ULisboa€¦ · iii Agradecimentos Serve o seguinte texto para agradecer às várias pessoas que me...

CONCEPÇÃO E PROJECTO

DE REDES DE ACESSO/METRO ÓPTICAS HÍBRIDAS

BASEADAS EM PONS DE GRANDE COBERTURA

João Carlos Chilrito Mendes Bernardo

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Júri

Presidente: José Manuel Bioucas Dias, DEEC

Orientador: João José de Oliveira Pires, DEEC

Vogais: João Lopes Rebola, ISCTE

Paulo Miguel Nepomuceno Pereira Monteiro, UA

Julho de 2010

iii

Agradecimentos

Serve o seguinte texto para agradecer às várias pessoas que me apoiaram e ajudaram

durante a realização deste trabalho. Em primeiro lugar, um especial agradecimento ao

professor João Pires e ao Eng. João Santos da Siemens S.A. pela constante disponibilidade,

orientação, confiança e paciência. Um obrigado aos meus colegas do IST pela companhia e

amizade partilhada durante todo este percurso académico e, por fim, mas não menos

importante, um carinhoso agradecimento a todos os meus familiares e amigos.

O meu mais sincero obrigado.

v

Resumo

Este trabalho tem como objectivo projectar uma rede de acesso/metro óptica híbrida

baseada em PONs de grande cobertura, que reduza os custos de investimento e de operação.

A sua base comporta um anel, ao longo do qual se distribuem o terminal de linha óptica (OLT)

e os nós de interligação (RNs) com as componentes de acesso óptica passivas (PONs).

Estudam-se esquemas de comunicação, entre a OLT e as unidades de rede óptica (ONUs),

que incluem estratégias híbridas Multiplexagem por Divisão de Comprimento de

Onda/Multiplexagem por Divisão de Tempo (WDM/TDM) e técnicas de conversão de

comprimento de onda, concretizando-se com a introdução de estruturas para OLT, RN e ONU.

Além disso, apresenta-se um esquema de protecção, baseado no mecanismo dedicado de

protecção de anel usando o canal óptico (OChDPRING). De modo a avaliar a viabilidade física

da rede, os esquemas de transmissão são modelados fisicamente e desenvolve-se um

processo de optimização, que usa algoritmos genéticos para determinar os esquemas de

amplificação ideais. Tendo em conta o compromisso existente entre a largura de banda e os

custos, conclui-se que as estratégias de comunicação híbridas são as mais prometedoras,

sobretudo a que usa conversão de comprimento de onda. Os resultados da análise da camada

física mostram que, dos esquemas estudados, só o que utiliza conversores via modulação de

ganho cruzado (XGM) em amplificador ópticos semicondutores (SOAs) é que não é viável a

10 Gbps. Face a isto, sugere-se, para trabalhos futuros, o estudo do conversor via modulação

de fase cruzada (XPM) em SOAs.

Palavras-Chave

Rede PON de grande cobertura; esquema de transmissão; conversão de comprimento de

onda; mecanismo de protecção; esquema de amplificação; algoritmos genéticos.

vi

Abstract

This work aims to design a hybrid optical access/metro network based on long-reach

PONs that reduces investment and operating costs. Its base contains a ring, along which are

distributed the optical line terminal (OLT) and the interconnection nodes (RNs) with the passive

optical access components (PONs). Different schemes for providing communication between

the OLT and the optical network units (ONUs), which include hybrid Wavelength Division

Multiplexing/Time Division Multiplexing (WDM/TDM) strategies and wavelength conversion

techniques, are studied and the structures for the OLT, RN and ONU are also detailed. Besides

that, it is presented a protection scheme, based on the optical channel dedicated protection ring

(OChDPRING) mechanism. In order to assess the network’s physical feasibility, the

communication schemes are physically modelled and it is developed an optimization process,

which uses genetic algorithms to determine the optimal amplification schemes. Taking into

account the compromise between bandwidth and cost, it is concluded that the most promising

communication strategies are hybrid, especially those using wavelength conversion. The

physical layer results show that the only scheme that is not practicable for 10 Gbps is the one

that uses converters based on cross gain modulation (XGM) in semiconductor optical amplifiers

(SOAs). Given this, it is suggested, for future work, the study of the converter based on cross

phase modulation (XPM) in SOAs.

Keywords

Long-reach PON; communication scheme; wavelength conversion; protection scheme;

amplification scheme; genetic algorithms.

vii

Índice

Índice ............................................ .............................................................................................. vii

1 – Introdução .................................... .......................................................................................... 1

1.1 – Enquadramento Do Trabalho ........................................................................................... 4

1.2 – Objectivos E Estrutura Do Trabalho ................................................................................. 5

1.3 – Contribuições Do Trabalho............................................................................................... 6

2 – Caracterização De Uma Rede De Acesso/Metro Ópti ca Híbrida Baseada Em PONs De Grande Cobertura .................................. ...................................................................................... 7

2.1 – Estrutura ........................................................................................................................... 7

2.2 – Esquemas De Transmissão ............................................................................................. 8

2.2.1 – TDM DL + TDMA UL ............................................................................................... 10

2.2.2 – WDM DL + WDMA UL Híbrido ................................................................................ 13

2.2.3 – WDM/TDM DL + TDMA UL ..................................................................................... 17

2.2.4 – WDM DL + WDMA UL Híbrido Sujeito A UWC ....................................................... 20

2.3 – Mecanismo De Protecção .............................................................................................. 23

2.4 – Em Síntese ..................................................................................................................... 25

3 – Análise Da Camada Física Da Rede PON De Grande Cobertura .................................... 27

3.1 – Análise Das Redes TDM E WDM/TDM-PON De Grande Cobertura ............................. 27

3.1.1 – Conceitos Teóricos .................................................................................................. 27

3.1.2 – Esquemas De Amplificação Ideais .......................................................................... 32

3.1.3 – Resultados Para O Estado De Serviço ................................................................... 34

3.1.3.1 – TDM DL + TDMA UL: Resultados E Sua Interpretação ....................................... 34

3.1.3.2 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Resultados E Sua Interpretação ........................ 40

3.1.3.3 – WDM/TDM DL + TDMA UL: Resultados E Sua Interpretação ............................. 44

3.1.4 – Resultados Para O Estado De Protecção ............................................................... 45

3.1.4.1 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Resultados E Sua Interpretação ........................ 46

3.1.4.2 – Problemas Introduzidos Pelo Mecanismo De Protecção ..................................... 47

3.2 – Análise Da Rede WDM/TDM-PON De Grande Cobertura Com UWC .......................... 50

3.2.1 – Conceitos Teóricos .................................................................................................. 50

3.2.2 – Resultados E Sua Interpretação ............................................................................. 53

3.3 – Em Síntese ..................................................................................................................... 56

4 – Conclusão ..................................... ....................................................................................... 59

4.1 – Trabalho Futuro .............................................................................................................. 60

Anexo A – Penalidade De Potência Devida À Dispersão ...................................................... 61

A.1 – Componentes Da Penalidade De Potência Devida À Dispersão .................................. 61

A.1.1 – Parâmetro De Dispersão Da Fibra ......................................................................... 62

A.1.2 – Caracterização De Fontes Ópticas ......................................................................... 63

A.2 – Variação Da Penalidade Com O Comprimento Da Ligação.......................................... 64

viii

Anexo B – Penalidade De Sensibilidade Burst-Mode ............................................................ 67

B.1 – Receptor Óptico Convencional ...................................................................................... 67

B.1.1 – Ruído Na Ausência De Amplificação Óptica .......................................................... 68

B.1.2 – Probabilidade De Erro De Bit Do Receptor Óptico Convencional .......................... 69

B.2 – Receptor Óptico Burst-Mode ......................................................................................... 71

B.2.1 – Probabilidade De Erro De Bit Do Receptor Óptico Burst-Mode ............................. 72

B.2.2 – Variação Da Penalidade De Sensibilidade Com O Tamanho Do Preâmbulo ........ 73

Anexo C – Amplificação Óptica ..................... .......................................................................... 75

C.1 – Classes De Amplificadores ............................................................................................ 75

C.2 – Caracterização Do Amplificador .................................................................................... 76

C.3 – Ganhos Dos Amplificadores Na Rede PON De Grande Cobertura .............................. 78

C.3.1 – TDM DL + TDMA UL: Determinação E Apresentação ........................................... 79

C.3.2 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Determinação E Apresentação ............................ 81

Anexo D – Optimização Da Rede ..................... ........................................................................ 85

D.1 – Implementação Dos Algoritmos Genéticos ................................................................... 86

D.1.1 – Problema................................................................................................................. 86

D.1.2 – Representação ....................................................................................................... 86

D.1.3 – Avaliação ................................................................................................................ 87

D.1.4 – Selecção ................................................................................................................. 88

D.1.5 – Reprodução ............................................................................................................ 89

D.1.6 – Inicialização ............................................................................................................ 91

D.1.7 – Substituição ............................................................................................................ 92

D.1.8 – Terminação ............................................................................................................. 92

D.2 – Apresentação E Interpretação Dos Resultados ............................................................ 94

D.2.1 – TDM DL + TDMA UL: Sentido Ascendente Da Rede ............................................. 94

D.2.2 – TDM DL + TDMA UL: Sentido Descendente Da Rede ........................................... 95

D.2.3 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Sentido Ascendente Da Rede .............................. 96

D.2.4 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Sentido Descendente Da Rede ........................... 97

D.2.5 – Interpretação Dos Resultados E Conclusões ......................................................... 98

D.3 – Optimização Da WDM/TDM-PON De Grande Cobertura Com UWC ........................... 99

Anexo E – Selecção Do Tipo De Fotodetector ........ ............................................................. 101

E.1 – TDM DL + TDMA UL: Selecção E Justificação ........................................................... 101

E.2 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Selecção E Justificação ............................................ 105

Anexo F – Parâmetros De Cálculo ................... ...................................................................... 107

ix

Lista De Figuras

FIG. 1.1: ESTRUTURA HIERÁRQUICA DE UMA REDE DE TELECOMUNICAÇÕES [1]. .................................. 1 FIG. 1.2: ESTRUTURA TRADICIONAL DA REDE PON [3]. ...................................................................... 2 FIG. 1.3: SOLUÇÕES FTTX [3]. ......................................................................................................... 3

FIG. 2.1: ESTRUTURA DA REDE DE ACESSO/METRO ÓPTICA HÍBRIDA BASEADA EM PONS DE GRANDE

COBERTURA............................................................................................................................. 7 FIG. 2.2: ESTRUTURA DA OLT, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL. ........ 11 FIG. 2.3: ESTRUTURA DA ONU, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL. ....... 11 FIG. 2.4: ESTRUTURA DO RN, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL. ......... 12 FIG. 2.5: ESTRUTURA DA OLT, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL

HÍBRIDO. ................................................................................................................................ 16 FIG. 2.6: ESTRUTURA DO RN #�, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL

HÍBRIDO. ................................................................................................................................ 16 FIG. 2.7: ESTRUTURA DA ONU DA REDE #� , SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL +

WDMA UL HÍBRIDO. .............................................................................................................. 17 FIG. 2.8: SERVIÇOS ACTUALMENTE E BREVEMENTE DISPONÍVEIS NO ACESSO [14]. ............................ 18 FIG. 2.9: ESTRUTURA DA OLT, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM/TDM DL + TDMA UL.

