ou AWG. A principal vantagem desta solução é que as perdas sãoindependentes do número de comprimentos de onda usados.
• Na multiplexagem não selectiva a separação dos canais é feita usando filtros ópticos. Neste caso as perdas dependem do número de λs.
Pλ1
Pλ2
PλΝ
α(Pλ1+ Pλ2+ .....+ PλΝ) α2 Pλ1
α2 Pλ2
α2 PλΝMultiplexador Desmultiplexador
Fibra Óptica
MUX
DMUX
Multiplexagem selectiva
Pλ1
Pλ2
PλΝ
(Pλ1+ Pλ2+ .....+ PλΝ)/Ν
Pλ1/Ν2
Pλ2/Ν2
PλΝ/Ν2
Combinador óptico
Derivadoróptico
Filtros ópticosselectores de canal
COM
DER
Multiplexagem não selectiva
α : perdas
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Multiplexagem Selectiva
• MUX/DEMUX baseados em grelhas difractoras
• MUX/DEMUX baseados em AWG (arrayed waveguide grating)
Fibras ópticas
λ1
λ2
λN
λ1+ λ2+.... λN
LenteGrelhas difractoras
Um sinal de luz policromático ao incidir numa grelha difractora é difractada e dirigida para diferentes pontos no espaço.
Todos os comprimentos de onda são focados no mesmo ponto focal e acoplados a uma fibra óptica.
MUX
DMUX
Acoplador em estrela
Acoplador em estrela
λ1 λ
2λ
3λ
4λ
5λ
1
λ2
λ3
λ4
λ5
Foram fabricados AWGs para 256 canais (comprimentos de onda), com um espaçamento entre canais de 0.2 nm (25 GHz), perdas de inserção de cerca de 5 dB e crosstalk< 33 dB.
Tran
smitâ
ncia
(dB
)
ff1
f2
f3
f4
f5
f2+FSR
crosstalk
0 Perdas
Desmultiplexagem
FreeSpectralRange
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Normalização dos Comprimentos de Onda
• A normalização dos comprimentos de onda a usar nas redes WDM é importante para garantir a interligação de equipamentos de diferentes fabricantes e permitir aos fabricantes a redução dos custos de fabrico.
• A normalização de comprimento de onda é feita pela norma G.692 do ITU-T e usa um espaçamento idêntico na frequência para essa normalização. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz (≈ 0.4 nm), com a frequência central nominal de 193.1 THz (1552.52 nm).
• Outro parâmetro importante é o desvio máximo da frequência nominal de canal. Este desvio não deve ser muito elevado, caso contrário contribui para aumentar o crosstalk e as perdas. Para Δf≥200 GHz o ITU-T especificou um desvio máximo de ±Δf/5.
frequência
193.1 THz
50 GHz50 GHz50 GHz
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Papel da Rede de Transporte Óptica
ADM1
ADM2
ADM3
ADM4
Rede de Serviços
Rede de Transporte SDH
(Rede IP)
Router A
Router B
Router C
OADMOXC
Rede de Transporte WDM
OADM
OADM
OADM OADMOADM
OADM
OTM
Router D
Router ERouter F
Caminho Óptico ( router D→router F)
OADM: multiplexador de inserção/extracção óptico
OTM: multiplexador óptico terminal
OXC: comutador de cruzamento óptico
Caminho Óptico (ADM1 →ADM3)
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Elementos de Rede Ópticos
• Os elementos de uma rede óptica incluem amplificadores ópticos (OA),multiplexadores ópticos terminais (OTM, optical terminal multiplexer),multiplexadores de inserção/extracção (OADM, optical add/drop multiplexers) e cruzadores ópticos (OXC, optical crossconnects).
• Esses elementos de rede estão interligados entre si através de fibras ópticas de acordo com determinada topologia física (anel, malha, etc.).
• Os OLTs multiplexam diferentes comprimentos de onda num fibra óptica e também desmultiplexam um sinal WDM nos comprimentos de onda individuais.
• Os OADMs são usados em pontos da rede em que é necessária terminal localmente uma certa fracção dos comprimentos de onda transmitidos. São usados nas redes em anel.
• Os OXCs são usados quando é necessário comutar comprimentos de onda de uma fibra, para outra fibra, como é o caso das redes em malha.
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Amplificadores Ópticos de Linha
• Os amplificadores ópticos de linha são colocados no meio das vias ópticas, a intervalos periódicos, tipicamente entre 80-120 km.
