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VIII SRST – SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES – INATEL ISSN 2358-1913 SETEMBRO DE 2018

Conceitos e Aplicações das Redes NGPON Mike de Brito Canal1, André Luis da Rocha Abbade2

Abstract — this article presents the description of Passive Optical Network (PON), specially focused on NGPON (Next Generation Passive Optical Network). It also describes the advantages, concepts and application of NGPON. Index Terms — PON, OLT, ONT, NGPON, FTTX Resumo — Esse artigo apresenta a descrição das Redes Óticas Passivas (PON), especialmente focado em NGPON (Next Generation Passive Optical Network). Ainda descreve as vantagens, conceitos e aplicação do NGPON. Palavras chave — PON, OLT, ONT, NGPON, FTTX

II.REDES PON As redes PON são caracterizadas por somente possuir elementos passivos em sua construção. A arquitetura básica de uma rede PON consiste em um equipamento concentrador chamado de OLT (Optical Line Termination), que é instalado no escritório central (CO – Central Office) e se conecta até o cliente que utiliza um equipamento chamado ONT (Optical Network Termination), passando por um divisor ótico passivo (splitter), como apresentado na Figura 1.

I. INTRODUÇÃO As redes de Telecomunicação estão sempre em evolução devido a incessante necessidade de ampliação de banda, gerada principalmente pelo streaming de dados e aplicações multimídia. Essa tendência tem como consequência o interesse em instalar e operar redes com maior relação custo eficiência e com altas capacidades de escalonamento. A solução ideal é a entrega de redes de acesso com o chamado bundle de voz, dados e serviços de vídeo em uma única rede para o cliente final. Existem várias alternativas para a entrega como VDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line), redes de TV a cabo e mais recentemente as redes PON (Passive Optical Network). As redes PON compartilham a fibra ótica com a utilização de splitters óticos que dividem a conexão singular da fibra desde a rede de distribuição até o cliente final. O nome desse tipo de rede deriva exatamente do fato de não haver eletrônicos na rede de acesso, somente utilizando elementos que não fazem consumo de energia elétrica. A rede GPON é a mais difundida no momento em termos de redes instaladas, porém o aumento de tráfego e a necessidade de maior banda de upstream (transmissão de dados do usuário para a central) e downstream (transmissão de dados da central para o usuário) pelos usuários finais gerou a necessidade de evolução do GPON. As redes NGPON são essa evolução natural, sendo o XG-PON1 com capacidade de 10Gbit/s de downstream e 2,5Gbit/s de upstream o padrão a ser utilizado, e a sua evolução o XG-PON2 com 10Gbit/s de taxa nominal de upstream e downstream. O futuro dessa tecnologia prevê taxas de transmissão de dados ainda maiores, como o NGPON2 com até 40 Gbit/s. [1] Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. André Luis da Rocha Abbade. Trabalho aprovado em 07/2018.

Figura 1 – Arquitetura PON. [2]

A.

Arquitetura As principais arquiteturas das redes PON são a Ponto-aPonto e a Ponto-Multiponto. Na configuração Ponto-a-Ponto são utilizadas fibras dedicadas que conectam a OLT diretamente à ONT. A conexão Ponto-Multiponto compartilha a mesma fibra entre vários usuários para conexão até a OLT. A Figura 2 ilustra como são essas arquiteturas.

Figura 2 – Arquitetura PON. [3]

B.

Topologia Em termos de Topologia podemos considerar 3 principais tipos de conexão: - Topologia em Árvore: mais utilizada nas redes GPON, uma única fibra sai da OLT e é conectada a um splitter e podemos atender a vários ONT/ONU (Optical Network Unit), como mostra a Figura 3.

Figura 6 – Splitter Ótico. [5]

IV.TÉCNICAS DE ACESSO PON Figura 3 – Topologia em Árvore. [4]

- Topologia em Anel: utilizada em redes metropolitanas, oferece alta disponibilidade de serviço devido à redundância de fibra, como mostrado na Figura 4.

