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Sistemas de ComunicaçãoÓptica

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e e de Computadores

Docente : Prof. João Pires ([email protected])

©João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 2

Objectivos

• Estudar as tecnologias que servem de base àtransmisssão óptica, e analisar os conceitos, arquitecturas e normas subjacentes às redes ópticas do presente e do futuro.

• Proporcionar os conhecimentos e metodologias apropriados para conceber e dimensionar diferentes tipos de sistemas e redes de telecomunicações ópticas.


Programa (I)1. Introducão à comunicação óptica

2. Tecnologias de comunicação óptica2.1 Fibras ópticas e componentes passivos2.2 Lasers e fotodetectores2.3 Amplificadores ópticos2.4 Multiplexadores e filtros2.5 Comutadores ópticos

3. Aspectos de engenharia de transmissão óptica3.1 Princípios de transmissão digital óptica3.2 Transmissão com amplificação3.3 Limitações da transmissão

3.3.1 Dispersão3.3.2 Ruído dos amplificadores ópticos3.3.3 Não-linearidades da fibra3.3.4 Diafonia óptica

3.4 Considerações sobre dimensionamento de ligações ponto-a-ponto


Programa(II)4. Redes ópticas da primeira geração

4.1 Redes SDH4.1.1 Princípios e elementos de rede4.1.2 A camada física

4.2 Redes FDDI4.3 Gigabit Ethernet4.4 Redes de televisão por cabo4.5 Acesso óptico (PONs, FTTC, FTTH)4.6 Cabos submarinos ópticos

5. Redes de transporte WDM5.1 Técnicas de multiplexagem WDM5.2 Estrutura dos elementos de rede (OADM, OXC)5.3 Topologias físicas e lógicas5.4 Encaminhamento e atribuição de comprimentos de onda5.5 Protecção e restauro a nível óptico5.6 Concepção e planeamento de redes ópticas5.7 Transporte de IP sobre WDM


Programa(III)

6. Tecnologias ópticas do futuro6.1 Redes ópticas com comutação automática6.2 Comutação de pacotes óptica


Aspectos Pedagógicos

BibliografiaJ. Pires, Transparências de SCO (disponíveis na página da disciplina em https://fenix.ist.utl.pt/publico, considerando o 1º semestre de 2003/2004)

J. Pires, Sistemas de Comunicação Óptica, IST (disponíveis na secretaria da secção de telecomunicações, 4º andar da Torre Norte)

R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, Optical Networks - A practical perspective,Morgan Kaufmann Publishers, Inc., 2002

Avaliação de conhecimentos

A avaliação de conhecimentos é feita por exame com consulta de formulário.


Aspectos da Evolução das Comunicações Ópticas

1960 – Realização do primeiro laser1966 – Proposta para usar as fibras ópticas em telecomunicações (Kao)1970 – Fabrico da primeira fibra óptica de sílica dopada (20 dB/km)1970 – Fabrico do primeiro laser de AlGaAs operando entre 0.8 e 0.9 µµµµm1976 – Primeiro sistema de comunicação óptica (45 Mbit/s, λλλλ=0.82 µµµµm)1977 – Primeiros sistemas comerciais da 1ª geração (λλλλ=0.85 µµµµm)1980 – Primeiros sistemas comerciais da segunda geração (λλλλ=1.3 µµµµm)1984 – Introdução em Portugal (CTT) dos sistema da 1ªgeração1985 – Demonstração de amplificação óptica em fibras dopadas com Er1988 – Primeiro cabo submarino digital com fibra(40000 circuitos,1.3 µµµµm) 1991 – Transmissão de 10 Gbit/s na distancia de 106km com solitões1996 – Cabo submarino óptico TAT12/13 (122 880 circuitos)1996 – Primeiro sistema comercial WDM com 8 comprimentos de onda1999 – Cabo submario óptico TAT14/15 (40 Gbit/s , ~106 circuitos) 2002 – Transmissão de 256x10 Gbit/s na distância de 11 000 km


Capacidade de Sistemas de Transmissão Óptica

Single Channel (ETDM)Multi-Channel (WDM)Single Channel (OTDM)WDM + OTDMWDM + Polarization Mux*Soliton WDM

Cap

acity

(Gb/

s)10,000

300

100

30

10

3

1

0.3

0.1

0.03

1000

3000

84 86 88 90Year

92 94 96 9880 82

*

00 02

*

04

SystemsResearchExperiments

Courtesy:A. Chraplyvy

Fonte: Herwig Kogelnick ECOC 2004


Instalação global de fibra óptica (Mkm)

-

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Multimode Applications

Other Single-mode

Cable Television

Feeder/Local Telecom

Submarine (Long-Dist.)