• Este amplificadores normalmente incluem dois blocos de amplificação EDFA, e um compensador de dispersão situado entre esses blocos. No caso dos amplificadores usados nas banda C e L, essas bandas são separadas na entrada e usam-se diferentes EDFAs para cada banda.
• O canal de supervisão óptica é extraído e terminado na entrada do amplificador e é adicionado na saída. Este canal é usado para controlar e monitorizar o desempenho dos amplificadores ópticos. É transportado num comprimento de onda diferente do usado para o tráfico.
Receptor Laser
λso
λ1, λ2,... λN
λsoCompensaçãode dispersão
EDFA EDFA
Terminação do canal de supervisão óptica
Adição do canal de supervisão óptica
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Multiplexador Óptico Terminal (OTM)
• O multiplexador óptico terminal é usado nas extremidades das ligações ponto-a-ponto para multiplexar e desmultiplexar diferentes comprimentos de onda. Inclui três elementos funcionais: transponder, multiplexador WDM e amplificador óptico.
• A adaptação realizada pelos transponder corresponde às seguintes funções:- Alteração dos comprimentos de onda, de modo a ter na saída λs ITU-T;- Adição de cabeçalhos para funções de gestão;- Adição de códigos FEC (forward error correction);- Monitorização do BER (bit error rate).
MUX EDFA
Laser
λsoAdição do canal de supervisão óptica
O/E/O
Multiplexador óptico terminal
O/E/OITU λ2
ITU λ3
Router IP
ADM SDH
ADM SDH
ITU λ1Não é ITU λ
Não é ITU λλ1, λ2 ,λ3, λso
Transponder
Função de adaptação
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Tipos de OADMs
• Num OADM o sinal WDM é desmultiplexado e os comprimentos de onda que requerem processamento local são extraídos e posteriormente inseridos. Os restantes comprimentos passam directamente do DMUX para o MUX.
• Os OADMs podem ser fixos ou reconfiguráveis. Nos primeiros o conjunto dos comprimentos de onda extraídos/inseridos é fixo, enquanto nos segundos pode ser alterado em resposta a mudanças nos padrões de tráfego.
λN
λ2λ2
λ1
DMUX
λ1
MUX
Inserção
λ1, λ2,.. λN λ1, λ2,.. λN
OADM fixo
λN
λ2
λ1
MUXλ1, λ2,.. λN
OADM reconfigurável
DMUX
Comutador ópticoTransponders (O/E/O) Transponders(O/E/O)
Extracção
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Estrutura de um ROADM
• Estrutura de um ROADM (Reconfigurable OADM)
WADD: wavelength add/drop device → Dispositivo usado para inserir/extrair lambdas
OA: Optical amplifier: amplificador óptico tipo EDFA.
Fonte: I. Kaminow et al., Optical FiberTelecommunications V. B, Fig. 8.2
Comprimento de onda expresso
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Configurações de OXCs
• A configuração de um OXC pode ser opaca ou transparente. Nas configurações opacas há conversões O/E ou E/O dentro do OXC,enquanto nas transparentes a configuração é totalmente óptica.
• Um OXC é constituído por vários OTMs, que realizem entre outras as funções de multiplexagem/desmultiplexagem, e por uma matriz de comutação. A matriz de comutação pode ser óptica ou eléctrica.
Matriz de comutação
óptica
λ1, λ2, λ3λ1
λ2
λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
OTM
OTM
OTM
OTM
OTM
OTM
Matriz de comutação
eléctrica
λ1, λ2, λ3λ1
λ2
λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ1 λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
OTM
OTM
OTM
OTM
OTM
OTM
OXC com comutação óptica OXC com comutação eléctrica
Conversão O/E Conversão E/OGera λs ITU- não usa transponders
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Exemplo de Comutadores Ópticos (MEMS)
• Comutadores basedos em sistemas micro-electro-mecânicosOs sistemas micro-electro-mecânicos ou MEMS (micro-electro-mechanical systems) são dispositivos mecânicos em miniatura fabricados usando substratos de silício. Os comutadores MEMS consistem em espelhos miniatura movíveis com dimensões da ordem das centenas de micrómetro.
• A estrutura mais simples é a do espelho 2D . Num estado o espelho está paralelo com o substrato não deflectindo o feixe de luz. No outro estado o espelho move-se para uma posição vertical e o feixe de luz é deflectido. Noutra estrutura o espelho pode rodar em torno de dois eixos de modo contínuo. Designa-se por espelho 3D. O tempo de comutação de um estado para outro é de cerca de 10 ms em ambas as estruturas.
