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Redes de Comunicações ÓpticasTecnologias, Sistemas
�Passado, Presente e Futuro
� um curso inteligente e dinâmico
Redes de ComunicaRedes de Comunicaçõções es ÓÓpticaspticasTecnologias, SistemasTecnologias, Sistemas
��Passado, Presente e FuturoPassado, Presente e Futuro
�� um curso inteligente e dinum curso inteligente e dinââmicomico
mês/2003
LTF-FEEC Unicamp BRASIL
Felipe Rudge Barbosarudge@dsif.fee.unicamp.br
http://www.dsif.fee.unicamp.br/~rudge/
IE-008
Save the humans
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Optical Communications – Introdução Geral
� Introdução Geral� conceitos básicos e definições;
� evolução histórica; gerações de tecnologias;
� aspectos econômicos
� Bases Tecnológicas � componentes ativos e passivos;
� amplificadores e roteadores óticos;
� Redes Óticas de Transporte e Acesso� redes WDM (tronco e metro)
� redes óticas acesso
� redes fotônicas
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Definições:
� Optics – “classical” manipulation of photons and waves;
� Electronics -- manipulates eletrons ;
� Optoelectronics -- manipulates photons and eletrons, convertions eletrons�photons; “needs” Quantum Physics to work ...
� Photonics -- manipulates photons ; (includes optoelectronics)
� Electro-optics -- manipulates fotons and eletrons without conversion (!)
� Electricity -- macroscopic version of Electronics...
� these are good and simple definitions !
Introdução Geral -- conceitos básicos
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Espectro EletromagnEspectro Eletromagnéético tico
Luzvisível
UVRaios-X
0,1 10nm 100 300 400 ... 700 800nm 1,5µm 3 10µm 30 100 300 1000µm1 Å 100 Å 1mm
1000 Thz 200 Thz 30 Thz 1Thz 300 Ghz
IV
UV – ultra-violeta (ultra-violet UV)IV – infra-vermelho (infra-red IR)
próximo médio longo
400 500 600 700
Ē
BExB
cS
1=
near mid far
Luz (ótica) Ótica/Fotonica: >20nm até ≈ 30 µmÓtica/Fotonica:
>20nm até ≈ 30 µm
RF
este curso
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� 1958-60 - Invenção Laser � 1962 - Laser Semicondutor ( diodo simples, 77 K)� 1970 - Laser Semicondutor T amb (diodo DH, 300 K) � 1970 - Fibra Óptica ( multimodo, 20 dB/km)
� 1973-75 - Laser, Fibras Óticas, Sistemas ( Brasil & mundo)
� 1980-82 - Laser 1300/1550 e Fibra Monomodo (0,25 dB/km)
� 1990-92 - Amplificador Ótico
� 1992-94 - Sistemas WDM Longa Distancia e Submar.
� 1998 - Sistemas WDM Metropolitanos
� 1999-2004 - Redes Óticas (Metro-Acesso e LD)
� 2006- em diante ... - Redes Fotônicas ( globais )
HistóricoHistórico
Introdução Geral
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• Curtos comprimentos de onda
• Fibra multimodo
• Longos comprimentosde onda
• Fibra monomodo
• Optoeletrônica dealta velocidade
• Amplificação óptica
• Redes WDM• Redes Ópticas de Acesso
• Processamento ópticode sinais
• Redes Fotônicas
Anos 70
Anos 90
Anos 2000Redução de Custos de Transmissão e Aumento Capacidade
Alcance e Flexibilização Alcance e Flexibilização das Redes de Telecomunicaçãodas Redes de Telecomunicação
Redes Ópticas FaixaRedes Ópticas Faixa--LargaLargaTransparentes aosTransparentes aosServiçosServiços
EvoluçãoEvoluçãoSistemas Ópticos Sistemas Ópticos
Anos 80
Tempo
Capacidade
Introdução Geral
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Introdução Geral
RedesÓpticasRedesRedes
ÓpticasÓpticas
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Redes Ópticas -- Dimensão Espacial
Compatibilidade horizontal (Compatibilidade horizontal (ou longitudinalou longitudinal) ) Natureza & ExtensNatureza & Extensãão das Redes o das Redes ––
Distancias:
Acesso até 20 km;
Metro de 20 a 50 km;
Longa >100 km
Intercont >1000 km
� Redes são formadas por nós e enlaces� Redes são formadas por nós e enlaces
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G&C
ServiçosServiServiççosos
Cliente/Usuário
Redes Ópticas -- Conceitos
� O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar clientes e usuários;e a rede deve funcionar de modo transparente e ininterrupto.
� Padronizaçoes (interfaces internas e externas) são sempre necessarias.