Figura 4 – Topologia em Anel. [4]

- Topologia em Barramento: trata-se da opção menos vantajosa em termos de complexidade e operação, pois cada ONU/ONT possui um acoplador e retira somente parte do sinal transmitido, como apresentado na Figura 5.

O processo de comunicação de dados entre a OLT e a ONT é feita em broadcast, ou seja, todos os dados de todos os usuários finais são enviados para todos. Para que haja segurança na informação, além de proteger usuários e garantir velocidade de processamento a todas as ONTs, é implementada multiplexação na rede PON seguindo os seguintes padrões: - TDM PON (Time Division Multiplexing PON – Multiplexação por Divisão de Tempo PON). Neste padrão, na transmissão de dados downstream, a OLT transmite todos os dados em um único comprimento de onda e define um padrão de criptografia para os pacotes de cada ONT, ou seja, apesar de todos receberem todo o tráfego de dados, as informações específicas de cada usuário são criptografadas e enviadas nos pacotes definidos pela OLT para cada cliente, e somente a ONT destino consegue descriptografar, como mostra a Figura 7, onde cada pacote tem uma cor e cada cor só é descriptografada pela ONT correspondente.

Figura 5 – Topologia em Barramento. [4]

III.COMPONENTES DA REDE PON Podemos considerar a rede PON dividida em 3 elementos: OLT, ONU ou ONT e Splitter. A. OLT Equipamento central da operadora, controla o fluxo bidirecional das informações, multiplexa os dados de diversos clientes, faz a distribuição de dados para as ONU/ONT.

Figura 7 – TDM PON. [6]

- WDM PON (Wavelength Division Multiplexing PON – Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda PON). Neste padrão, a OLT transmite vários comprimentos de onda diferentes e no lugar em que ficava o splitter, agora é instalado um Passive Remote Node, que também é um componente passivo, mas que agora, ao invés de apenas fazer uma divisão de potência, ele redireciona cada comprimento de onda para uma saída diferente, como mostra a Figura 8.

B. ONU ou ONT Equipamento ativo situado nas premissas do cliente final da operadora concentra o tráfego de dados para upstream e downstream e converte o sinal entre elétrico e ótico para a OLT e para o cliente (computador, telefone, roteador...). C. Splitter Equipamento passivo da rede PON, fica localizado entre as OLT e ONT/ONU e possui a função de dividir o sinal downstream da OLT em vários outros sinais. Funciona como um divisor de potência, possuindo uma entrada de sinal e múltiplas saídas. Os splitter podem ser 1:2, 1:8, 1:16, 1:32 ou 1:64. A Figura 6 mostra um modelo de Splitter.

Figura 8 – WDM PON. [7]

V.EVOLUÇÃO DAS REDES PON APON (ATM PON – Asyncronous Transfer Mode Passive Optical Network) foi a primeira tecnologia passiva ótica a aparecer, definida pela ITU-T, norma G.983. Tinha por objetivo atender redes corporativa com 155Mbit/s de upstream e 622 Mbit/s de downstream. [8] BPON (Broadband Passive Optical Network) foi a evolução do APON, permitindo a implementação de WDM e alocação dinâmica de banda para upstream. A distribuição dos serviços era baseada em ATM. Cabe ressaltar que o WDM aqui era apenas para permitir a transmissão e recepção do sinal por uma única fibra, ou seja, um comprimento de onda para downstream e um para upstream. GPON (Gigabit Passive Optical Network) é a evolução do BPON, definida pela norma G.984 da ITU-T. Essa tecnologia permite operar com taxas de 1,25 Gbit/s e 2,5Gbit/s na direção downstream e 155Mbit/s, 622 Mbit/s, 1,25 Gbit/s e 2,5 Gbit/s na direção upstream. O alcance físico do GPON é de até 20 Km. O GPON suporta dois métodos de encapsulamento: ATM e GEM (GPON Encapsulation Method). O uso do GEM permite um empacotamento muito eficaz do tráfego do utilizador, pois faz segmentação dos frames para permitir maior qualidade de serviço (QoS – Quality of Service) para tráfego sensível a atrasos (voz e vídeo). A segurança no GPON pode ser implementada através de várias técnicas de encriptação, entre elas AES (Advanced Encryption Standard). A Figura 9 mostra um exemplo de rede GPON com vários usuários conectados através de fibra ótica a OLT, bem como mostra a utilização do splitter para a divisão do sinal entre as ONT.