............................................................................................................................................. 20 FIG. 2.10: ESQUEMA DO CONVERSOR DO RN #�, BASEADO NA MODULAÇÃO DE GANHO CRUZADO EM

SOA. .................................................................................................................................... 22 FIG. 2.11: ESTRUTURA DO RN #�, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL

HÍBRIDO SUJEITO A UWC. ...................................................................................................... 23 FIG. 2.12: FUNCIONAMENTO DA REDE EM SERVIÇO (A) E PROTECÇÃO (B). ......................................... 24 FIG. 2.13: FUNCIONAMENTO DO RN EM SERVIÇO (A) E PROTECÇÃO (B). ........................................... 25

FIG. 3.1: PERCURSO TOMADO PELO SINAL, SEGUNDO O SENTIDO DE TRANSMISSÃO: (A) ASCENDENTE, (B) DESCENDENTE. ................................................................................................................. 28

FIG. 3.2: ESTRUTURA DO CROMOSSOMA: (A) REDES TDM-PON E WDM/TDM-PON, (B) REDE

WDM/TDM-PON COM UWC DE GRANDE COBERTURA. ........................................................... 33 FIG. 3.3: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DA OLT, EM FUNÇÃO DA

POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA DE

TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR PIN: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON #4. .................................................................................. 35

FIG. 3.4: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DA OLT, EM FUNÇÃO DA


TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR APD: (A) PON

#1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON #4. ............................................................................ 35 FIG. 3.5: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DE UMA ONU, EM FUNÇÃO DA

POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO

TDM DL + TDMA UL E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR PIN: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON #4. ...................................................................................................... 38

FIG. 3.6: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DE UMA ONU, EM FUNÇÃO DA


TDM DL + TDMA UL E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR APD: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON #4. ...................................................................................................... 38



TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR PIN: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON #4. .................................................................... 41

x



TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR APD: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON #4. ............................................................... 41



WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR PIN: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON #4. ....................................................................................... 43



WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO E QUANDO SE UTILIZA UM FOTODETECTOR APD: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON #4. ....................................................................................... 43

FIG. 3.11: PERCURSOS DESCRITOS PELOS SINAIS, QUANDO OCORRE UMA FALHA NUM TROÇO DE FIBRA

DO ANEL DA REDE: (A) TROÇO #1, (B) TROÇO #2, (C) TROÇO #3 E (D) TROÇO #4. ........ 45 FIG. 3.12: ESQUEMAS DE AMPLIFICAÇÃO NO ESTADO DE: (A) SERVIÇO, (B) PROTECÇÃO. .................... 47 FIG. 3.13: ESQUEMAS DE AMPLIFICAÇÃO FINAIS NO ESTADO DE: (A) SERVIÇO, (B) PROTECÇÃO. ......... 48 FIG. 3.14: NOVA ESTRUTURA PARA O RN. ....................................................................................... 50 FIG. 3.15: PERCURSO DESCRITO PELO SINAL ASCENDENTE, NA REDE WDM/TDM-PON SUJEITA A

UWC. ................................................................................................................................... 51 FIG. 3.16: ESTRUTURA INTERNA DO CONVERSOR DE COMPRIMENTO DE ONDA, PRESENTE NO RN #�. 52 FIG. 3.17: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DA OLT, EM FUNÇÃO DA


TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO SUJEITO A UWC E QUANDO SE UTILIZA UM

FOTODETECTOR PIN: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON #4. .............................. 53 FIG. 3.18: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT NO RECEPTOR DA OLT, EM FUNÇÃO DA


TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO SUJEITO A UWC E QUANDO SE UTILIZA UM

FOTODETECTOR APD: (A) PON #1, (B) PON #2, (C) PON #3, (D) PON #4. ............................. 54 FIG. 3.19: VARIAÇÃO DA RAZÃO DE EXTINÇÃO, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO

EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO

SUJEITO A UWC. ................................................................................................................... 56

FIG. A.1 VARIAÇÃO DO PARÂMETRO DE DISPERSÃO COM O COMPRIMENTO DE ONDA, PARA VÁRIOS

TIPOS DE FIBRA [21]. .............................................................................................................. 62 FIG. A.2: VARIAÇÃO DA PENALIDADE DE POTÊNCIA DEVIDA À DISPERSÃO CROMÁTICA, EM FUNÇÃO DO

COMPRIMENTO TOTAL DA LIGAÇÃO. GRÁFICO TIRADO A 10 GBPS, PARA VÁRIOS VALORES DO

PARÂMETRO DE CHIRP E SEGUNDO O SENTIDO ASCENDENTE. ................................................... 64 FIG. A.3: VARIAÇÃO DA PENALIDADE DE POTÊNCIA DEVIDA À DISPERSÃO CROMÁTICA, EM FUNÇÃO DO

COMPRIMENTO TOTAL DA LIGAÇÃO. GRÁFICO TIRADO A 10 GBPS, PARA VÁRIOS VALORES DO

PARÂMETRO DE CHIRP E SEGUNDO O SENTIDO DESCENDENTE. ................................................. 64

FIG. B.1: DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM RECEPTOR ÓPTICO CONVENCIONAL [21]. .............................. 67 FIG. B.2: FUNÇÕES DENSIDADE DE PROBABILIDADE DA AMOSTRA DE CORRENTE (“0” E “1”) [21]. ........ 70 FIG. B.3: DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM RECEPTOR ÓPTICO BURST-MODE [3]. ................................... 71 FIG. B.4: FUNÇÕES DENSIDADE DE PROBABILIDADE DA AMOSTRA DE CORRENTE (“0” E “1”) E DO LIMIAR

DE DECISÃO [27]. ................................................................................................................... 72 FIG. B.5: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DO RECEPTOR EM FUNÇÃO DA SUA

SENSIBILIDADE. GRÁFICO TIRADO A 10 GBPS: (A) PIN, (B) APD. .............................................. 73

FIG. C.1: MODELO EQUIVALENTE DE UM AMPLIFICADOR ÓPTICO. ...................................................... 76 FIG. C.2: VARIAÇÃO DO GANHO, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DE ENTRADA (�0 IGUAL A 25 DB E ��

IGUAL A 13 DBM).................................................................................................................... 78 FIG. C.3: VARIAÇÃO DO GANHO DO AMPLIFICADOR, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO

EMISSOR DE UMA ONU PERTENCENTE À PON #4, PARA O ESQUEMA TDM DL + TDMA UL: (A) AMPLIFICADOR #1, (B) #2, (C) #3 E (D) #4. .............................................................................. 79

xi

FIG. C.4: VARIAÇÃO DO GANHO DO AMPLIFICADOR, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO

EMISSOR DA OLT, PARA O ESQUEMA TDM DL + TDMA UL: (A) AMPLIFICADOR #1, (B) #2, (C) #3

E (D) #4. ................................................................................................................................ 80 FIG. C.5: VARIAÇÃO DO GANHO DO AMPLIFICADOR, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO

EMISSOR DE UMA ONU, PARA O ESQUEMA WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO: (A) AMPLIFICADOR

#1, (B) #2, (C) #3 E (D) #4. ..................................................................................................... 81 FIG. C.6: VARIAÇÃO DO GANHO DO AMPLIFICADOR, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO

EMISSOR DA OLT, PARA O ESQUEMA WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO: (A) AMPLIFICADOR #1, (B) #2, (C) #3 E (D) #4. ................................................................................................................ 82

FIG. C.7: VARIAÇÃO DA POTÊNCIA TOTAL, PARA UMA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO TRANSMISSOR DE 3

DBM, AO LONGO DA CADEIA DE AMPLIFICAÇÃO PRESENTE NO ANEL: (A) INTERIOR, (B) EXTERIOR DA

REDE TDM-PON DE GRANDE COBERTURA, (C) INTERIOR E (D) EXTERIOR DA REDE

WDM/TDM-PON DE GRANDE COBERTURA. ............................................................................ 83

FIG. D.1: ESTRUTURA DO CROMOSSOMA, PARA OS CASOS DAS REDES TDM-PON E WDM/TDM-PON

DE GRANDE COBERTURA. ....................................................................................................... 86 FIG. D.2: REPRESENTAÇÃO DOS PERCURSOS QUE SE PODEM ESTABELECER ENTRE A OLT E AS VÁRIAS

PONS, QUANDO A REDE SE ENCONTRA EM ESTADO DE SERVIÇO: (A) SENTIDO ASCENDENTE DE

TRANSMISSÃO, (B) SENTIDO DESCENDENTE. ............................................................................ 87 FIG. D.3: FLUXOGRAMA DO ALGORITMO UTILIZADO. ......................................................................... 93 FIG. D.4: EXEMPLO DA VARIAÇÃO DA POTÊNCIA DE EMISSÃO DO TRANSMISSOR DA ONU, PARA O

CROMOSSOMA MAIS APTO DA POPULAÇÃO, AO LONGO DA EVOLUÇÃO DO ALGORITMO (ESQUEMA

TDM DL + TDMA UL). ......................................................................................................... 94 FIG. D.5: EXEMPLO DA VARIAÇÃO DA POTÊNCIA DE EMISSÃO DO TRANSMISSOR DA OLT, PARA O


TDM DL + TDMA UL). ......................................................................................................... 95 FIG. D.6: EXEMPLO DA VARIAÇÃO DA POTÊNCIA DE EMISSÃO DO TRANSMISSOR DA ONU, PARA O


WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO). .......................................................................................... 96 FIG. D.7: EXEMPLO DA VARIAÇÃO DA POTÊNCIA DE EMISSÃO DO TRANSMISSOR DA OLT, PARA O


WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO). .......................................................................................... 97 FIG. D.8: VARIAÇÃO DA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DO RECEPTOR DA OLT EM FUNÇÃO DO GANHO

DO AMPLIFICADOR #1 (��, 1 � 18 ��; �0,2, �0,3, �0,4 � 14.5 ��; ��, 2, ��, 3, ��, 4 �17 ��; �� 12 �� ). ...................................................................................................... 98

FIG. D.9: FORMATO DO CROMOSSOMA (WDM/TDM-PON COM UWC). ........................................... 99 FIG. D.10: FORMATO FINAL DO CROMOSSOMA (WDM/TDM-PON COM UWC). .............................. 100

xii

Lista De Tabelas

TAB. 1.1: PARÂMETROS GPON E EPON. ......................................................................................... 4

TAB. 2.1: COMPRIMENTOS DE ONDA (NM) UTILIZADOS NA REDE PON DE GRANDE COBERTURA, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL. .............................................. 10

TAB. 2.2: COMPRIMENTOS DE ONDA UTILIZADOS, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO HÍBRIDO

WDM DL + WDMA UL. ......................................................................................................... 15 TAB. 2.3: COMPRIMENTOS DE ONDA UTILIZADOS, SEGUNDO O ESQUEMA DE TRANSMISSÃO WDM/TDM

DL + TDMA UL. .................................................................................................................... 19 TAB. 2.4: RESUMO DAS PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS ESQUEMAS DE TRANSMISSÃO. ................. 26

TAB. 3.1: ESQUEMAS DE AMPLIFICAÇÃO IDEAIS................................................................................ 34 TAB. 3.2: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU (EM DBM),

CORRESPONDENTES A UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE 10-12 E PARA O ESQUEMA DE

TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL. ..................................................................................... 36 TAB. 3.3: LIMITES MÁXIMOS DEFINIDOS, NAS NORMAS GPON E EPON, PARA A POTÊNCIA MÉDIA DE

EMISSÃO (DBM). .................................................................................................................... 36 TAB. 3.4: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU (EM DBM),


TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL. ..................................................................................... 37 TAB. 3.5: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT (EM DBM),


TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL. ..................................................................................... 39 TAB. 3.6: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT (EM DBM),

CORRESPONDENTES A UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT COM UM VALOR DE 10-3 E PARA O

ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL. ................................................................. 39 TAB. 3.7: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU (EM DBM),


TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO. ..................................................................... 42 TAB. 3.8: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU (EM DBM),


TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO. ..................................................................... 42 TAB. 3.9: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DA OLT (EM DBM),


TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO. ..................................................................... 44 TAB. 3.10: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL (DBM) À SAÍDA DOS EMISSORES DE UMA ONU (UL)

E DA OLT (DL), CALCULADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE 10-3, NA SITUAÇÃO

DE FALHA DO PRIMEIRO TROÇO DE FIBRA DO ANEL. .................................................................. 46 TAB. 3.11: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL (DBM) À SAÍDA DOS EMISSORES DE UMA ONU (UL)

E DA OLT (DL), CALCULADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT DE 10-3, EM AMBOS

ESTADOS DE REDE. ................................................................................................................ 48 TAB. 3.12: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA DE SINAL À SAÍDA DO EMISSOR DE UMA ONU (EM DBM),


TRANSMISSÃO WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO SUJEITO A UWC. ............................................ 54 TAB. 3.13: VALORES PARA A POTÊNCIA (EM W) DAS COMPONENTES DE RUÍDO ASE, À ENTRADA DO

RECEPTOR DA OLT. ............................................................................................................... 55 TAB. 3.14: RESULTADOS A 1.25 GBPS, PARA A CAMADA FÍSICA DA REDE PON DE GRANDE COBERTURA,

EM SERVIÇO........................................................................................................................... 57 TAB. 3.15: RESULTADOS A 2.5 GBPS, PARA A CAMADA FÍSICA DA REDE PON DE GRANDE COBERTURA,

EM SERVIÇO........................................................................................................................... 57

xiii

TAB. 3.16: RESULTADOS A 10 GBPS, PARA A CAMADA FÍSICA DA REDE PON DE GRANDE COBERTURA, EM SERVIÇO........................................................................................................................... 57

TAB. 3.17: RESULTADOS FINAIS, PARA A CAMADA FÍSICA DA REDE WDM/TDM-PON DE GRANDE

COBERTURA........................................................................................................................... 58

TAB. A.1: VALORES DO PARÂMETRO DE DISPERSÃO (PS/NM/KM) PARA OS VÁRIOS COMPRIMENTOS DE

ONDA (NM) UTILIZADOS. .......................................................................................................... 63 TAB. A.2: FONTES ÓPTICAS E SUAS CARACTERÍSTICAS. ................................................................... 63

TAB. B.1: VALORES PARA A PENALIDADE DE SENSIBILIDADE BURST-MODE A 10 GBPS (�� , �� 10 � 12). .............................................................................................................................. 73

TAB. C.1: GANHOS DOS AMPLIFICADORES DA REDE TDM-PON DE GRANDE COBERTURA, PARA UMA

POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO TRANSMISSOR DE 3 DBM. ............................................................ 81 TAB. C.2: GANHOS DOS AMPLIFICADORES DA REDE WDM/TDM-PON DE GRANDE COBERTURA, PARA

UMA POTÊNCIA MÉDIA À SAÍDA DO TRANSMISSOR DE 3 DBM. ..................................................... 82

TAB. D.1: QUANTIDADES DE CROMOSSOMAS SELECCIONADOS. ........................................................ 89 TAB. D.2: DOMÍNIOS DAS VARIÁVEIS QUE COMPÕEM O CROMOSSOMA (TDM DL + TDMA UL NO

SENTIDO ASCENDENTE). ......................................................................................................... 94 TAB. D.3: ALGUNS RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO ALGORITMO GENÉTICO PARA O CENÁRIO TDM DL +

TDMA UL NO SENTIDO ASCENDENTE DA REDE (GANHOS EXPRESSOS EM DB E POTÊNCIAS EM

DBM). .................................................................................................................................... 94 TAB. D.4: DOMÍNIOS DAS VARIÁVEIS QUE COMPÕEM O CROMOSSOMA (TDM DL + TDMA UL NO

SENTIDO DESCENDENTE). ....................................................................................................... 95 TAB. D.5: ALGUNS RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO ALGORITMO GENÉTICO PARA O CENÁRIO TDM DL +

TDMA UL NO SENTIDO DESCENDENTE DA REDE (GANHOS EXPRESSOS EM DB E POTÊNCIAS EM

DBM). .................................................................................................................................... 95 TAB. D.6: DOMÍNIOS DAS VARIÁVEIS QUE COMPÕEM O CROMOSSOMA (WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO

NO SENTIDO ASCENDENTE). .................................................................................................... 96 TAB. D.7: ALGUNS RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO ALGORITMO GENÉTICO PARA O CENÁRIO WDM DL +

WDMA UL HÍBRIDO NO SENTIDO ASCENDENTE DA REDE (GANHOS EXPRESSOS EM DB E

POTÊNCIAS EM DBM). ............................................................................................................. 96 TAB. D.8: DOMÍNIOS DAS VARIÁVEIS QUE COMPÕEM O CROMOSSOMA (WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO

NO SENTIDO DESCENDENTE). .................................................................................................. 97 TAB. D.9: ALGUNS RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO ALGORITMO GENÉTICO PARA O CENÁRIO WDM DL +

WDMA UL HÍBRIDO NO SENTIDO DESCENDENTE DA REDE (GANHOS EXPRESSOS EM DB E

POTÊNCIAS EM DBM). ............................................................................................................. 97 TAB. D.10: DOMÍNIOS DAS VARIÁVEIS QUE COMPÕEM O CROMOSSOMA (WDM DL + WDMA UL

HÍBRIDO COM UWC). ........................................................................................................... 100 TAB. D.11: ALGUNS RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO ALGORITMO GENÉTICO PARA O CENÁRIO WDM DL

+ WDMA UL HÍBRIDO COM UWC (GANHO EXPRESSO EM DB E POTÊNCIAS EM DBM). .............. 100

TAB. E.1: VALORES DAS COMPONENTES DE RUÍDO (EM A2), DETERMINADOS PARA UMA PROBABILIDADE

DE ERRO DE BIT DE 10-12 E PARA UM DÉBITO DE 10 GBPS (TDM DL + TDMA UL NO SENTIDO

ASCENDENTE). ..................................................................................................................... 102 TAB. E.2: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA TOTAL À ENTRADA DO RECEPTOR DA OLT (EM DBM),

CALCULADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT COM UM VALOR DE 10-12 E PARA O

ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL. ............................................................... 103 TAB. E.3: VALORES DAS COMPONENTES DE RUÍDO (EM A2), DETERMINADOS PARA UMA PROBABILIDADE

DE ERRO DE BIT DE 10-12 E PARA UM DÉBITO DE 10 GBPS (TDM DL + TDMA UL NO SENTIDO

DESCENDENTE). ................................................................................................................... 104 TAB. E.4: VALORES DA POTÊNCIA MÉDIA TOTAL À ENTRADA DO RECEPTOR DE UMA ONU (EM DBM),

CALCULADOS PARA UMA PROBABILIDADE DE ERRO DE BIT COM UM VALOR DE 10-12 E PARA O

ESQUEMA DE TRANSMISSÃO TDM DL + TDMA UL. ............................................................... 104

xiv

TAB. E.5: VALORES DAS COMPONENTES DE RUÍDO (EM A2), DETERMINADOS PARA UMA PROBABILIDADE

DE ERRO DE BIT DE 10-12 E PARA UM DÉBITO DE 10 GBPS (WDM DL + WDMA UL HÍBRIDO NO

SENTIDO ASCENDENTE). ....................................................................................................... 105

TAB. F.1: DIMENSIONAMENTO FÍSICO DA REDE PON DE GRANDE COBERTURA................................. 107 TAB. F.2: CARACTERIZAÇÃO DOS AMPLIFICADORES (FINAL) E DOS FILTROS ÓPTICOS. ...................... 107 TAB. F.3: COMPRIMENTOS DE ONDA (NM) UTILIZADOS NA REDE PON DE GRANDE COBERTURA E

RESPECTIVOS VALORES DE DISPERSÃO (PS/NM/KM), DE ATENUAÇÃO NA FIBRA (DB/KM), E DE

RESPOSTIVIDADE (A/W). ...................................................................................................... 107 TAB. F.4: OUTRAS CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DOS RECEPTORES ÓPTICOS. ........................... 108 TAB. F.5: PERDAS DE POTÊNCIA (EM DB) NOS ELEMENTOS ÓPTICOS. ............................................. 108 TAB. F.6: OUTROS PARÂMETROS IMPORTANTES: PENALIDADES E MARGENS (EM DB). ...................... 108

xv

Lista De Símbolos

�� Parâmetro de chirp.