TransporteTransporteTransporte
Planta Física Planta FPlanta Fíísica sica
Rede Rede ÓÓpticaptica
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Link
Physical
Modelo OSI/ ISO
Redes Comput (mod. inicial)
Panorama Geral Panorama Geral --||-- Compatibilidade e PadronizaCompatibilidade e Padronizaçãçãoo
Modelo OTN/ ITU-T
Application
Transport
Network/IN
Link
Physical
Telecom& Internet
Atual - Geral
tempo
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� O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar os múltiplos usuários.Demanda sempre crescente exige novas soluçoes e novas tecnologias.
Introdução Geral -- conceitos básicos
Toda rede
Motor EvolutivoMotor Evolutivo ::) ) Natureza & Capacidade de NNatureza & Capacidade de Nóós e Enlaces s e Enlaces ––
G&C
Cliente/UsuárioCliente/Usuário
Planta FísicaPlanta Física
Rede ÓpticaRede Óptica
ServiçosServiçosServiços
TransporteTransporteTransporte
Deman
das
Deman
das
1
Novas tecnologias 2
Possib
ilida
des
Possib
ilida
des
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0 Optical Communications – Histórico
cada fibramuitos lambdas(amplificaçao ótica)
muitas fibrasmetal
metal
Rede AcessoMultiserviço
muitas fibras
telefonia
telefonia
Rede AcessoMultiserviço
regeneradores
1R = potencia 2R = + atraso3R = + forma
EvoluçãoEvoluçãoSistemas ÓpticosSistemas Ópticos
Anos 80
Anos 90
Amps óticos
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Optical Communications – Redes
Redes Ópticas WDMRedes Ópticas WDM presente e futuro presente e futuro
Fibras Ópticas(everywhere)
Central B(comutação eroteamento)Rede Acesso A
Rede Acesso B Rede Acesso C
Rede Tronco(Anéis SDH)
Central A(comutação eroteamento)
Central NRede Acesso N
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0 Redes Ópticas de Acesso
Arquitetura Atual (e futuro próximo)
FTTC/ FTTCb
FTTH/ FTTB
HFC
Host Dig.ER UR
Fibra
MetalUR
UR
coax
par trç.
Central MultServBandLarg
NóOp
Fibra
(ONU)
(OLT )
(ONU)
(ONU)FTTA
Red
e P
ubl.S
ervi
ços
Provedor
Central Comutaçãoe Roteam.
DO
Roteador
(ONU)
(ERB)
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Introdução Geral
Enlaces Ópticos
Camada Fisica
Enlaces ÓpticosEnlaces Ópticos
Camada Camada FisicaFisica
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SistemaReceptor
FotoDetetor
Fibra
SistemaTransmissor
Laser Amp. ótico
Introdução Geral -- conceitos básicos
ida
volta
Enlaces(link) Ópticos
ClienteCliente
Laser Semicondutor e Led Transmissores
Amplificador Ótico Elementos passivos
Fotodetetor PIN e APD Receptores
Fibra Monomodo Fibra Multimodo
Sistemas e WDM Redes óticas
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0.10.1
0.20.2
0.30.3
0.40.4
0.50.5
0.60.6
Ate
nuaç
ão (
dB/k
m)
AFDE
120 nm � 15 THz
Espaçamento dos canais ópticos50-100-200 GHz
30 + 40 nm
AtenuaAtenuaçãçãoo ---- FibrasFibras ÓÓpticaspticas
Rayleigh
IR
OH -80 nm �13 THz
1600 1700140013001200 15001100
Comprimento de Onda (nm)
Transmissão
Visível Infra-vermelho
2a. 3a.1a.850
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100
10
1
0.1 1 10 100 1 10MHz GHz
Absorptionand
Attenuation Bandwidth
(dB/km)
Twisted pair
Transmission Frequency
(Hz)
Coax
MM Fiber
SM Fiber
Transmission media -- evolution
⇒diferentes meios de transmissão podem coexistir na mesma rede , mas muito cuidado nas interfaces !! .
Banda Passante – transmissão cabeada
∞
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� Wavelength Division Multiplexing – multiplexação por divisão de comprimentos de onda (lambda);
� cada fibra (monomodo) suporta dezenas de lambdas, até >1 centena;� cada lambda suporta dezenas de Gb/s... � portanto, sendo 100x10=1000, UMA fibra suporta >Terabit/s de informação !!
� cabos de fibras contém dezenas até centenas de fibras (12, 18, 36, 72, 144)
� mas, cada fibra requer UM amplificador optico.
Transmission media -- evolution
Sistemas Sistemas WWDDMM em Fibrasem FibrasÓÓpticaspticas
λ1λ2λ3λκλn
uma fibrauma fibra
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0 Transmission media – evolution !!
Optical FibersTransforming Chaos
intoOrder
De poucos kb/s
para > varios Tb/s
12 fi x 12 λ x 10 G = 1,4 Tb
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Panorama Mundial
Fonte: Alcatel ; 2011
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� Navio lançador
Meios Transmissao – evolution !!