Figura 10 – Evolução PON. [10]

Podemos comparar as tecnologias até o momento basicamente pelas taxas de transmissão de upstream e downstream, considerando a norma que definiu cada uma delas, como mostra a Tabela 1. TABELA I COMPARAÇÃO DAS REDES PON. [11] Características Padrões Capacidade de Transmissão Protocolo Comprimeto de Onda Downstream Comprimeto de Onda Upstream Largura de Banda Média por Usuário

APON/BPON ITU-T G.983 155/622 Mbit/s ATM 1490 nm e 1550 nm 1310 nm 20 Mbit/s

GPON ITU-T G.984 2,5 Gbit/s ATM/Ethernet 1490 nm e 1550 nm 1310 nm 20 Mbit/s

EPON IEEE 802.3ah 1 Gbit/s Ethernet 1490 nm a 1510 nm 1310 nm 60 Mbit/s e 30 Mbit/s

G-EPON IEEE 802.3ah 1 Gbit/s Ethernet 1490 nm 1310 nm 80 Mbit/s

NGPON (Next Generation Passive Optical Network) é a evolução da rede GPON e possui algumas variantes, entre elas XG-PON1, XG-PON2 com diferenciação entre si da taxa de transmissão, onde XG-PON1 possui taxas de upstream de 2,5 Gbit/s a 10Gbit/s, e o XG-PON2 opera com taxa nominal de 10Gbit/s. A evolução se dá dentro da própria rede GPON existente e usuários das novas tecnologias convivem com os usuários da antiga tecnologia sem impactos. A evolução do XG-PON permite vários tipos diferentes de aplicação definidas pela ITU-T como FTTx. VI. PRINCIPAIS APLICAÇÕES (FTTX) A sigla FTTx significa Fiber To The X, na qual X representa o tipo de arquitetura utilizada.

Figura 9 – GPON. [9]

A evolução dos padrões é constante, assim como o aumento das taxas de transmissão de dados. Dessa forma vários novos padrões e ideias começaram a surgir e se desenvolver, como mostrado na Figura 10. Podemos observar na Figura a evolução desde 2004 com o GPON, e também através dos anos até uma previsão sobre o FOAS (Future Optical Access System) em 2021. Cabe ressaltar a previsão de que a partir de 2021 tecnologias disruptivas são previstas para atender as necessidades da rede.

A. FTTA (Fiber To The Apartment) Neste modelo a rede ótica termina em um edifício, o qual pode ser comercial ou residencial, e chega em uma sala de equipamentos, ou mesmo no shaft do prédio. A partir deste ponto o sinal pode ser dividido através de divisores ópticos (splitters), sendo encaminhado aos apartamentos ou salas comerciais. B. FTTB (Fiber To The Building) Neste modelo a rede ótica termina em um prédio, podendo este ser comercial ou residencial. O encaminhamento interno, do ponto de chegada, na entrada do edifício, até o assinante, geralmente é feito utilizando-se uma rede de cabeamento estruturado.

C. FTTC (Fiber To The Curb) Neste modelo a rede é formada por unidades remotas, as quais atendem um número reduzido de assinantes. A fibra é levada até armários e a partir destes armários utilizam-se cabos de par metálico até os assinantes com uma distância máxima de 300 metros para evitar degradação do sinal.

PON2 são conectadas através de um Wavelength Multiplexer (WM) para a possibilidade da coexistência das tecnologias.