�� Coeficiente de atenuação da fibra.

, !1 Atenuação genérica.

" Perdas de potência no conector.

"#$%&'( Perdas de potência no acoplador direccional.

)*&+'(, !)*&+'( Perdas de potência no filtro óptico.

,, !, Perdas de potência no troço que interliga dois nós do anel da rede.

-,., !-,. Perdas de potência na OLT.

-/0, !-/0 Perdas de potência na ONU.

1-/, !1-/ Perdas de potência na componente de acesso PON.

2/, !2/ Perdas de potência no nó remoto RN.

2/3 Perdas de potência no novo nó remoto RN.

45*+�6, !45*+�6 Perdas de potência no comutador.

789 Perdas de potência no duplexor WDM.

:; Parâmetro de dispersão da velocidade de grupo.

<= Largura de banda óptica do filtro.

<=, >% Largura de banda óptica do amplificador.

<',? Largura de banda equivalente eléctrica do receptor óptico.

� Velocidade da luz no vazio.

@A,) Largura espectral da fonte.

B1CD8A. ,E|G<, ∆1 Penalidade de potência associada ao efeito de dispersão.

∆1<9 Penalidade de sensibilidade burst-mode.

∆1D8A. ,E|G<) Penalidade devida à dispersão e causada pela largura da fonte.

∆1D8A. ,E|G<9 Penalidade devida à dispersão e causada pela largura do sinal.

8I Débito binário de transmissão.

8I,

0,

8, Débito binário total ascendente/descendente.

8I,

0,

8, ,*

Débito binário as/descendente associado à PON #�.

8I,

0,

8,

-/0 Débito binário médio as/descendente garantido a uma ONU.

8I,

0,

8, ,*

-/0 Débito binário médio as/descendente garantido a uma ONU da PON #�.

8A Parâmetro de dispersão da fibra.

8A>!J Parâmetro de dispersão máximo da fibra.

'2-,. Campo eléctrico do sinal, à entrada do receptor da OLT.

'2-/0 Campo eléctrico do sinal, à entrada do receptor da ONU.

1 Parâmetros equivalentes: o primeiro (maiúsculas) encontra-se em unidades logarítmicas e o segundo

(minúsculas) em lineares.

xvi

'K%,* Campo eléctrico ruído ASE gerado pelo amp. #�, à entrada do receptor.

) Factor de excesso de ruído do fotodetector.

)? Factor de ruído do pré-amplificador eléctrico.

)?, >% Factor de ruído do amplificador óptico.

LM*? � N=NO Ganho real do amplificador do conversor, quando o sinal vai a “0”.

LM*? � NPNO Ganho real do amplificador do conversor, quando o sinal vai a “1”.

L7"#? Ganho real do amplificador do conversor #�.

Q*, L* Ganho real do amplificador #� presente no anel da rede.

Q=07" Ganho para sinais fracos do amplificador presente no conversor.

Q=,* Ganho para sinais fracos do amplificador #� presente no anel da rede.

6 Constante de Planck.

* Corrente eléctrica à saída do fotodetector.

R= Corrente eléctrica à saída do fotodetector, associada ao símbolo “0”.

RP Corrente eléctrica à saída do fotodetector, associada ao símbolo “1”.

R8 Limiar de decisão.

*? Corrente eléctrica de ruído à saída do fotodetector.

*K6#+ Corrente eléctrica de ruído shot.

*K> Corrente eléctrica de ruído de multiplicação de shot.

*+6 Corrente eléctrica de ruído térmico.

S Número de ONUs por componente de acesso PON.

T Razão dos coeficientes de ionização.

T< Constante de Boltzmann.

S* Número de ONUs da componente de acesso PON #�. A Comprimento de onda nominal de funcionamento.

A=>*? Comprimento de onda mínimo de dispersão nula.

A8 Comprimento de onda para o sentido descendente.

A81 Comprimento de onda para o sentido descendente de protecção.

A84 Comprimento de onda para o sentido descendente de serviço.

A0 Comprimento de onda para o sentido ascendente. A01 Comprimento de onda para o sentido ascendente de serviço. A04 Comprimento de onda para o sentido ascendente de serviço.

, Comprimento do troço de fibra que interliga dois nós do anel da rede.

,8 Comprimento da fibra de distribuição da componente de acesso PON.

,) Comprimento da fibra de alimentação da componente de acesso PON.

9 Ganho do fotodetector.

9� Margem de segurança ou de funcionamento.

/ Número de nós remotos RN.

/% Tamanho da população de cromossomas.

xvii

U Eficiência quântica.

?K% Factor de emissão espontânea.

1, 1G<> , % Potência genérica.

% 4V,* Potência de ruído ASE gerada pelo amp. #�, à entrada do receptor.

1' Probabilidade de erro de bit.

1'.<9 Probabilidade de erro de bit burst-mode.

1CV Potência óptica média à saída do emissor.

1CV,9 W Potência óptica média máxima à saída do emissor.

1CV-,. Potência óptica média de sinal à saída do emissor da OLT.

1CV-/0 Potência óptica média de sinal à saída do emissor da ONU.

%* Potência óptica injectada no receptor.

%*,= Potência óptica injectada no receptor, associada ao símbolo “0”.

%*,P Potência óptica injectada no receptor, associada ao símbolo “1”.

%XC Potência óptica média injectada no receptor.

1C*7"#? Potência óptica média de sinal à entrada do conversor #�.

1C#7"#?, %C#

7"#? Potência média de sinal à saída do conversor #�.

%#,3=37"#? Potência de sinal, associada ao símbolo ‘0’, à saída do conversor #�.

%#,3P37"#? Potência de sinal, associada ao símbolo ‘1’, à saída do conversor #�.

1C2-,., %C2

-,. Potência óptica média de sinal à entrada do receptor da OLT.

1C2-/0, %C2

-/0 Potência óptica média de sinal à entrada do receptor da ONU.

1K!+07" Potência de saturação interna do amplificador presente no conversor.

1K!+,* Potência de saturação interna do amplificador #� presente no anel.

1+7"#?, %+

7"#? Potência óptica à saída do laser do conversor #�.

Y Carga do electrão.

Z Factor SNR.

( Razão de extinção.

(#7"#? Razão de extinção, à saída do conversor #�.

2A Respostividade do fotodetector.

21 Resistência de polarização.

[A,) Largura espectral r.m.s da fonte.

[?; Potência total de ruído verificada no receptor.

[?,=; Potência total de ruído verificada no receptor, associada ao símbolo ‘0’.

[?,P; Potência total de ruído verificada no receptor, associada ao símbolo ‘1’.

[K6#+; Potência de ruído de shot.

[K>; Potência de ruído de multiplicação de shot.

[K\K%; Potência dos ruídos de batimento � � �].

[K%\K%; Potência dos ruídos de batimento �] � �].

xviii

[+6; Potência de ruído térmico.

4P:J, KP:J Perdas de potência no repartidor 1: _.

`=abc Declive máximo de dispersão nula.

4 4V Densidade espectral unilateral do ruído ASE.

4- Densidade espectral unilateral do ruído ASE, à saída do amplificador.

. Temperatura absoluta.

d Frequência de transmissão do sinal.

xix

Lista De Acrónimos

10GEPON 10 Gigabit Ethernet Passive Optical Network

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AG Algoritmo Genético

APD Avalanche Photodiode

ASE Amplified Spontaneous Emission

ASS Amplified Spontaneous Scattering

ATM Asynchronous Transfer Mode

AWG Arrayed Waveguided Grating

BER Bit Error Rate

Bdcst Broadcast

BM Burst-Mode

CDM Code Division Multiplexing

CDMA Code Division Multiple Access

CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing

DBA Dynamic Bandwidth Allocation

DCF Dispersion-Compensating Fiber

DFB Distributed Feedback

DL Downstream Line

DP Downstream Protection

DS Downstream Service

DSL Digital Subscriber Line

DWA Dynamic Wavelength Allocation

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

EDWA Erbium Doped Waveguide Amplifier

EPON Ethernet Passive Optical Network

FEC Forward Error Correction

FRA Fibre Raman Amplifier

FTTB Fiber To The Building

FTTC Fiber To The Curb

FTTCab Fiber To The Cabinet

FTTH Fiber To The Home

FTTP Fiber To The Premise

FTTx Fiber To The x

FWM Four Wave Mixing

GPON Gigabit Passive Optical Network

HSI High Speed Internet

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

xx

IPTV Internet Protocol Television

ITU-T International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector

LD Laser-Diode

LED Light-Emitting Diode

MAC Media Access Control

OAM Operations Administration and Maintenance

OCh Optical Channel

OChDPRING Optical Channel Dedicated Protection Ring

OChSPRING Optical Channel Shared Protection Ring

ODN Optical Distribution Network

OFA Optical Fibre Amplifier

OLT Optical Line Terminal

OMS Optical Multiplex Section

ONT Optical Network Terminal

ONU Optical Network Unit

OWGA Optical Wave Guide Amplifier

P2P Peer-to-Peer

PIN Positive-Intrinsic-Negative

PON Passive Optical Network

QoS Quality of Service

RBS Rayleigh BackScattering

RF Radio Frequency

RN Remote Node

RSOA Reflective Semiconductor Optical Amplifier

RTT Round Trip Time

SARDANA Scalable Advanced Ring Dense Access Network Architecture

SCM Subcarrier Division Multiplexing

SCMA Subcarrier Division Multiple Access

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SNR Signal-to-Noise Ratio

SOA Semiconductor Optical Amplifier

SONET Synchronous Optical Network

SRS Stimulated Raman Scattering

TDM Time Division Multiplexing

TDM-PON Time Division Multiplexing-Passive Optical Network

TDMA Time Division Multiple Access

UL Upstream Line

UP Upstream Protection

US Upstream Service

UWC Upstream Wavelength Conversion

xxi

VDSL Very high bitrate Digital Subscriber Line

VoD Video on Demand

VoIP Voice over Internet Protocol

WDM Wavelength Division Multiplexing

WDM-PON Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network

WDMA Wavelength Division Multiple Access XGM Cross Gain Modulation

XPM Cross Phase Modulation

1

1 – Introdução

As redes de telecomunicações podem ser organizadas, segundo a extensão

geográfica, numa estrutura hierárquica com três níveis (ver Fig. 1.1). A rede de núcleo abrange

uma vasta área, com frequência um país, cobrindo distâncias na ordem das centenas ou

milhares de quilómetros e encontra-se dotada de uma elevada capacidade de transporte de

informação (até Tbps). No extremo oposto da hierarquia situam-se as redes de acesso que se

prolongam até aos utilizadores, por distâncias normalmente inferiores a 10 km, utilizando uma

grande variedade de tecnologias. A interligar o núcleo e o acesso encontram-se as redes

metropolitanas que se estendem, em média, por distâncias de 100 km. Na actualidade, o metro

e o acesso são duas redes completamente distintas na tecnologia, nos protocolos e, ainda na

maior parte dos casos, no meio de transmissão, pelo que a respectiva manutenção torna-se

complexa e dispendiosa.