Fonte: FranceTelecom - Orange ; 2013
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Panorama Nacional (parcial)
Rede Óptica de Transporte da EmbratelAno 2010
MT
PA
AM
MS
BA
MG2004-2009 Na verdade tudo isso, e até mais,
está implantado e operando!
O proprietário da rede era o Governo brasileiro, que hoje “apenas” controla a prestação de serviço. A concessão é vendida a quem quiser (dentro de regras...);
Embratel hoje é empresa mexicana).
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Arquitetura de Redes Óticas
Introdução Geral
� Atributos � define mecanismos de comunicação comuns a toda a rede ; � define interfaces padronizadas
Externas: para os usuários da rede ; Internas: para interconexões dos nós da rede;
� aborda aspectos físicos e funcionais da rede.
� Abrangência (aspectos físicos e funcionais)
� Topologia da rede e suas Interconexões;� Protocolos de acesso e Interfaces;� Abrangencia física (curta-media-longa distancia); � Sistemas de transmiss. & transp.); multiplexação, roteamento;; � Supervisão (controle) e Gerência; � Sinalização e Proteção (sobrevivência de serviços).
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Redes Ópticas -- Conceitos
Transporte(algum detalhamento)
Transporte(algum detalhamento)
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0 Introdução Geral – Protocolos de Rede
SDHSDH
WDM Optical NetworkWDM Optical Network
HFC
PDH
ATM
IP
Camadas & InterfacesCamadas & Interfaces(dimensão vertical) (dimensão vertical) Cenário Atual – Redes Óticas
GMPLS
Ethernet
Serviços
__________
Transporte__________
Rede óptica
Wireless
Serviços (3P): voz; dados [Internet, imagem]; video
=> => tudotudo sobre Redes Óticas !! sobre Redes Óticas !!
OTN
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Introdução Geral -
� Devido á multiplicidade de idéias e de fabricantes, sempre cada um achando que a sua própria é muito boa, talvez a melhor...
� Torna-se necessário haver padrões (standards), a fim de que equipamentos e sistemas diferentes possam se interconectar...
� Alem disso, ao mudar de local ou equipamento os usuários não podem/ não devem ficar inoperantes ou incomunicáveis.
� Os sistemas de padronizaçao visam especificar as tecnologias(sistemas e equipamentos) e as suas interfaces, para uso geral.� Assim, fabricantes e fornecedores podem explorar sua criatividade
para inovar, copiar quando permitido, e suprir o mercado de modo amplo e permanente.
� Inovação (ampliaçao, renovaçao ou mudança de paradigma) deve via-de-regra buscar compatibilidade com os sistemas em operaçao.
Camadas & Interfaces Camadas & Interfaces ---- Padronização Padronização
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Protocolos de Transporte em Redes Óticas (padronizados)
� Telecom� PDH – hierarquia digital plesiócrona (final 1970-1980-1990)� SONET -- rede ótica síncrona (meados 1980-1990-2000..) � SDH -- hierarquia digital síncrona (meados 1980-1990-2000..)� ATM – modo transferencia assincrona (final 1980-2000..)
� Redes Dados (computadores/Internet) � Ethernet � TCP-UDP/ IP � e mais uma “infinidade”...
� Redes Fotonicas (convergencia de redes !) � GMPLS
� OTN e ASON
-- Sistemas Ópticos --
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Evolução Capacidade –tecnologias convergentes
SDH SONET Taxa Canais Voz
Sigla Sigla (Mb/s) (64k)
“STM 0” OC-1 51,84 672 (810#) STM-1 OC-3 155,52 1920
-- OC-9 466,56
STM-4 OC-12 622,08 7680
STM-16 OC-48 2488,32 (2,5 Gb/s )
30720 (**)
STM-64 OC-192 9953,28 (10 Gb/s)
122880 (**)
STM-256 OC-768 39813,12 (40 Gb/s)
491520 (**)
(**) equivalencia ilustrativa apenas.
(#) comunicação digital pura
PDH Taxa Canais de Voz (*)
Sigla (Mb/s)
E-0 0,064 1
E-1 2,048 30
E-2 8,448 120
E-3 34,368 480
E-4 139,264 1920 (*) equivalencia exata.
Ethernet Taxa
Sigla (Mb/s)
10 base T 10
Fast Eth 100
GbE 1 Gb/s
10 GE 10 Gb/s
100 GE 100 Gb/s
Sistemas Ópticos - Transporte
(1)*
(2)*
*1-transiçao histórica*2-uniáo historica !
=> Veremos mais adiante a transiçao atual de
SDH OTN
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0 Sistemas Ópticos
Evolução Histórica = Capacidade Evolução Histórica = Capacidade
=> Optical Communication systems represent a revolution in
all Telecommunications, (not just an evolution).