D. FTTD (Fiber To The Desk) Este modelo é utilizado quando a oferta de banda de transmissão necessita de capacidade adicional à das ofertadas nas redes locais. É um modelo que proporciona o uso de banda larga para transmissão de dados, voz e imagem, sendo usado principalmente para atendimento às redes de clientes corporativos. E. FTTH (Fiber To The Home) Neste modelo a rede drop termina na casa do assinante. A realização da transição do sinal geralmente é feita com a utilização de DIOs (Distribuidores Internos Ópticos) ou FOBs (Bloqueios Ópticos). Uma vez realizada a transição, a condução do sinal até o receptor óptico do assinante é feita utilizando-se extensão ótica ou cordão óptico. F. FTTN (Fiber To The Node) Neste modelo as fibras óticas são levadas diretamente da central telefônica até um armário de distribuição localizado na rua. Depois deste ponto o sinal passa por uma transformação, de óptico para elétrico, e é distribuído até os pontos de atendimento através de cabos metálicos. G. FTTO (Fiber To The Office) Neste modelo as fibras óticas são distribuídas dentro de um edifício até o endereço de cada ponto comercial, sendo bastante semelhante ao FTTA. A Figura 11 apresenta alguns destes modelos como exemplo.

Figura 12 – Coexistência NGPON e sistemas legados. [13]

As redes NGPON2 suportarão TWDM (Time and Wavelength Divison Multiplexing), ou seja, será possível suportar vários pares de comprimentos de onda com a utilização de 4, 8 ou mais canais (portadoras óticas). Será necessário 1 canal para downstream e outro para upstream, que podem ser configurados de várias maneiras, inclusive sem a necessidade de que todos os pares estejam ativos. A Figura 13 ilustra a topologia básica para uma rede NGPON2. Pode-se verificar que são transmitidos vários pares de comprimentos de onda λx / λx’; os RN (Remote Node) mais claros utilizam splitters para dividir o par de comprimentos de onda para vários assinantes, já os RN mais escuros entregam um comprimento de onda para cada usuário.

Figura 13 – Rede NGPON2. [14] Figura 11 – FTTX. [12]

VII.NGPON2 Os sistemas GPON, XG-PON e 1G-PON já vem sendo amplamente usados no mercado, porém a crescente demanda de dados exige a ampliação das bandas desses padrões. O NGPON2 está em padronização para uma largura de banda maior que as redes existentes, mas ao mesmo tempo permitindo a coexistência dos padrões em termos de fibra e comprimento de onda. Pode-se observar na Figura 12 diferentes tipos de OLT (NG-PON2 OLT, GPON OLT, XGPON OLT) e as NG-

A migração das redes que podem ser chamadas de NGPON1 (GPON, 1G-EPON, 10G-PON) para NGPON2 basicamente é uma ampliação de banda com redução de custos de implementação. As redes NGPON2 precisam ser capazes de proteger o investimento feito com as redes PON e garantir uma migração transparente para o cliente final. A coexistência das redes precisa ser garantida para essa finalidade. A Figura 14 apresenta como será a evolução das redes PON para NGPON, desde a coexistências das redes GPON e EPON, através da evolução XG-PON1 e 10GE-PON, até uma evolução e congruência ao NG-PON2.

- PHY (Physical Adaptation Sublayer) – descreve as propriedades do meio físico para transmissão do sinal ótico, faz correção de erros por técnicas específicas, pode alterar as modulações para garantir melhor detecção e sensibilidade do sinal. A camada TWDM TC é bidirecional entre a OLT e a ONU. O downstream é realizado por um fluxo continuo de bits dividido em frames de 125 µs, entre a camada TDWM TC e o PMD (Physical Medium Dependent). O upstream entre essas camadas é uma sequência de rajadas temporizadas. A Figura 15 mostra a estrutura com as subcamadas dentro do Layer de TWDM TC. Figura 14 – Evolução Redes PON. [15]