Fig. 1.1: Estrutura hierárquica de uma rede de tele comunicações [1].

As crescentes necessidades de largura de banda têm impulsionado os operadores a

melhorarem as infra-estruturas das suas redes, através do prolongamento da fibra óptica até às

proximidades dos assinantes. Neste sentido, tornou-se evidente que a fibra óptica, dominante

nas redes de metro e de núcleo devido à sua elevada capacidade de transmissão, prevalecerá

como o meio de eleição no segmento final da rede. No fundo, a implementação de PONs

(Passive Optical Networks) e de outras abordagens FTTH (Fiber To The Home) providenciará a

gradual convergência acesso/metro, em termos do meio de transmissão.

As PONs são um conceito discutido há mais de uma década e que se tem popularizado

por permitir a partilhar dos custos, inerentes a uma rede de acesso óptica, por vários

utilizadores, viabilizando a progressão da fibra óptica e disponibilizando maiores larguras de

banda. Ao longo do tempo, têm sido propostas várias soluções baseadas nesta tecnologia,

mas, na actualidade, apenas duas variantes das TDM-PONs (Time Division Multiplexing-PONs)

se encontram massificadas: GPON (Gigabit PON) adoptada pela ITU-T (International

2

Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector) como a série G.984 e

amplamente implementada em zonas da América do Norte e da Europa; EPON (Ethernet PON)

definida pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) na norma 802.3ah e

instalada em grande escala no Japão, na China e na Coreia [2].

A estrutura tradicional das redes TDM-PON é baseada numa topologia em árvore (ver

Fig. 1.2) e enquadrada num esquema ponto a multiponto, em que se liga a OLT (Optical Line

Terminal), colocada na central local, aos terminais: ONUs (Optical Network Units), segundo a

IEEE, ou ONTs (Optical Network Terminals), pela ITU-T. Na ODN (Optical Distribution

Network), uma fibra óptica de alimentação é dividida, através de um repartidor óptico passivo

bidireccional, por um determinado número de fibras de distribuição que chegam às ONUs.

Nestes sistemas são eliminados todos os elementos activos entre o provedor de serviço e o

utilizador, ganhando-se em simplicidade, fiabilidade, custos de operação e de manutenção.

A comunicação entre a OLT e as ONUs é bidireccional (full-duplex) e utiliza diferentes

comprimentos de onda de canais CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) para

separar os sentidos de tráfego. Como o próprio nome indica, este tipo de redes serve-se de

protocolos MAC (Media Access Control) construídos com tecnologias TDM (Time Division

Multiplexing).

Fig. 1.2: Estrutura tradicional da rede PON [3].

As PONs podem ser implementadas na rede de acesso segundo vários esquemas de

FTTx (Fiber To The x), como se evidencia na Fig. 1.3, aproximando ou afastando o

equipamento óptico terminal das imediações do assinante: FTTH, FTTB (Fiber To The

Building), FTTC (Fiber To The Curb) e FTTCab (Fiber To the Cabinet). Nos finais de 2007 já

existiam 29 milhões de assinantes conectados mundialmente através de infra-estruturas FTTx

e servidos maioritariamente via FTTH ou FTTB [4]. Estas duas arquitecturas são casualmente

apelidadas de FTTP (Fiber To The Premise).

As soluções FTTH levam a fibra óptica directamente até às residências dos assinantes

e providenciam larguras de banda de 30 a 100 Mbps. No FTTB, cada fibra ataca um edifício e

os utilizadores são servidos com cerca de 10 Mbps. As arquitecturas FTTC levam a fibra até

3

150-300 m dos assinantes e as FTTCab até cerca de 1.5 km. O restante troço de rede é

construído em cobre e a largura de banda é definida pela tecnologia DSL (Digital Subscriber

Line) empregue. Nos sistemas FTTC é normalmente utilizado o VDSL (Very high bitrate DSL),

enquanto no FTTCab é usado o ADSL (Asymmetric DSL) [5].

Fig. 1.3: Soluções FTTx [3].

GPON e EPON são normas que diferem em vários aspectos, como no débito nominal

de linha, na eficiência do protocolo, no orçamento de potência disponível entre a OLT e as

ONUs, no factor de repartição e mesmo até no custo final. Na Tab. 1.1 indicam-se os

parâmetros mais relevantes para as duas TDM-PONs. Resumidamente, pode-se dizer que a

GPON apresenta um protocolo com uma maior eficiência. No entanto, a aposta, por parte da

EPON, na tecnologia Ethernet torna-a a solução mais eficiente em termos económicos. Note-se

que, a GPON também suporta Ethernet. Contudo, tem a vantagem adicional de suportar

tráfego TDM e ATM (Asynchronous Transfer Mode).

É consensual que estas TDM-PON (GPON e EPON) não conseguirão cumprir com as

necessidades futuras do mundo das telecomunicações, sobretudo no que toca à largura de

banda, pelo que, actualmente, já se pensa na próxima geração PON. Como exemplo, tem-se o

trabalho iniciado em Setembro de 2006 para a normalização da 10GEPON (10 Gigabit EPON)

e que foi concluído em Setembro de 2009 com a aprovação da norma IEEE 802.3av. A

10GEPON representa uma extensão da norma EPON e pretende elevar o débito a 10 Gbps [6].

A tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing) tem vindo a ser considerada

como a solução ideal para incrementar a capacidade das redes ópticas, sem mudar

drasticamente a infra-estrutura de fibra disponível. Como permite que uma única fibra

transporte simultaneamente múltiplos comprimentos de onda, a ligação a cada um dos

utilizadores finais acaba por se tornar virtualmente ponto a ponto. Assim, além de se aumentar

bastante a largura de banda disponível, simplificam-se as tarefas de gestão, protecção e

segurança da rede. A rede PON em que cada ONU é servida por um comprimento de onda

único designa-se WDM-PON.

4

Tab. 1.1: Parâmetros GPON e EPON.

GPON EPON

Norma ITU-T G.984 IEEE 802.3ah

Débito Downstream [Mb/s] 1244.16, 2488.32 1250

Débito Upstream [Mb/s] 155.52, 622.08, 1244.16, 2488.32 1250

Codificação de Linha NRZ (+ scrambling) 8B/10B

Comprimentos de onda D/U [nm] 1490±10/1310±50 1490±10/1310±50

RF overlay [nm] 1550±5 1550±5

Eficiência Média ≈93% ≈65%

Factor de Repartição Máx. 1:64 1:16/1:32

Alcance Máx. [km] 10/20 (físico); 60 (lógico) 10/20 (físico)

Orçamento Máx. [dB] 15/20/25 15/20

Protocolo de Transmissão De Dados Ethernet sobre GEM e/ou ATM Ethernet

Suporte TDM

(Emulação de Circuitos)

TDM nativo e/ou

TDM sobre ATM e/ou

TDM sobre pacote

TDM sobre pacote

OAM e Gestão PLOAM e OMCI OAM Ethernet (SNMP opcional)

Segurança no Downstream AES Não definida

Custo Relativo/ONU 100% 78%

A proliferação das PONs, aliada ao desenvolvimento de variados serviços e aplicações

de banda larga, exigirá o aumento da capacidade das redes de metro que, tradicionalmente, é

resolvido com a instalação de equipamentos SONET/SDH (Synchronous Optical

Network/Synchronous Digital Hierarchy) e WDM bastante dispendiosos. No entanto, com a

partilha do mesmo meio de transmissão surgirá a possibilidade das redes de metro e de

acesso convergirem, também, sob a utilização de tecnologias semelhantes, passando a

beneficiar-se de economia de escala e de custos de manutenção mais baixos. Uma estratégia

prometedora é a de aperfeiçoar a escalabilidade das PONs, sem mantê-las necessariamente

passivas, ao ponto de suportar com uma única estrutura um grande número de assinantes que

anteriormente se encontravam distribuídos por múltiplas redes de acesso.

1.1 – Enquadramento Do Trabalho

Nas publicações [3] e [7] demonstra-se a viabilidade de uma arquitectura baseada na

norma 10GEPON, que devido à grande cobertura, ao elevado número de ONUs suportado e à

resiliência contra falhas, providencia a fiável convergência entre o metro e o acesso. A rede

10GEPON de grande cobertura serve-se de uma estrutura anelar, que constitui o segmento de

metro, para interligar várias 10GEPONs com uma única OLT. A interface metro/acesso é

realizada por meio de nós remotos, que desempenham funções de amplificação, comutação

para protecção e monitorização de sinal. A análise da camada física confirma a viabilidade

5

técnica de uma rede com 128 ONUs, distribuídas por 4 EPONs de 20 km e conectadas por um

anel de 100 km.