Terrestrial Long-Distance Fonte:Herwig Kogelnik ECOC 2004


Espectro óptico e comprimentos de onda

• Os sistemas de comunicação óptica operam na banda de comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, que correspondem à região do infra-vermelho (não visível pelo olho humano) do espectro óptico.

• A normalização dos comprimentos de onda a usar nos sistemas de comunicação óptica é feita pela norma G.692 do ITU-T. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz (≈≈≈≈ 0.4 nm), com a frequência central nominal de 193.1 THz (1552.52 nm).

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)

frequência (ν)

193.1 THz

50 GHz50 GHz50 GHz

Relação entre um espaçamento na frequência (∆ν)e um espaçamento no comprimento de onda (∆λ)

λλ

ν ∆=∆ 20

c

Comprimento de onda

Frequência

c=νλ


Evolução dos sistemas de comunicação óptica (1)

• 1º ) Sistemas com lasers multimodais ou LEDs e fibra óptica multimodal (banda 0.8 - 0.9 µµµµm). Distâncias entre regeneradores até 10 km e débitos binários entre 34 e 140 Mbit/s.

• 2º) Sistemas com lasers multimodais e fibra óptica monomodal (comprimento de onda de 1.3 µm). Distâncias entre regeneradores de cerca de 40 km e débitos de algumas centenas de Mbit/s.

• 3º) Sistemas com lasers monomodais e fibra óptica monomodal (comprimento de onda de 1.55 µm). Débitos binários até 2.5 Gbit/s.

Emissor R R R R R Receptor

Regenerador Fibra óptica multimodalLaser multimodal

Emissor R R R Receptor

RegeneradorFibra óptica monomodal

Laser multimodal

Emissor R R Receptor

Regenerador Fibra óptica monomodalLaser monomodal


Evolução dos sistemas de comunicação óptica (2)

• 4º) Sistemas com lasers monomodais, fibra óptica monomodal (1.55 µm) e amplificadores ópticos. Distâncias entre regeneradores de cerca de 600 km para débitos binários de 2.5 Gb/s e de cerca de 50-60 km para 10 Gbit/s.

• 5º) Sistemas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDM (wavelength division multiplexing). Os multiplexadores ópticos agregam vários sinais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer. Há sistemas comerciais a operar a 1.6 Tb/s (160××××10 Gb/s).

Emissor Receptor

Amplificador ópticoFibra óptica monomodal

Laser monomodal + modulador externo

MUX

λ1 Sinal multiplex ⇒ λ1, λ2

,λ3,..., λN

DMUX

Laser 1

Laser 2

Laser N

λ2

λN

Receptor Óptico 1

Receptor Óptico 2

Receptor Óptico N

λ1

λ2

λNFibra óptica monomodal (1.55 µm)

Amplificador óptico


Evolução do Tráfego Total• O tráfego telefónico de voz tem

um crescimento entre 10 a 15% ao ano.

• O tráfego de dados (Internet) tem um crescimento superior a 100% ao ano.

• Em muitas redes o tráfego de dados é dominante.

• O padrão de tráfego também se altera. Na voz as ligações de curta e média distância são dominantes, enquanto nos dados domina a longa distância.

Dados (Internet)

Telefónico (voz)

1990 2010

Tráfego

Segundo projecções o tráfego de voz e de dados a nível global igualam-se este ano.


Evolução do tráfego dorsal Internet (entre1999 e 2001)

Fonte: Piet Demeester et al ECOC2002


Evolução do tráfego dorsal por serviço (UK)


Diferentes tipos de informação• Informação contínua ou analógica

Variação contínua de um fenómeno físico (temperatura, voz, imagem).Um elemento de captação origina uma tensão eléctrica proporcional à amplitude do fenómeno físico analisado.

• Informação discretaInformação resultante da conjugação de diferentes elementos, independentes uns dos outros (Um texto é uma associação de letras).