VIII.OUTRAS EVOLUÇÕES PON Optical Code-Division Multiple Access (OCDMA) é outro tipo de abordagem tentada para NGPON2 utilizando topologia em árvore com splitter e nós remotos. A vantagem do OCDMA é a criação de links virtuais ponto-a-ponto com altas taxas de transferência de dados. Utilizando essa tecnologia, cada ONU precisa ter um codificador e decodificador ótico único, enquanto a OLT possui todos os pares de codificadores e decodificadores para comunicação com cada ONU. O problema com o OCDMA é a quantidade de ruído e interferência devido ao múltiplo acesso. Isso ocorre quando usuários coexistem nos canais, e causam interferência entre si. Com o acréscimo de número de usuários simultâneos a tendência é que esse problema se agrave. Para evitar esse problema, pode ser necessária a aplicação de códigos óticos para controle e gerenciamento dos canais para que seja possível atingir taxas maiores. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDMA PON) é outra abordagem de NGPON2, e se baseia na tecnologia de OFDM surgida na década de 60 de divisão ortogonal na frequência. O conceito de OFDM é utilizar múltiplas portadoras de baixa taxa combinadas para a transmissão de forma paralela. Basicamente cada transmissão é dividida em múltiplos sinais com menor ocupação de espectro. Os sinais são espaçados de forma que cada portadora coincide com o nulo dos outros sinais e com isso é atingido uma alta taxa de transmissão, e baixa interferência. IX.CAMADAS TWDM-NG-PON2 O sistema NG-PON2 pode conter um conjunto de canais TWDM, ou um conjunto de canais WDM ponto-a-ponto, ou ainda as duas tecnologias ao mesmo tempo. Essas camadas podem suportar taxas de downstream e upstream variando entre 2.48 Gbit/s até 9.95 Gbit/s. A camada TWDM TC (Transmission Convergence) faz parte da pilha de protocolos do TWDM PON que define os formatos e procedimentos entre as camadas superiores SDU (Service Data Units) e a modulaçãodo fluxo de bits. A estrutura é formada por 3 subcamadas: - Service Adaptaion Sublayer – SAS – responsável pelo encapsulamento, delineamento das camadas SDU (Service Data Unit) e multiplexação. - Framing Sublayer – FS – responsável por criar e gerenciar os campos necessários no controle de fluxo de dados.

A. TWDM-TC Service Adaptation Sublayer (SAS) Essa subcamada é responsável pelo encapsulamento, multiplexação e delineamento da camada do SDU. No transmissor recebe o SDU do cliente, os quadros de dados e os quadros OMCI (ONU Management and Control Interface). Atribui XGEM Port-Id para a SDU ou fragmenta a SDU e encapsula o XGEM para formar o quadro XGEM. O conjunto de quadros XGEM é o payload do quadro FS no downstream ou uma rajada de FS no upstream.

Figura 15 – Camadas do TWDM TC [16]

No receptor os XGEM são filtrados de acordo com o Port-Id, os fragmentos de SDU são recuperados e enviados aos devidos clientes. O XGEM Engine, responsável pela multiplexação e filtragem do XGEM Port-Id , assim como pela adaptação dos dados do usuário e do OMCI, também pode separar logicamente os quadros de dados de usuário e as mensagens OMCI que são os tipos de SDU, como apresentado na Figura 16.

Figura 16 – Service Adaptation Sublayer. [16]

B. TWDM-TC Framing Sublayer (FS) Responsável pela análise e construção dos cabeçalhos que possuem todas as informações necessárias para o gerenciamento das redes PON. No transmissor recebe os quadros XGEM que possuem o payload, vindos diretamente da camada de Service Adaptation Layer, constrói os quadros FS de downstream ou as rajadas do upstream. Para isso insere os quadros OAM (Operation Administration and Maintenance) e PLOAM (Physical Layer OAM) no cabeçalho. No receptor recebe os quadros FS, analisa os cabeçalhos, recupera as informações de gerenciamento e fluxo de mensagens. As mensagens do PLOAM são encaminhadas ao PLOAM Processor, o payload é encaminhado ao Service Adaptation Sublayer, a parte de alocação de banda é processada dentro do Framing Sublayer e isso permite controle parcial sobre a PHY (Physical Adaptation Sublayer) Layer. O restante das informações é encaminhado para outros responsáveis que ficam fora da camada de Framing, como mostra a Figura 17.

dois tipos de transporte disponível: dentro da banda ou utilizando o canal auxiliar de gerenciamento e controle (AMCC – Auxiliary Managemetn and Control Channel) restrito a upstream. B.