� a Killer technology surpasses by far all the competing alternatives.
Multichannel(WDM)
Singlechannel(EDM)
OPTICALFIBER
SYSTEMS
Terabit Capacity
Gigabit Capacity
primeiras linhas telefone
multiplex 12 linhas telefone em par cobre
primeiros sistemas coaxiais
sistemas avançadoscoaxiais e satélite
Communication SatellitesMegabit Capacity
“ killer technology”
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Redes Ópticas = Transporte
Source: Infonetics Research, Dec. 2012
CapEx Trends -- a multi-Billion market ...
� Tendencias: WDM continuará “sempre” como tecnologia dominante (layers 1,2,3);
diversos sistemas de transporte estaraõ competindo;
roteadores Ethernet/IP já superaram sistemas PDH/SDH; mas...
Optical vs Routers and Switch Revenue
$0
$10,000
$20,000
$30,000
$40,000
CY06 CY07 CY08 CY09 CY10 CY11 CY12 CY13 CY14 CY15 CY16
Rev
enue
(US
$ M
illion
s)
0%
25%
50%
75%
100%
WDM SONET/SDH Router/CES % Router/CES
RecuperaçaoCrise anterior
NovaCrise
Estabiliz./Crescim.
20122012--20142014Cenário Mundial -- atual e futuro
WDM/OTN
IP/IP/EthernetEthernet
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0 Aspectos Econômico-Financeiros
The Money$$$
Grana
=> mas quanto custa isso ??
... quem paga a conta?
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Ciência TecnologiaMercado
Quem paga a conta ??
Sociedade
Paga quem compra !!
Conhecimento Produtos
The Money --
Aplicações
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0 $$ The Money $$
Investimentos emInvestimentos emTelecomTelecom& TI & TI (n(nãão o ReceitaReceita))
WWW Internet
“popular”
“Quebra” Nasdaq
Sept. 11
O que aconteceu nos bastidores...
Dow-Jones
Nasdaq
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Previsões de 1998Realizado 2000:U$ ~ 9 bilhões
Fontes: KMI, 2003; 2006Pioneer 2002
U$ 3,5 bi
U$ 9 bi
Optical Optical Systems Expenditures Systems Expenditures (& (& revenuesrevenues))
Optical Communications – Economics
Previsões de 2000Realizado 2001-3 Realizado 2004-6
2006 2007
Prejuízo setoracumulado> U$ 18 bi !!
Crise setorial 1999-2000
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0 The Money (cont.)
Nasdaq
2009-201020092009--20102010
O que ocorreu bem depois...2008-09 -- ( paises ricos...) !!
US$ x1mi (= bilhões dolares)
NYSE
Nasdaq
2009
Recuperação
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.. e o reflexo ( tardio ) aqui !!
2010-201120102010--20112011
$ The Money $
Indice Bovespa: industria
mid-2010
70.000
60.000
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0 $$ The Money $$
.. E agora , pra onde está indo a grana ?! ...
industria de trasnformaçao não inclui mineraçao nem construçao civil;
=> Inclui eletro-eletronica, automotivo, peças, tudo...
ou seja, os investimentos não estão indo pro setor produtivo industrial,
consequentemente menos ainda pra altas tecnologias !!
2012-- 201420122012---- 20142014
o
2014-2015continua baixando!
Brasil
o 12,4
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Introdução Geral - Conclusão
Reunindo todos os aspectos tecno-economicos que vimos nesta Introduçao Geral ; pode-se concluir que:
Sistemas Óticos são hoje a base de TODAS as Redes de Comunicações; com os seguintes destaques :
� A única opção para altíssima capacidade (Terabits) nas Redes Longa Distancia e Metropolitanas tronco (backbone); ..
� mais alta capacidade nas Redes de Acesso, interfaceando com outras redes locais (debates nos custos, disponibilidade, flexidade)
� Altíssima confiabilidade e permanência;
� Elevados custos de instalaçao e operaçao, mas Banda passante maior que qualquer outro meio => o menor (custo/ bit / assinante;
� Permitiram desenvolvimento mundial da Internet como é Hoje; (interfaceando c/ outras tecnologias) , e fazendo das Tecnologias de Informaçao e Comunicaçao (TIC) -- a maior atividade econômica do planeta.
� >>> ...
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:
� Interfaceamento com outras tecnologias é sempre necessáriapara múltiplas aplicações e para chegar ao usuário !
� Aspectos economico-financeiros são os controladores; não são controlados pelas tecnologias () !!
� Disponibilidade e conveniencia de investimentos podem ser determinantes no direcionamento da evoluçao tecnologica ...
=> Além das condiçoes sociais, politicas e geograficas.
�� “Fim”
Comentários adicionais ... Comentários adicionais ...
Introdução Geral - Conclusão II