Engenharia de TelecomunicaesProjeto Integrado

TECNOLOGIA GPON

Flvia Carneiro Custdio da SilvaGraduando do curso de Engenharia de Telecomunicaes

Dra. Roberta Maria Salvador NavarroProfessor orientador

So Paulo, Maio de 2015ResumoCom o passar dos anos a tecnologia vem evoluindo cada vez mais rpido, os usurios utilizam mais vdeos, msicas, exigindo uma demanda maior de largura de banda e fazendo com que as operadoras se atualizem e melhorem sua rede. No campo da rede de distribuio, ltima milha, as Redes GPON (Gigabit- Passive Optical Network) so uma soluo para oferta da banda larga com custos atraentes para as concessionrias. Implementada em fibra ptica sem o uso de elementos ativos em campo, a GPON comea a ser uma realidade em vrias cidades brasileiras. Neste TCC ser apresentado as etapas de projeto e implementao de uma rede GPON numa cidade catarinense. Aspectos relacionados aos estudos de viabilidade, definio da topologia da rede e dos componentes a serem utilizados sero detalhados, bem como uma avaliao do projeto implementado ser discutida.

Palavras-chave: GPON, Redes pticas Passivas, comparao tecno-econmica.

Introduo

As redes GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network) so atualmente uma das tecnologias de acesso de alta velocidade que tm atrado grande interesse do mercado de telecomunicaes. Este tutorial apresenta o status atual e as futuras possibilidades da tecnologia GPON. Vrios analistas tm previsto um crescimento rpido do nmero de implantaes GPON, levando, em poucos anos, ao uso predominante do GPON nos acessos baseado em tecnologias de fibra ptica. Outras tecnologias, tais como Banda Larga PON (BPON) e Ethernet PON (EPON), tambm tendem a ser usadas durante os prximos anos, mas em menor grau. A popularidade do GPON se deve a vrios fatores. A tecnologia suporta uma vasta gama de aplicaes e servios, principalmente os servios de envio unidirecional de vdeo e TV do tipo unicast e broadcast. Ela pode fazer parte de muitas arquiteturas de rede, como por exemplo, na combinao VDSL2 (Very-high speed Digital Subscriberline2) e FTTC (Fiber To The Curb, ou fibra ptica at a calada ou passeio pblico), ou como o acesso residencial do tipo FTTH (Fiber To The Home). Uma soluo baseada em GPON parte integrante de uma Arquitetura de Servios Banda Larga (Full Service Broad band Architecture), desenhada para satisfazer as necessidades de convergncia fixo-mvel e de redes convergentes NGN (Next Generation Networks) para a oferta de servios residenciais e corporativos.A evoluo e padronizao do GPON oferecem novas funcionalidades e facilidades que suportaro as futuras redes de acesso de banda larga e de servios. O prximo passo na evoluo ser o aumento de taxa de bits, dos atuais 2,5 Gbit/s para 10 Gbit/s, no sentido downstream, e dos atuais 1,25 Gbit/s para 2,5 Gbit/s, no sentido upstream. A migrao para os sistemas mais novos ser possvel atravs de um planejamento adequado de uso de comprimentos de ondas que permita a co-existncia de mltiplos GPONs na mesma rede ptica.Vrias operadoras e fornecedores do mercado de telecomunicaes consideram o WDM-PON (Wavelength Division Multiplexed PON) como sendo a melhor tecnologia PON de longo prazo, onde uma rede lgica ponto-a-ponto suportada por uma topologia PON. O WDM-PON oferece uma alternativa para o esquema de transmisso GPON do tipo time-shared (tempo compartilhado), onde cada ONT (Optical Network Termination, ou Terminao de Rede ptica) transmite e recebe em um determinado comprimento de onda. Embora atualmente o seu custo seja proibitivo, quando comparado com o GPON, a pesquisa intensiva em componentes pticos pode permitir redues de custos significativas na prxima dcada.Finalmente, diversas operadoras atualmente esto avaliando a consolidao de suas redes para reduzir as despesas operacionais (Operational Expenditures OPEX) das redes de acesso, atravs da desativao de sites pequenos e da reduo do nmero de visitas de operao e manuteno a sites. Esta ao pode ser facilitada pela proposta de alcance estendido (maior alcance) das redes GPON.