Conjunto de micro-espelhos movíveis desenvolvidos num substrato de silício (Lucent)
Os micro-espelhos são deflectidos de uma posição para outra usando técnicas electromagnéticas, electro-ópticas ou piezoeléctricas.
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Comutadores Ópticos com MEMS
• Comutadores com espelhos 2D
• Comutadores com espelhos 3D
O comutador baseado em espelhos 2D usa uma arquitectura barra-cruzada. Na configuração com fibras ópticas nas entradas e nas saídas é necessário colimar os feixes na saída e na entrada das fibras para reduzir a sua divergência.
A dimensão máxima dos comutadores deste tipo que é possível fabricar num único substrato está limitada a dimensões entre 32x32 a 64x64.
Um espelho 3D permite implementar um comutador 1xN. Na figura ao lado representa-se um comutador 1152x1152 (Xros) baseado numa arquitectura de Spanke, e fazendo uso de duas matrizes de espelhos 3D cada uma com 1152 espelhos.
Fibras de entrada
Fibras de saída
Matriz de espelhos
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Transparência das Redes Ópticas
• Uma das grandes vantagens da redes ópticas é ser transparente aos serviços. O utilizador pode enviar informação digital a qualquer débito (dentro de certos limites), usando qualquer formato, ou qualquer tipo de protocolo. Pode também transmitir informação analógica.
• Associada à transparência está o conceito de rede totalmente óptica. Nesta rede a informação é transmitida da fonte para o destino num formato óptico, sem qualquer conversão O/E, ou E/O dentro da rede. Estas redes designam-se por totalmente transparentes.
• Estas rede totalmente transparentes não usam regeneração e por isso comportam-se como rede analógicas onde os factores degradadores (ruído, distorção, interferência, etc )são acumulados, o que limita a sua extensão. Enquanto não for possível dispor de regeneradores ópticos será de esperar a existência de alguma conversão opto-electrónica dentro das redes.
OADM
OADM
OADM
OADM OADMOADM
OADM
Processamento opto-electrónico (regeneração)
OXC
Cliente da rede ópticaCliente da
rede óptica
Sub-rede óptica totalmente transparente
Sub-rede óptica totalmente transparente
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Elemento de Rede SDH-NG+WDM
• Multiservice Transport Platform (MSTP)
• Um MSTP resulta da adição a um MSPP de funções de inserção extracção no domínio óptico.
• Permite o provisionamento de comprimentos de onda extremo-a extremo ao longo de uma rede, evitando o uso de transponders para para funções de conversão O-E-O.
• Tipicamente é usado nas redes de núcleo e metro.
Digital Video BroadcastingStorage Area Networks(Fiber Channel, ESCON, etc.)
Virtual Private Networks
Fonte: José M. Caballero“Migration to next generationSDH,” Trend Communications
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Rede de Transporte Óptica
• A rede de transporte óptica ou OTN (Optical Transport Network) foi fruto de normalização recente do ITU-T (G.709, G.872, G.959) tendo como alvo o transporte a longa distância com débitos binários desde 2.5 Gb/s até 40 Gb/s.
• A OTN define uma hierarquia de transporte óptica ou OTH (Optical TransportHierarchy), conceptualmente algo similar à SDH. A OTH é estruturada em duas etapas, sendo a primeira etapa realizada no domínio eléctrico e a segunda nodomínio óptico.
• A primeira etapa consiste no mapeamento dos sinais dos tributários numa trama de comprimento fixo e na adição de cabeçalhos apropriados,conduzindo à formação da entidade OTU-k (Optical Channel Transport Unit). O valor de k está associado ao débito binário (OTU-1:≈2. 67 Gb/s; OTU-2: ≈ 10.7 Gb/s e OTU-3: ≈ 43 Gb/s).
• A segunda etapa consiste na formação dos canais ópticos, na multiplexagem WDM e na introdução dos cabeçalhos apropriados e conduz à formação da entidade OTM-n.m (Optical Transport Module), (n: número de canais ópticos e m=0, para canais com débito misto e m=1, 2 ou 3, para k=1, 2 ou 3).
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Estrutura de Camadas da OTH
• A estrutura de camadas da OTH está representada na figura seguinte.