OMCC (ONT Management and Control Channel) OMCC é um canal bidirectional dedicado dentro da banda da rede e que é responsável por carregar as mensagens do protocolo OMCI. A Figura 20 apresenta um diagrama em blocos simplificado do gerenciamento do sistema TWDM PON, onde o Gerenciamento da rede pode ser dividido nos canais Embedded OAM, PLOAM e OMCC.

Figura 19 – Gerenciamento do Sistema TWDM PON. [17]

XI.CONCLUSÃO

Figura 17 – Framing Sublayer. [16]

C. TWDM-TC PHY Adaptation Sublayer Tem por objetivo melhorar as propriedades de detecção, recepção e delineamento do sinal que é transmitido. Para isso faz a modificação do fluxo de bits, modulando os transmissores óticos. No transmissor, recebe os quadros FS downstream ou a rajada upstream da camada de enquadramento, efetua codificação do conteúdo e alinhamento da temporização do fluxo de bits resultante. No receptor faz sincronização, delineamento do fluxo de bits, decodifica o conteúdo do PHY frame e encaminha os quadros de FS para a Framing Sublayer. A Figura 18 mostra a parte da Figura 16 que contém os blocos de PHY Adaptation Sublayer.

Todo o desenvolvimento do NGPON fez com que ocorresse um aumento considerável na capacidade de tráfego tanto no downstream quanto no upstream, podendo atender um maior número de usuários, ser coexistente com tecnologias legadas, além de poder utilizar as fibras óticas existentes. Com isso é possível concluir que os custos e impactos da implantação e migração para o NGPON serão menores, havendo uma maior aceitação por parte das operadoras de telecomunicações e usuários. A evolução e escalabilidade do NG-PON o tornam de maneira consistente uma das tecnologias do futuro, inclusive quando consideramos a expansão e implementação do 5G e a convergência de dados. REFERÊNCIAS [1] [2] [3] [4]

Figura 18 – PHY Adaption Sublayer. [16]

X.GERENCIAMENTO DO SISTEMA TWDM PON Todo o controle das ONU, gerenciamento das informações e operações são executados em três canais: Embedded OAM, PLOAM e OMCC A.

Embedded OAM e PLOAM Gerencia as funções de PMD (Physical Medium Dependent) e TWDM TC Layers. O canal PLOAM possui

[5] [6] [7] [8]

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Mike de Brito Canal 1 nasceu em São Paulo, SP, em Outubro de 1985. Recebeu o título de Engenheiro Eletricista da Faculdade de Engenharia de São Paulo em 2010. Desde junho de 2012 atua na área comercial, voltado ao fornecimento de redes de telecomunicações para o segmento corporativo. André Luís da Rocha Abbade ² Mestre em Telecomunicações pelo Inatel em 2008. Em 1990 e 2002, obteve respectivamente os títulos de Engenheiro Eletricista e Especialista em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações pelo Inatel. Em 2012 concluiu o curso de Pós-Graduação em Gestão Empresarial pela FGV. Atuou como engenheiro da Telemig/Oi no período de 1994 a 2001, ocupando diversos cargos nas áreas de engenharia de provisionamento de redes até 1998 e de operação e manutenção de rede de acesso e de transporte até 2001. É Prof. no Inatel desde 1999, tendo ministrado as disciplinas “Técnicas de Atendimento a Terminais”, “Comunicações Óticas”, “Empreendedorismo e Inovação”; “Engenharia Econômica” e “Matemática Financeira”. Atualmente ocupa também os cargos de: Coordenador do curso de Engenharia de Produção, Coordenador do MBA, Coordenador do Curso Superior de Tecnologia em Gestão de Telecomunicações e Gerente de Educação Continuada no Inatel Competence Center. Sócio fundador da empresa V2Tech Soluções de Monitoramento e Rastreamento Veicular. Principais áreas de atuação: Comunicações Óticas e Empreendedorismo.