Uso de GPON

Servios de Vdeo, como parte dos pacotes de servios (bundles), demandam maior largura de banda e tm forado a maior parte das operadoras a considerar uma atualizao ou mesmo uma renovao completa da sua rede de acesso de cobre legada. As redes GPON [1] e EPON [2] so dois padres que abrem novas oportunidades tanto para os fabricantes como para as operadoras.Grandes fabricantes tm adicionado a tecnologia PON ao seu portflio de redes de acesso de banda larga, e as operadoras de todo o mundo tm demonstrado grande interesse em implantar esta tecnologia combinada com o VDSL2 (VDSL2 + FTTC) ou como acesso residencial (FTTH).As trs principais normas PON so: Broad band PON (BPON, [3]), GPON e EPON. O BPON e o seu sucessor GPON so recomendaes da International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) patrocinadas pela Full Service Access Network (FSAN), uma associao mundial de fabricantes e operadoras que programam equipamentos com as tecnologias PON. O EPON um padro desenvolvido pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), atravs de uma iniciativa do grupo Ethernet in the first mile EFM (Ethernet na primeira [ou ltima] milha).Levando em considerao que as operadoras esto influenciando a padronizao do GPON atravs da FSAN, a recomendao do GPON reflete diretamente as necessidades das operadoras.Embora todos os trs sistemas funcionem baseados no mesmo princpio, existem vrias diferenas entre eles, como pode ser observado na tabela 1.Tabela 1: Tipos de PON e suas principais caractersticas.(DS: downstream, US: upstream)

CaractersticasEPONBPONGPON

RecomendaoIEEE 802.3ah [1] ITU-T G.983 ITU-T G.984

ProtocoloEthernet ATM Ethernet, TDM

Taxa de bits1000 Mbit/s [2], DS e US622 Mbit/s DS, 155 Mbit/s US2488 Mbit/s DS, 1244 Mbit/s US

Span (km) 10 20 20

Taxa de diviso (split-ratio) [3] 16 ou 32 32 32 ou 64

[1] Em 2005 ele foi includo como parte do padro IEEE802.3.[2] 1 Gbit/s a taxa de transferncia de dados, enquanto que 1,25 Gbit/s a taxa de bits fsica do acesso devido a codificao 8b/10b.[3] Valores tpicos para as redes implantadas.

Uma alternativa para o PON utilizada por pequenas operadoras, municipalidades e prestadores de servios de redes abertas a Ethernet FTTH, tambm conhecido como fibra ponto-a-ponto (point-to-point fiber). Essa tecnologia leva todas as fibras de cada usurio para um site central da rede, permitindo programar uma transmisso do tipo fibra ponto-a-ponto relativamente simples.A escolha entre fibra ponto-a-ponto e GPON depende de mltiplos fatores relacionados com o contexto do negcio e com a implantao da rede fsica de acesso. O uso de fibras ponto-a-ponto implica em ter que implantar os equipamentos de rede relativamente perto do cliente, mas torna a rede mais simples e transparente para a implantao de servios.Entretanto, sempre que os operadores tentam concentrar a localizao dos equipamentos de rede, torna-se necessrio concentrar tambm mais fibras. O gerenciamento de grandes quantidades de fibras em Ns ou sites de rede muito grandes pode ser inconveniente.Perspectivas do MercadoO xito e a aceitao do GPON no mercado mundial so cada vez mais evidentes. As perspectivas de mercado para o GPON so muito brilhantes e coerentes nas anlises atuais da indstria. Um estudo recente do Heavy Reading [4] prev que o nmero de assinantes FTTH no mundo em 2008 ser de 20 milhes e deve aumentar para 90 milhes em 2012. Outro estudo da Infonetics Research [5] prev que o GPON j vai ultrapassar o EPON (Ethernet PON) como a tecnologia predominante em 2008/2009.A figura 1 mostra crescimento de mercado estimado para as diversas tecnologias de acesso em fibra ptica.