Unidade de carga do canal óptico ou OPU-k
Unidade de dados do canal óptico ou ODU-k
Unidade transporte do canal óptico ou OTU-k
Clientes (SDH, ATM, IP, Ethernet)
Canal óptico ou OCh
Secção de multiplexagem óptica ou OMS-n
Secção de transmissão óptica ou OTS-n
OTM-n.m
Domínio eléctrico
Domínio óptico
OPU Carga do
cliente
ODU
OTUFEC
Adição de cabeçalhos das diferentes camadas no domínio eléctrico
Os cabeçalhos das camadas ópticas são enviados em modo não associado no canal de supervisão óptica
O sinal proveniente dos clientes é mapeado na camada OPU (optical channel payload unit). Esta camada adiciona octetos sem informação para adaptar os débitos e introduz o seu cabeçalho. A OPU é convertida em seguida na ODU (optical channel data unit) através da adição do correspondente cabeçalho. A fase seguinte consiste na conversão da ODU na OTU (optical channel transportunit) através da adição do cabeçalho e do campo FEC (forward error correction). Cada OTU vai modular uma fonte óptica. O sinal óptico obtido juntamente com um cabeçalho apropriado corresponde à entidade OCh (optical channel). A camada OMS (opticalmultiplex section) é responsável pela multiplexagem WDM e pela adição do seu cabeçalho.
(Envoltório digital)
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Papel das Camadas Ópticas da OTH
• As camadas ópticas da OTH são: camada de canal óptico (OCh, opticalchannel), camada de secção de multiplexagem óptica (OMS, opticalmultiplex section) e camada de secção de transmissão óptica (OTS, optical transmission section) .
• Funcionalidades das camadas:Camada de canal óptico:Acomodação de dispersão por canal, identificação de canal, comutação de protecção de canal.Camada de secção de multiplexagem óptica:Multiplexagem óptica, atribuição de comprimento de onda, identificação do comprimento de onda, comutação de protecção de multiplexagem, conversão de comprimento de onda.Camada de secção de transmissão óptica:Amplificação óptica, compensação de dispersão através dos amplificadores de linha.
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Definição das Camadas Ópticas
• O canal óptico (OCh) corresponde a uma ligação extremo a extremo numa rede totalmente óptica, também designada por caminho óptico. Cada via entre um OTM e um OADM (ou OXC) corresponde à secção de multiplexagem óptica (OMS). Cada via OMS é constituída por vários segmentos (OTS), sendo cada segmento delimitado por um estágio de amplificação.
S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão
Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem
Canal óptico (OCh)
Amplificador de linhaOTM
OXCTransponder
OXCTransponder
OADM OADM
AL
AL
OTM S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão
Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem
Canal óptico (OCh)
Caminho Óptico
Caminho Óptico (usa dois λs)
λ1 λ2
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Equipamento versus Camadas Ópticas
• Exemplo da relação entre algumas funções das camadas ópticas e oequipamento terminal WDM.
• Função dos cabeçalhos:OCh: Fixação da potência emitida e monitorização da recebida, alarmes (perda de sinal).OMS: Monitorização e configuração de equipamento( nível de sinal, frequência dos canais demux, selecção dos canais inseridos/extraídos, etc.), alarmes, informação de protecção.OTS: Identificação do amplificador, controlo do amplificador (ganho, potência da bomba), controlo da compensação de dispersão e dos comutadores de protecção, alarmes,etc.
Multiplexer WDM
Laser (OSC)
Laser Laser
PilotoIdentificação
de canal
Potência do canal
Atribuição de λ
Cabeçalho de OMS
Cabeçalho de OTS
OCh
OMS
OTS Amplificador
Controlo do ganho
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Subdivisão da Camada de Canal Óptico
• O canal óptico (OCh) por sua vez é subdividido em várias sub-camadas no domínio eléctrico: unidade de carga (OPU), unidade de dados (ODU ) e unidade de transporte (OTU).
OXC
Caminho
OADMOTMOTMOTM
OTU OTU OTU
OPU/ODU
Transponders/regeneradores
Unidade de carga (OPU) (Optical Channel Payload Unit )
Adapta o débito binário do sinal do tributário ao débito bináriodesta estrutura ( OPU-1: ≈ 2.488 Gb/s, OPU-2: ≈ 9.995 Gb/s, OPU-3: ≈ 40.15 Gb/s) através da introdução de octetos sem informação e da realização de justificação positiva/negativa.