• Nas redes digitais é necessário representar a informação numa forma binária, o que implica uma codificação para a informação discreta e uma digitalização para a informação analógica.

Captador Transdutor


Digitalização da informação• A digitalização de um sinal analógico envolve três diferentes etapas:

amostragem, quantificação e codificação

• A amostragem consiste em retirar amostras do sinal em intervalos regulares. A quantificação em fazer corresponder à amplitude de cada amostra um determinado valor. A codificação em transformar este valor numa palavra binária.

876543210

3 5 4 1

00000011 00000101 00000100 00000001

Período de amostragem

Ta

Relógio

Amostragem

Quantificação

Codificação


• A frequência de amostragem mínima (Fa) de um sinal deve ser igual ao dobro da frequência máxima do sinal a amostrar ( Fa≥≥≥≥2B).

• Um canal telefónico usa uma banda entre os 300 e os 3400 Hz. Assumindo uma frequência máxima de 4000 Hz, tem-se uma frequência de amostragem de 8 kHz, ou seja, um período de amostragem de 125 µµµµs. Codificando cada amostra com 8 bits tem-se um débito de 64 kbit/s.

• Normalmente, em telefonia digital uma via física é usada para transmitir vários canais. A associação desses diferentes canais é feita usando multiplexagem por divisão no tempo ou TDM. Nessa técnica em cada 125 µµµµs é atribuído um intervalo de tempo ( time-slot) a cada canal. Para um sinal multiplexer com 32 canais (30 de informação), a estrutura de uma trama é dada por

• Cada conjunto de 8 bits (time-slot) não poderá durar mais de 125µµµµs/32=3.9 µµµµs, o que corresponde a 488 ns por bit, ou seja, um débito binário de 2.048 Mbit/s.

Débitos binários

1 2 3 4 3231

125 µs

Time-slot


Hierarquias TDM

• Hierarquias Plesiócrona • Hierarquia Síncrona

274.176

44.736

6.312

1.544

USA(Mbit/s)

139.2644ª

34.3683ª

8.4482ª

2.0481ª

Europeia(Mbit/s)

Hierarquia

9953.28

2488.32

622.08

155.52

Débito(Mbit/s)

STM-644ª

STM-163ª

STM-42ª

STM-11ª

Sinal SDHHierarquia


Codificação da informação discreta

• A lexicografia de um código é o número de símbolos que é possível representar com esse código. Em lógica binária com n elementos binários podem-se representar N=2n símbolos.

• O código ASCII ( American Standard Code for Information Interchange) é um código com 7 bits, e para além de representar os caracteres alfa-numéricos, representa também caracteres de controlo

• O código EBCDIC( Extended Binary Decimal Interchange Code) é um código de 8 bits usado normalmente nos PC

• Um código binário pode também ser usado para representar e transmitir imagens e gráficos. Cada imagem pode ser vista como uma associação de pontos ou pixels e cada pixel pode ser representado por uma palavra de código com 8 bits

• Transmitindo um sequência de 25 imagens por segundo tem-se um sinal de vídeo ou televisão Ex. Um imagem tem 720 pixels por linha e 575 linhas. Com 8 bits por pixel tem-se 3312000 bit/imagem. Para um ritmo de 25 imagens por segundo têm-se um débito de 82.8 Mbit/s, cerca de 1000 vezes superior ao débito da voz.


Aspectos de transmissão

• Normalmente, antes da transmissão os diferentes canais são multipexados (multiplexagem por divisão na frequência ou por divisão no tempo).

• Na transmissão digital a sequência é caracterizada pelo débito binário Db, ou seja pelo número de bits transmitidos por unidade de tempo.

• Os meios de transmissão (pares simétricos, cabos coaxiais, fibras ópticas, feixes hertzianos, satélites, etc ) vão atenuar e distorcer o sinal. Para alémdisso o sinal vai ser perturbado por ruído e por interferências.

• A presença dessas perturbações pode introduzir erros na transmissão digital. O desempenho destes sistemas é assim caracterizado pela razão de erros binários ou BER ( bit error rate), em que BER=(bits errados) / ( bits transmitidos).

• Normalmente em transmissão digital é necessário a partir de um certo nível de degradação reformatar o sinal usando regeneradores.

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