Figura 1: Crescimento de mercado estimado.(CAGR: Taxa de crescimento anual composta)

O rpido crescimento do mercado de GPON se deve aos seguintes fatores: A tendncia de oferta de servios com uso de banda mais intensivo tais como os de envio unidirecional de contedo vdeo e TV do tipo unicast e broadcast, est estimulando muitas operadoras a se debruarem sobre as possibilidades de atualizao ou renovao total da rede de acesso de cobre legada. Grandes fornecedores tm acrescentado a tecnologia GPON ao seu portflio de redes de acesso banda largo, e as operadoras em todo o mundo esto interessadas em implantar a tecnologia em combinao com o VDSL2 (VDSL2 + FTTC) ou como acessos residenciais FTTH em larga escala nos prximos anos. O GPON bastante adequado para suportar o backhaul de redes mveis uma vez que baseado em TDM (Time Division Multiplex ou Multiplexao por Diviso de Tempo e, conseqentemente, suporta servios sncronos e a propagao de sinal de relgio (clock) do tipo stratum-traceable. J que o GPON permite o compartilhamento da mesma fibra para mltiplos usurios, h uma reduo no nmero de dutos da rede de acesso e no gerenciamento de fibras pticas da rede, o que provoca tambm uma reduo nos investimentos em rede (CAPEX) e nas despesas operacionais (OPEX). O uso da rede ptica passiva em substituio a infra-estrutura de rede de cobre pode levar a uma reduo das despesas operacionais anuais da ordem de 80%. O PON no necessita de equipamentos eletrnicos na rede externa, e, portanto, na pratica no precisa de manuteno.

GPON na Arquitetura de Servios Banda LargaA Arquitetura de Servios Banda Larga [6] foi concebida para satisfazer as necessidades de convergncia fixo - mvel (FMC Fixed-Mobile Convergence) e de redes convergentes NGN (Next Generation Networks) para a oferta de servios residenciais e corporativos.No seu ncleo (core) uma rede de transporte confivel, segura e de custo otimizado. Uma variedade de tecnologias acesso pode ser sobreposta a esse ncleo, cada uma delas evoluindo para suportar os Servios Banda Larga, com uma variedade de acessos heterogneos gerenciados por sistemas de mltiplos acessos (Multi-access Edges). O IP Multimedia Subsystem IMS, subsistema de multimdia baseado em rede IP, suporta o desenvolvimento e implantao de servios fim-a-fim.A mobilidade e a convenincia para o usurio so disponibilizadas atravs de interfaces de rede do usurio (User-to-Network Interfaces UNI) abertas e consistentes, enquanto que as interfaces de inter redes (Network-to-Network Interfaces NNI) garantem a interoperabilidade com as redes de outras operadoras e empresas.A Figura 2 mostra arquitetura de servios de banda larga completa. A soluo GPON parte da funo Rede de Acesso Fixo (Wireline Access), que funcionalmente prov a interface entre os terminais e CPE (Customer Premisses Equipment, ou equipamentos de assinantes) e os sistemas de mltiplos acessos (Multi-access Edges). Do ponto de vista da topologia da rede, os acessos GPON tm interface com a rede do Metro, que descrita em [7].

Figura 2: Arquitetura de Servios Banda Larga [6].