Unidade de dados (ODU) (Optical Channel Data Unit)
Tal como o OPU é criado quando o sinal do tributário entra na rede óptica e mantém-se intacto ao longo da rede. É comparável aos contentores virtuais da SDH.
Unidade de transporte (OTU) (Optical Channel Transport Unit)
Esta unidade é terminada/ criada em cada ponto de regeneração. É responsável por processar o código FEC.
OTMOTM
OTM
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Estrutura da Trama da OTU-k
• Numa representação bidireccional a trama da entidade OTU-k está estruturada em 4080 colunas e 4 linhas e contem os seguintes blocos: capacidade transportada, cabeçalhos de OPU, ODU e OTU e campo de FEC (Forward ErrorCorrection), este último usado para detecção e correcção de erros.
Estrutura da trama OTU-kOTU:- Enquadramento de trama (6 octetos) - Enquadramento de multitrama (1 octeto) - Monitorização de desempenho (3 octetos- Canal de comunicação de dados (2 octetos) - 2 octetos reservados.
ODU:- Monitorização de um canal em ligações em cascata - Supervisão extremo a extremo - Canal de comunicação de dados - Protecção de canal.
OPU:- Etiqueta de sinal (identifica a capacidade transportada) - Octetos para funções de justificação - Octetos reservados
OTU
Capacidade transportada
Campo
FEC
FEC Reed-Solomon Code RS (255, 238)
BER=10-4 s/FEC BER=2×10-13 c/FEC
ODU
Cab
eçal
ho d
e O
PU
1
2
3
4
1 1415-16 3824 4080 octetos
Duração das tramas (OTU-k): k=1 ⇒48.971 μs; k=2 ⇒12.191 μs; k=3 ⇒3.035 μs
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Estrutura dos Cabeçalhos
• A estrutura dos cabeçalhos de ODU e OTU é a seguinte:
• No cabeçalho da OTU a função dos diferentes campos é a seguinte:
• No campo da ODU a função dos diferentes campos é a seguinte:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
PET PEM SM GCC Res
RES TCM TCM6 TCM5 TCM4
TCM3 TCM2 TCM1
FTTL
PM
GCC1 GCC2 APS RES
RES
OTU
ODU
PET- padrão de enquadramento de trama: conjunto de octetos usados para sincronizar a trama; PEM-padrão de enquadramento de multitrama: sincronizar a multitrama em que alguns sinais (ex: traço) estão estruturados;SM: monitorização de secção: inclui identificador de traço, BIP-8, BDI (backward defect indication), BEI (backward error indication, etc; GCC (General Communication Channels): canais usados para transportar informação de gestão, equivalente aos canais DCC da SDH. RES- reservado.
TCM (Tandem Connection Monitoring)- monitorização das ligações em cascata com seis níveis de monitorização: cada campo inclui um identificador de traço, BIP-8, BDI e BFI;PM (Path Monitoring) – monitorização extremo-a-extremo: inclui indicador de traço, BIP-8, BDI e BEI;APS (Automatic Protection Switching) – funções de protecção similares às da SDH; FTTL( Fault Type, Fault Location) – identificação do tipo de falha e da sua localização.
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Monitorização das Ligações em Cascata
• A funcionalidade de TCM (Tandem Connection Monitoring) permite a um operador monitorizar a qualidade de uma ligação que se inicia e termina na sua rede, mas atravessa a rede de outros operadores.
• O operador A deve ter capacidade de monitorizar a qualidade do sinal que passa na rede do operador B. Em presença de uma falha na ligação, com utilização de monitorização das ligações em cascata é possível identificar facilmente a sua localização.
Operador A Operador B Operador A
Utilizador Utilizador
TCM1 – Monitorização de QoS a nível do utilizador
TCM2 – Monitorização de QoS a nível do operador
TCM3 – Monitorização dos vários domínios de interligação
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Códigos FEC• Os códigos FEC usados na OTN são os códigos de Reed-Solomon. Estes códigos fazem
partem dos códigos de blocos cíclicos e lineares usados para detectar e corrigir erros. Estes códigos partem de k símbolos de informação e geram n símbolos, introduzindo r=n-k símbolos redundantes - RS(n,k). Admitindo que um símbolo tem m bits, tem-se que n=2m-1. Estes códigos têm capacidade para corrigir r/2 símbolos errados. Para as aplicações nas redes ópticas tem-se, habitualmente, m=8, n=255 e r=16 o que conduz ao código RS(255,239).