O presente trabalho baseia-se na arquitectura desta rede 10GEPON de grande

cobertura. Face às crescentes necessidades dos utilizadores e aos futuros serviços de banda

larga, perspectiva-se o aumento da sua capacidade de transmissão pela introdução de

tecnologias WDM no segmento de metro. Porém, estando ciente dos custos proibitivos

inerentes à atribuição de um comprimento de onda dedicado a cada utilizador, torna-se

essencial manter o TDM nas componentes de acesso. Assim, elabora-se uma estratégia

híbrida WDM/TDM que promove uma solução eficiente economicamente e escalável de

sofisticação da tecnologia empregue na rede PON de grande cobertura. Em [8], faz-se

referência a esta rede híbrida e concretiza-se com a apresentação de uma estrutura possível

para os seus nós remotos, que utiliza conversão de comprimento de onda para garantir a

compatibilidade com os sistemas de acesso já normalizados.

[34], por exemplo, propõe a SARDANA (Scalable Advanced Ring Dense Access

Network Architecture), uma PON de nova geração arquitecturalmente semelhante à 10GEPON

de grande cobertura, mas que permite servir mais de 1000 utilizadores através da introdução

de ONUs color-free baseadas em RSOAs (Reflective Semiconductor Optical Amplifiers). O seu

principal objectivo prende-se com a (re)utilização dos equipamentos G/EPON e 10G. Ao fazer

uso de técnicas de amplificação com bombeamento remoto, a SARDANA PON mantém-se

totalmente passiva e resolve simultaneamente as elevadas perdas de potência inerentes a uma

estrutura com 100 km. Os resultados experimentais demonstram que a SARDANA PON

permite 10 Gbps no downstream e desde 1.25 a 5 Gbps no upstream. Mesmo na presença de

um corte numa fibra, provou-se uma transmissão a 1.25 Gbps para 1024 ONUs.

1.2 – Objectivos E Estrutura Do Trabalho

Este trabalho tem como principal objectivo conceber e projectar uma rede de

acesso/metro óptica híbrida baseada em PONs de grande cobertura, que promova a redução

dos custos de investimento e de operação da rede. Isto envolve estudos de arquitecturas de

rede (com elevada resiliência), estudos sobre aspectos de natureza física e a introdução de

novas tecnologias como os amplificadores e WDM.

O trabalho encontra-se dividido em 4 capítulos e 6 anexos. No Capítulo 2 propõe-se

uma estrutura base para a rede e, em seguida, estudam-se e comparam-se os vários

esquemas de transmissão que são alvos de possível implementação. Salienta-se que as várias

estruturas dos elementos da rede estão dependentes das características destes esquemas. No

Capítulo 3, as soluções identificadas são fruto de modelação a nível físico de modo a avaliar a

viabilidade da rede em termos da sua implementação. Além disso, pretende-se o conhecimento

das características de rede que optimizam o seu desempenho. No Capítulo 4 apresentam-se

as conclusões relativas ao trabalho, assim como sugestões para trabalho futuro.

6

1.3 – Contribuições Do Trabalho

As principais contribuições deste trabalho são:

� Proposta e estudo dos esquemas de transmissão mais prometedores, ao nível da

tecnologia PON;

� Análise das propriedades físicas de uma rede PON de grande cobertura e discussão

sobre a sua viabilidade;

� Caracterização e análise, ao nível físico, de um conversor de comprimento de

onda que utiliza modulação de ganho cruzado baseado em SOAs;

� Referência a um mecanismo de protecção da rede PON de grande cobertura e

apresentação de soluções para torná-lo funcionalmente compatível com a rede;

� Desenvolvimento de um método de optimização (baseado em algoritmos genéticos) da

rede, por actuação no esquema de amplificação.

7

2 – Caracterização De Uma Rede De Acesso/Metro Ópti ca Híbrida

Baseada Em PONs De Grande Cobertura

Neste capítulo descreve-se a estrutura base da rede em análise, são propostos vários

esquemas de transmissão e indicam-se as alterações a realizar à sua estrutura para

implementar cada um dos esquemas. Mais tarde, propõe-se e descreve-se o mecanismo de

protecção da rede.

2.1 – Estrutura

Neste trabalho analisa-se uma rede de grande cobertura, baseada em tecnologia PON,

cuja estrutura se apresenta na Fig. 2.1. Como se observa pela figura, a base da rede comporta

dois anéis de fibra óptica, unidireccionais, mas com sentidos de tráfego contrários. No anel

exterior circulam, sempre no sentido retrógrado, os fluxos descendente de serviço (DS) e

ascendente de protecção (UP). No anel interior são transmitidos, no sentido directo, o tráfego

que contém o sentido ascendente de serviço (US) e o descendente de protecção (DP). Além

disso, salienta-se que os comprimentos de onda de serviço e protecção, de um sentido, são

idênticos.

Fig. 2.1: Estrutura da rede de acesso/metro óptica híbrida baseada em PONs de grande cobertura.

8

Ao longo da estrutura anelar, que foi descrita no parágrafo anterior, distribuem-se nós

remotos (RNs ou Remote Nodes) a partir dos quais derivam as componentes de acesso. Ao

cargo destes RNs encontram-se as funções de amplificação, repartição, combinação e

comutação para protecção dos sinais transmitidos entre a OLT da central local e os

equipamentos terminais ONUs. Nas secções posteriores deste capítulo, propõem-se e

descrevem-se possíveis estruturas para o RN.

O acesso é realizado sob uma estrutura totalmente passiva, à semelhança das redes

TDM-PON. A fibra de alimentação de cada PON é agora ligada a um RN que realiza a interface

metro/acesso, ao contrário da rede típica, onde se encontrava directamente conectada à OLT.

Na estrutura que se apresenta, a OLT encontra-se localizada no anel da rede.

2.2 – Esquemas De Transmissão

Numa rede desta dimensão, é essencial criar uma estratégia para o estabelecimento

da comunicação entre a central e os seus múltiplos assinantes. Esta estratégia pode ser

definida como um esquema de transmissão, o qual engloba um método de acesso múltiplo,

para o sentido ascendente, e um método de multiplexagem da informação, para o

descendente.

Os esquemas de acesso múltiplo podem ser classificados em TDMA (Time-Division

Multiple Access), WDMA (Wave-Division Multiple Access), SCMA (Subcarrier-Division Multiple

Access) e CDMA (Code-Division Multiple Access).

A técnica TDMA, actualmente a mais popular, atribui time slots dedicados a cada um

dos assinantes ligados à rede. De modo a evitar colisões de dados, cada ONU deve negociar

com a OLT os instantes de tempo em que pode enviar os seus dados. Um dos parâmetros

importantes envolvidos neste processo é a distância da OLT à ONU, a qual permite calcular o

atraso de tempo da informação. Note-se que, as ONUs encontram-se a distâncias diferentes da

OLT. O processo de identificação do atraso de tempo actual a cada uma das ONUs é

conhecido como ranging ou discovery [9]. Após atribuição, cada um dos assinantes fica

habilitado a usar a capacidade máxima da ligação pela duração do seu time slot. Quando

algum assinante não tem informação para enviar, a capacidade do canal pode ser atribuída a

outros, caso estes possuam mais dados para transmitir. Este processo, designado por DBA

(Dynamic Bandwidth Allocation), permite gerir a largura de banda do canal de forma mais

eficiente, mas adiciona complexidade ao algoritmo de controlo da rede [9].

No esquema WDMA é atribuído um par de comprimentos de onda dedicados a cada

um dos assinantes. Assim, e ao contrário do que sucede no TDMA, cada assinante pode

transmitir informação a qualquer momento, usando a capacidade máxima da ligação. A

independência criada entre as ONUs elimina quaisquer problemas de gestão e de QoS (Quality

of Service) relacionados com a partilha da PON. Este facto torna a operação de uma rede

WDMA muito simples.

9

O SCMA promove ligações ponto a ponto dedicadas através da atribuição de diferentes

frequências (RF ou Radio Frequency) aos assinantes. Quer isto dizer que, cada assinante

transmite essencialmente no mesmo comprimento de onda, mas os dados encontram-se

codificados numa frequência RF única. No caso CDMA, todos os assinantes partilham o

mesmo comprimento de onda, mas a cada um deles é atribuído um código ortogonal único e

eficiente. Esta codificação permite, a qualquer momento, transmissões simultâneas pela parte

das ONUS [9].

No sentido descendente, o problema é considerado muito mais fácil. Os métodos de

multiplexagem correspondentes são o TDM (Time-Division Multiplexing), o WDM

(Wave-Division Multiplexing), o SCM (Subcarrier-Division Multiplexing) e o CDM (Code-Division

Multiplexing).

O TDM usa um esquema de difusão, que separa em diferentes time slots os dados

destinados a cada um dos assinantes. O destinatário é identificado através de um campo

transmitido no cabeçalho do pacote ou, em alguns casos, pela localização do time slot na

trama de dados. Neste método é relativamente fácil atribuir diferentes larguras de banda a

cada utilizador, uma vez que a OLT detém o controlo das operações. Qualquer uma das ONUs

tem acesso a todos os dados enviados pela OLT, pelo que é necessário encriptar os dados. À

semelhança do caso TDMA, a capacidade de canal dedicada a cada um dos assinantes é igual

a 1/K da capacidade máxima, em que K representa o número de assinantes da rede.

No WDM cada assinante é servido por um comprimento de onda diferente e totalmente

dedicado. Além disso, como cada um só tem acesso ao comprimento de onda que lhe foi

atribuído, não existem problemas de segurança. O WDM promove ligações lógicas ponto a

ponto dedicadas a cada utilizador, sem os problemas da partilha do canal por múltiplos

assinantes. Quer isto dizer que, a capacidade de canal dedicada a cada um dos assinantes é

igual à capacidade máxima, tal como sucede no caso do WDMA.

Para o caso do SCM, os sinais, que dizem respeito a cada utilizador, são multiplexados

na frequência e no domínio eléctrico, antes de serem transmitidos pelo laser (centrado num

determinado comprimento de onda). No CDM, as várias frequências são substituídas por

códigos [9].

De todos estes métodos, os mais prometedores e que têm vindo a ser considerados os

mais práticos para uso em aplicações PON de nova geração são aqueles que se regem no

domínio do tempo (TDM e TDMA) e no domínio do comprimento de onda (WDM e WDMA) [9].

Nas secções seguintes propõem-se e descrevem-se esquemas de transmissão que fazem uso

dos métodos mencionados neste parágrafo. O enquadramento destes com a rede, que se

descreve em 2.1, realiza-se com a apresentação e descrição de possíveis estruturas para o

equipamento central OLT, para o nó remoto RN e para o equipamento terminal ONU.