Estudo de Caso GPON

O sistema GPON composto por um Terminal de Linha ptica (Optical Line Terminal OLT), instalado num site central da operadora, e por diversos Terminais de Rede ptica (Optical Network Terminal ONT), instalados nos sites dos diversos Clientes. Opcionalmente, podem ser usadas Unidades de Rede ptica (Optical Network Unit ONU) para chegar at os sites dos Clientes com outra tecnologia, por exemplo, o VDSL2. Esses dispositivos (ONU e VSDL2) so ativos (unidades eletrnicas) e necessitam de fontes de alimentao. Ao invs de utilizar sistemas eletrnicos na Rede de Distribuio ptica (ODN), o uso de divisores passivos permite dividir a largura de banda disponvel para atender a vrios usurios. Desta forma, no existem componentes ativos (unidades eletrnicas) entre o site central da operadora e as instalaes dos clientes. Isto reduz tanto os investimentos em rede (Capital Expenditures CAPEX) como as despesas operacionais (Operational Expenditures OPEX), j que os componentes passivos utilizados na rede no necessitam de fontes de alimentao para funcionar. Eles tambm geralmente so mais baratos para a implantao e manuteno inicial da rede externa. Como vrios usurios compartilham parte da rede de distribuio, diminui a necessidade de espao para racks de interfaces pticas e de quadros pticos de distribuio nos bastidores do site central. A figura 3 mostra os diferentes tipos de usos do GPON. Quando a ODN est presente em todo o trajeto at o usurio final, como o caso de servios implementados em FTTH, usa-se o CPE denominado Terminal de Rede ptica (Optical Network Terminal ONT). Caso seja usada uma tecnologia alternativa para atender o usurio final, como o cobre ou o rdio, usa-se a Unidade de Rede ptica (Optical Network Unit ONU). Com o ONU, diversas arquiteturas podem ser utilizadas em funo da distncia do ONU at o usurio final: FTTB (Fiber To The Building, ou fibra at o prdio), para as distncias mais curtas, e FTTN (Fiber To The Node, ou de fibra at o n de rede), para as distncias mais longas, usando o FTTC para distncias intermedirias e para a instalao e posicionamento do ONU.

Figura 3: Tipos de uso do GPON.

O padro atual do GPON permite o compartilhamento do ODN por enlaces com diferentes oramentos de potncia (link-budget) e, conseqentemente, com alcance e capacidade distintos. A tabela 2 apresenta as caractersticas mais importantes do GPON. Tabela 2: Resumo das principais caractersticas tcnicas do GPON [1].

TipoValorComentrios

Link-budget28 dBClasse B+ ptica (oramento de potncia)

Distncia da Fibra20 kmValor tpico, dependendo da taxa de diviso (splitratio), das perdas dos conectores e da margem do sistema

Taxa de diviso1:32Valores com 1:16 e 1:64 so comuns

Capacidade por PON2488 Mbit/s1244 Mbit/sDownstream (DS)Upstream (US)

Comprimento de Onda1.490 nm1.310 nmDS e US para GPON de 1-fibra.

Para o ODN, os divisores podem ser implantados de forma centralizada (por exemplo, um local fsico com um divisor 1:32) ou distribuda (por exemplo, dois locais fsicos, sendo o primeiro com um divisor 1:4 e a seguir outro com quatro divisores 1:8). Os divisores distribudos permitem, em teoria, otimizar a colocao dos divisores para otimizar tambm as distncias dos cabos de fibra. Na prtica, isso pode ser difcil de conseguir, e o uso de divisores centralizados facilita a sua manuteno e atualizao. Evidentemente, o uso de divisores centralizados pode ser realizado com vrios estgios de diviso num site, ou seja, um estgio com divisor 1:4 seguido por outro estgio com divisor 1:8 separadores, para atingir uma taxa de diviso total de 1:32. Servios ResidenciaisMuitas operadoras vem o GPON como uma soluo ideal para aplicaes residenciais do tipo FTTH. O compartilhamento da infra-estrutura passiva e da OLT uma soluo boa para atender a demanda de capacidade de pequena a mdia do usurio residencial tpico. Para distncias mais curtas de acesso local (