• Os códigos RS(255, 239) apresentam ganhos de codificação da ordem dos 6 dB, o que permite reduzir significativamente o valor do BER (Ex: 10-4 s/FEC e 2x10-13 c/FEC).
• Para feitos de processamento do FEC cada linha da OTU é sub-dividida em 16 sub-linhas (3824/16=239) usando interposição de byte. Cada codificador FEC processa uma desta sub-linhas gerando 16 octetos redundantes. Os octetos redundantes das 16 sub-linhas são multiplexados, originando os 256 octetos que são colocados no fim do campo OTU.
Para exemplificar o funcionamento de um código de blocos considere-se um código de Hamming (7,4), Este código parte de símbolos com 4 bits e gera palavras de código com 7 bits. Ex:
Número do bloco 0 1 2 3 4 5 6 7 Sequências de entrada 0000 1000 0100 1100 0010 1010 0110 1110 Sequências de saída 000+0000 110+1000 011+0100 101+1100 111+0010 001+1010 100+0110 010+1110
O número de bits diferentes entre duas palavras do código designa-se por distância de Hamming p. No caso anterior p=3. Este código permite detectar até p-1 erros e corrigir até (p-1)/2 erros
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Transmissão de Cabeçalhos das Camadas Ópticas
• Os cabeçalhos associados às diferentes camadas ópticas são transmitidos no canal de supervisão óptica (OSC, optical supervisory channel), normalizado pelo ITU-T para ser transmitido no comprimento de onda de 1510 nm.
• Cada caminho óptico é caracterizado pelo seu identificador de canal óptico, o qual permite identificar, verificar a integridade e gerir a conectividade desse caminho.
• Para transmitir o identificador de canal óptico, adiciona-se uma sub-portadora, designado por piloto, ao sinal que modula o laser. Esse piloto tem uma frequência, normalmente na banda entre 1 e 2 MHz. O piloto pode ser também usado para monitorizar a potência.
• Cada caminho óptico pode ser caracterizado por um piloto com frequência única, a qual funciona como identificador de canal. Pode-se ainda ter uma frequência piloto por cada comprimento de onda, sendo o identificador de canal um sinal digital que modula o piloto.
OXC
Transponder
AL OADM
Inserção do piloto
Monitorização do piloto
Monitorização do piloto
Terminação do piloto
OSC OSC OSC
O canal de supervisão óptica é extraído, processado e inserido em todos os elementos de rede
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Aspectos de Gestão
• Os diferentes elementos a gerir (amplificadores ópticos, OTMs, OADMs e OXCs) designam-se por elementos de rede (NE). Cada elemento de rede é gerido pelo seu sistema de gestão de elemento ou EMS (element management system). A informação de gestão é processada em cada NE, pelo agente (software implementado num microprocessador), o qual comunica com o EMS. Um EMS pode gerir um ou mais elementos de rede.
• A comunicação do EMS com os elementos de rede é feita através da rede de comunicação de dados ou DCN (data communication network). O DCN pode ser transmitido pelo canal de supervisão óptica. Os diferentes EMS comunicam com o sistema de gestão de rede, através da rede de gestão ( rede IP).
OXCOADM OADMAL
OTM
Rede de comunicação de dados Rede de comunicação de dados
Sistema de gestão de elemento Sistema de gestão
de elementoSistema de gestão
de rede
Tem uma visão completa da rede, permitindo estabelecer caminhos ópticos
OSC OSC
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Protecção e Restauro Ópticos
• A protecção óptica pode ser linear ou de anel. Qualquer uma destas protecções pode ser dedicada (1+1), ou partilhada (1:1).
• A protecção linear é aplicada em ligações ponto-a-ponto. Essa protecção pode ser realizada a nível de canal óptico (protecção OCh), ou a nível de secção de multiplexagem óptica (protecção OMS). A protecção OCh protege os canais ópticos (comprimentos de onda) individualmente, enquanto a protecção OMS protege o sinal WDM.
• A protecção de anel aplica-se a topologias físicas em anel e também pode ser realizada a nível OCh, ou OMS. Os anéis podem usar duas ou quatro fibras como no caso da protecção a nível da SDH.
• O restauro óptico aplica-se a redes com uma topologia física em malha e consiste em encontrar caminhos ópticos alternativos aos caminhos com falhas, sendo a operação coordenada pelo centro de gestão de rede.