10

2.2.1 – TDM DL + TDMA UL 2

O primeiro esquema que se propõe utiliza, como o próprio nome indica, a técnica de

acesso múltiplo TDMA no sentido ascendente da rede e o método de multiplexagem TDM no

descendente. As redes PON que põem em prática esta estratégia são apelidadas TDM-PON e

representam, na actualidade, a abordagem FTTP mais popular. Além disso, têm vindo a ser

adoptadas e distribuídas em várias regiões do mundo.

Em conformidade com as normas E-PON e G-PON (ver Tab. 2.1), a transmissão de

voz e dados é feita utilizando o comprimento de onda de 1490 nm no sentido descendente da

rede e de 1310 nm no sentido ascendente. Além disso, a norma G-PON inclui a possibilidade

de se utilizar o intervalo de 1550 nm a 1560 nm para difusão descendente de vídeo ou o

intervalo desde 1539 nm aos 1565 nm para distribuição de outros tipos de serviços.

Tab. 2.1: Comprimentos de onda (nm) utilizados na r ede PON de grande cobertura, segundo o esquema de

transmissão TDM DL + TDMA UL.

Sentido de Transmissão

Estado da Rede

Descendente Ascendente

Serviço (efg) 1490 (ehg) 1310

Protecção (efi) 1490 (ehi) 1310

No sentido ascendente da rede, a informação é transmitida em rajadas (bursts) o que

obriga a utilização de transmissores (na ONU) e de um receptor (na OLT) específicos. Os

emissores ópticos burst-mode apenas são activados nos intervalos de tempo indicados pela

OLT, enquanto o receptor óptico burst-mode deve estar sempre preparado para receber várias

sequências de dados. Como as ONUs podem estar a diferentes distâncias da OLT, a potência

destas rajadas pode ser bastante desigual. Visto isto, é essencial que a OLT seja capaz de se

ajustar à amplitude e à fase de rajadas consecutivas e provenientes de diferentes ONUs.

Existem vários tipos de receptores de rajadas mas, em geral, os que são utilizados fazem o

ajuste do limiar de decisão e do relógio de sincronização por leitura do preâmbulo que precede

os dados transmitidos pelas ONUs [10]. No Anexo B apresentam-se resultados para a análise

do desempenho deste tipo de receptores.

Na Fig. 2.2 apresenta-se uma possível estrutura para a OLT da central. Esta

representa o centro de controlo do funcionamento da PON, sendo responsável pela

transmissão e difusão das mensagens para os utilizadores e pela recepção das mesmas. A

transmissão do sinal descendente é realizada pelo conjunto transmissor (bloco Tx) e repartidor

óptico (bloco S). Este último divide o sinal pelos anéis interior (usado para protecção) e exterior

(serviço). A recepção do sinal ascendente é feita pelo conjunto combinador (bloco C), filtro

(bloco UF) e receptor burst-mode (bloco Rx BM). O combinador junta os sinais provenientes de

2 DL e UL são acrónimos para Downstream Line e Upstream Line.

11

ambos os anéis e o filtro, centrado em eh (igual a ehg e a ehi), filtra o ruído recebido na OLT

reduzindo, assim, o seu impacto no processo de detecção. Além disso, bloqueia as

componentes efg (anel exterior) e efi (anel interior).

Fig. 2.2: Estrutura da OLT, segundo o esquema de tr ansmissão TDM DL + TDMA UL.

O equipamento terminal ONU recebe as mensagens provenientes da OLT e envia as

mensagens que recebe dos utilizadores. Como se observa pela Fig. 2.3, ele é composto por

um duplexor WDM (bloco WDM), um emissor óptico burst-mode (bloco Tx BM) e um receptor

óptico (bloco Rx).

Ao cargo dos blocos MAC (Media Access Control) estão todas as funções de gestão e

de controlo da rede. Na OLT existe um bloco de calendarização MAC inter-ONU que realiza a

gestão temporal das comunicações e que deve assegurar largura de banda suficiente a cada

utilizador. Para tal, ele organiza e gere os períodos de transmissão a que cada ONU tem

direito: recebe mensagens de pedidos de ocupação do canal, determina a dimensão dos time

slots de acordo com estes pedidos e envia as devidas permissões às ONUs. Além disso,

desempenha funções do tipo OAM (Operations Administration and Maintenance) ao nível da

protecção, regulação de potência e controlo das comunicações ópticas. Na ONU existe um

bloco de calendarização MAC intra-ONU que tem como responsabilidade gerir o seu próprio

tráfego. Isto porque, o esquema de calendarização inter-ONU não proporciona, por si só, o

cumprimento de requisitos QoS, ou seja não diferencia as diferentes classes de tráfego. O

bloco intra-ONU simplesmente selecciona os pacotes em espera, que devem ser transmitidos.

Além disso, deve assegurar um sincronismo estável com a OLT [3].

WDM

Fig. 2.3: Estrutura da ONU, segundo o esquema de tr ansmissão TDM DL + TDMA UL.

12

A Fig. 2.4 apresenta a estrutura proposta em [7], para o nó remoto RN. Este contém

repartidores (S) que encaminham o sinal descendente para a rede de acesso PON e

combinadores (C) que introduzem o sinal ascendente no anel, em direcção à OLT. São

utilizados amplificadores do tipo SOA ou Semicondutor Optical Amplifier (bloco OA), para

compensação das perdas de potência verificadas no anel e na rede de acesso. No sentido

descendente utiliza-se um filtro (bloco DF), centrado em ef (igual a efg e a efi), para filtrar o

ruído recebido nas ONUs e para isolar ef do sinal ascendente. A ligação entre o RN e a rede

de acesso é realizada por meio de um duplexor WDM. Os comutadores electro-ópticos são

parte essencial do mecanismo de protecção e devem ser accionados através de um sistema de

controlo que monitoriza o nível do sinal óptico.

Fig. 2.4: Estrutura do RN, segundo o esquema de tra nsmissão TDM DL + TDMA UL.

Resta, então, conhecer a capacidade de transmissão dedicada às ONUs que compõem

esta rede PON de grande cobertura. Suponha-se que o anel da rede é segmentado por j RNs

e que a cada um destes está associada uma componente de acesso PON #� que possui kl

ONUs. Se mn,opqp

for o débito binário total do canal de transmissão ascendente ou descendente,

o débito binário garantido a cada uma das ONUs (sentido ascendente ou descendente) vale:

,

,

1

.UL

ONU DLUL

b

b

N

ii

DL KD

D

=

=

∑ (2.1)

13

Suponha-se que cada componente de acesso opera segundo a norma GPON que,

segundo a Tab.1.1, prevê no máximo cerca de 2.5 Gbps para o débito total do canal. Se a rede

possuir 4 RNs e se cada rede de acesso possuir 32 ONUs, então o débito garantido a cada um

dos assinantes vale aproximadamente 18.2 Mbps (eficiência de 93%, segundo Tab. 1.1).

Actualmente, existem soluções implementadas no mercado que disponibilizam uma

capacidade de transmissão muito maior. Tenha-se, como exemplo, a solução GPON da

Portugal Telecom, cujo factor de repartição típico é igual a 64. Sabendo que os débitos binários

descendente e ascendente valem respectivamente 2.5 e 1.25 Gbps [11], esta solução garante

aos seus clientes um débito de 36.3 Mbps no downstream e de 18.2 Mbps no upstream.

Isto quer dizer que, para uma rede desta dimensão, o esquema TDM DL + TDMA UL

não serve da melhor forma os interesses dos assinantes da rede. Esta solução é adequada

enquanto a largura de banda pedida pelos vários assinantes, que partilham a rede, não se

tornar muito grande. Por outro lado, esta abordagem promove uma solução eficiente em termos

económicos, dado que a OLT é composta por um único conjunto emissor/receptor burst-mode

e as ONUs são idênticas.

2.2.2 – WDM DL + WDMA UL Híbrido

Numa rede WDM-PON são eliminados muitos dos problemas característicos das redes

TDM-PON. Não existem problemas de gestão, de segurança ou relacionados com a qualidade

de serviço. Não é necessária a utilização de emissores ou de receptores burst-mode. A

substituição do repartidor óptico bidireccional por um AWG (Arrayed Waveguided Grating)

permite reduzir a atenuação (para cerca de 4 a 5 dB) introduzida no sinal [12]. O débito binário

garantido a cada uma das ONUs é igual ao débito total do canal e, além disto tudo, é possível

proporcionar débitos e protocolos diferentes a cada um dos assinantes.

Apesar de todas estas vantagens, existem grandes desafios no desenvolvimento

prático de um sistema deste género. Nestas redes, a OLT tem que possuir um conjunto

emissor/receptor por cada um dos assinantes ligados à rede, o que por si só torna a operação

de mux/demux do sinal WDM bastante complicada. Mais se acrescenta já que, as fontes

ópticas que constituem esses emissores devem ter características distintas. Só para se ter uma

ideia: se se considerar uma rede com as dimensões já mencionadas, ou seja 4 RNs e 32 ONUs

por RN, a OLT tem que ser constituída por 128 fontes ópticas com comprimentos de onda de

emissão diferentes. Além dos problemas de concepção que a OLT enfrenta, como as ONUs

transmitem em comprimentos de onda distintos, cada uma delas requer uma fonte óptica única.

Desta especificidade resultam elevados custos de gestão e manutenção do inventário. Todos

estes problemas tornam a rede impraticável do ponto de vista económico.

Para fugir à solução convencional, tem sido desenvolvido um grande esforço na

tentativa de desenvolver fontes ópticas de baixo custo que sejam independentes do

comprimento de onda, ou seja color-free. Estas permitem que as ONUs sejam idênticas.

Recentemente, foi proposta uma abordagem bastante prometedora que permite transmissores

14

idênticos e independentes do comprimento de onda. Este esquema usa como base um sinal

emitido pela OLT para fixar o comprimento de onda desejado no transmissor da ONU. Na OLT,

a alternativa ideal à solução mencionada no último parágrafo é utilizar um componente que

consiga gerar múltiplos comprimentos de onda ao mesmo tempo. Na literatura têm vindo a ser

propostos três esquemas para implementar esta solução: MFL ou Multifrequency Laser,

Gain-Coupled DFB LD Array e Chirped-Pulse WDM. Todas estas soluções são uma área activa

de investigação e de desenvolvimento na actualidade [13].

Um modo de atenuar os problemas inerentes à rede WDM-PON é adoptar um

esquema que conjugue, em ambos os sentidos de transmissão, técnicas WDM e TDM. Nesta

estratégia híbrida WDM/TDM (ver Secção 1.1, Cap. 1), cada componente de acesso PON

trabalha com um par de comprimentos de onda único e exclusivo dessa. Numa perspectiva

macro, o acesso da OLT às várias PONs passa a WDM e o inverso em WDMA. A

independência garantida entre as várias componentes permite que internamente cada uma

destas mantenha o esquema de acesso TDM DL + TDMA UL, característico das TDM-PON.

Fisicamente, a OLT passa a possuir pelo menos uma fonte óptica por RN e as ONUs

pertencentes à mesma PON passam a operar num comprimento de onda característico dessa.

A simplificação das várias estruturas permite reduzir os custos.

Apesar de se melhorar a rede do ponto de vista económico, a sua operação torna-se

mais complexa. Surge novamente, dentro de cada rede de acesso, a necessidade de um

protocolo MAC que possa gerir o seu funcionamento. Os transmissores das ONUs têm que

voltar a ser burst-mode, tal como os receptores da OLT (um por RN). Além disso, o débito

garantido a cada uma das ONUs (sentido ascendente ou descendente), pertencentes à rede de

acesso #�, diminui, passando a valer:

,

,

,

,

ULi

ONU DLUL

b iiD

b

L

D

D

K= (2.2)

mn,opqp,l representa o débito binário de um canal WDM (sentido ascendente ou descendente)

associado à rede de acesso #�. Suponha-se que a rede mantém as dimensões que se têm vindo a considerar e que

certa componente de acesso opera sob a norma GPON. Nestas condições, o débito binário

assegurado a cada uma das ONUs (pertencentes a essa rede) vale 72.7 Mbps. Isto significa

que, mesmo não se tratando de uma estratégia WDM pura, o débito garantido continua

superior ao da rede TDM-PON de grande cobertura. Além disso, verifica-se, face ao exemplo

dado na Secção 2.2.1 a respeito da oferta actual de mercado, que a rede WDM/TDM-PON

consegue garantir um valor de débito binário de transmissão bastante aceitável. Salienta-se

que, neste exemplo, os 2.5 Gbps referem-se à capacidade total de um canal WDM que serve

uma componente de acesso PON e não à capacidade de transmissão global da rede, tal como

acontecia para o esquema TDM DL + TDMA UL.

No presente estudo são considerados amplificadores e filtros ópticos com larguras de

banda, respectivamente, de 30 e 1 nm. Os amplificadores que operam sobre o sinal

15

ascendente encontram-se centrados nos 1310 nm e os que amplificam o sentido descendente

estão nos 1490 nm. A Tab. 2.2 indica os comprimentos de onda utilizados (caso em que a rede

é constituída por quatro RNs), para os quais se considera um espaçamento entre canais de

5 nm. Este espaçamento foi escolhido de modo a que a largura de banda do sinal WDM não

exceda os 30 nm da largura de banda do amplificador. Mais uma vez, os comprimentos de

onda usados no estado de serviço são iguais aos usados no estado de protecção.

Tab. 2.2: Comprimentos de onda utilizados, segundo o esquema de transmissão híbrido WDM DL + WDMA UL.

Sentido de Transmissão # da Rede de Acesso PON J AJ D?>E

Descendente

(Serviço ou Protecção)

1 1 1482.5

2 2 1487.5

3 3 1492.5

4 4 1497.5

Ascendente


1 5 1302.5

2 6 1307.5

3 7 1312.5

4 8 1317.5

Em termos da estrutura da rede, as diferenças mais significativas surgem na OLT.

Como se observa pela Fig. 2.5, existe um conjunto emissor/receptor burst-mode por cada RN

da rede. Como é óbvio, cada um dos emissores é caracterizado por uma fonte óptica que

transmite num comprimento de onda específico. A multiplexagem dos sinais emitidos é

realizada por um combinador 4:1 e a desmultiplexagem é realizada por um repartidor 1:4 e por

quatro filtros ópticos. Cada um dos filtros, bloco UF #�, encontra-se centrado no comprimento

de onda eDlrsE do canal WDM #� , de modo a reduzir a quantidade de ruído injectada no

respectivo receptor burst-mode, bloco Rx BM #�, e a bloquear as restantes componentes de

transmissão. Os receptores ópticos (centrados em 1310 nm) podem ser idênticos já que

possuem uma largura de banda suficientemente grande para receber qualquer um dos sinais

que constitui o sinal WDM ascendente. O bloco MAC gere e controla a rede. Apesar de estar

representado num único bloco, cada uma das redes de acesso pode ser gerida

independentemente das outras e através de um protocolo MAC semelhante ao que opera sob a

rede TDM-PON. O comprimento de onda recebido identifica a componente de acesso que

originou o sinal. No entanto, este esquema pode não fazer um uso eficiente da banda,

sobretudo quando alguns dos comprimentos de onda estão sobrecarregados. Para colmatar

esta falha, pode-se perspectivar o uso de um esquema de calendarização de comprimentos de

onda, denominado DWA (Dynamic Wavelength Allocation), que realize a partilha dos

comprimentos de onda pelas várias ONUs. Um algoritmo conjunto DWA/DBA, que atribua tanto

time slots como comprimentos de onda às ONUs é uma importante área de investigação, na

actualidade, para o desenvolvimento destas redes híbridas [6].

16

Fig. 2.5: Estrutura da OLT, segundo o esquema de tr ansmissão WDM DL + WDMA UL híbrido.

No esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL híbrido são considerados

comprimentos de onda alternativos, pelo que as características dos elementos devem ser

ajustadas. No nó remoto RN #�, cuja estrutura se apresenta na Fig. 2.6, as únicas diferenças

surgem ao nível do filtro óptico descendente, pois passa a seleccionar um comprimento de

onda diferente para cada componente de acesso PON.

Fig. 2.6: Estrutura do RN #*, segundo o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL híbrido.

O mesmo pode ser dito relativamente às ONUs, Fig. 2.7, das várias redes de acesso.

Cada rede de acesso é servida por um par de comprimentos de onda distinto. Tal implica que

os emissores ópticos burst-mode sejam ajustados para os comprimentos de onda adequados.

17

Não se altera o receptor óptico (centrados em 1490 nm), pois a largura de banda deste

elemento é suficientemente grande para receber qualquer um dos comprimentos de onda que

compõe o sinal WDM. Note-se que, dentro de cada rede de acesso, as ONUs são idênticas.

Para implementar esta rede WDM/TDM-PON de grande cobertura, é necessário manter

um inventário algo diversificado. Isto deve-se sobretudo aos equipamentos terminais ONUs,

cujas características variam de rede para rede de acesso. Assim, chega-se à conclusão que os

custos inerentes à gestão e manutenção de tal inventário são bastante superiores aos que são

necessários para a implementação da solução TDM-PON. Quer isto dizer que, apesar da rede

ser fisicamente concebível, os custos que recaem sob o operador e, em última instância, sob

os assinantes podem acabar por não ser admissíveis.

Fig. 2.7: Estrutura da ONU da rede #*, segundo o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL híbrido.

2.2.3 – WDM/TDM DL + TDMA UL

As estratégias que foram enunciadas anteriormente proporcionam à rede um carácter

simétrico. Isto significa que a rede oferece a mesma largura de banda a ambos os sentidos de

transmissão. As redes que privilegiam um deles com uma maior capacidade denominam-se

assimétricas. Actualmente, a maioria das redes em banda larga são assimétricas, com um

menor débito no upstream. A decisão sobre a estratégia a seguir no futuro, ou seja sobre

manter a assimetria das velocidades ou transitar para um cenário simétrico, implica, antes de

mais, tomar conhecimento tanto das aplicações actualmente disponíveis como das futuras.

Assim, interessa saber se faz sentido propor um esquema de transmissão que defina uma rede

assimétrica.

Actualmente, os principais serviços disponíveis numa rede de acesso fixa são: Internet

de Banda Larga (HSI ou High Speed Internet), VoD ou Video on Demand, Bdcst ou Broadcast

como IPTV (Internet Protocol Television), música, jogos online, vídeo-telefonia, VoIP (Voice

Over Internet Protocol), etc. Presentemente, as aplicações Peer-to-Peer (P2P) contribuem com

a maior parte do volume de tráfego nas plataformas de acesso à Internet. Este facto, associado

à questão da utilização destas tecnologias pelas aplicações mais populares de hoje, tem tido

grandes consequências nos modelos de negócio dos provedores dos serviços e das redes. A

18

superior eficiência do princípio P2P para a rápida distribuição de grandes quantidades de

dados é muito atraente, encontrando-se na base de muitas aplicações de distribuição de

software, jogos online, rádio e IPTV, etc.

No seu todo, o tráfego Peer-to-Peer é simétrico, uma vez que um fluxo upstream

oriundo de uma fonte corresponde sempre a um fluxo downstream para um destino, isto

quando os dados não são perdidos durante a transmissão. Como muitos utilizadores estão, em

primeiro lugar, interessados em fazer o download de ficheiros, os protocolos P2P têm que

realizar uma transferência balanceada em ambas as direcções. Nos dias que correm, os

protocolos realizam o upload dos dados em paralelo com os download’s. Este processo

inicia-se assim que os primeiros pacotes de dados de um ficheiro são recebidos. Além disso,

encorajam uma política de dar e receber para cada participante, de modo a que os utilizadores

com um grande volume de upload’s sejam preferidos quando desejam realizar download’s.

Conclui-se que, do ponto de vista de acesso à Internet e sobretudo devido às

aplicações P2P, as redes devem ser simétricas, promovendo débitos binários iguais em ambos

os sentidos de tráfego. No entanto, actualmente, os serviços disponíveis numa rede de acesso

estendem-se muito além do comum acesso à Internet ou mesmo da telefonia. Os serviços de

vídeo digital, IPTV e VoD por exemplo, tornaram-se uma componente muito importante do

acesso, uma parte integrante da vida das pessoas e, como é possível observar na Fig. 2.8,

tratam-se de aplicações claramente assimétricas. Com a exigência de um maior número de

conteúdos e de uma maior qualidade, é claro que os débitos binários associados tendam a

crescer bastante e, portanto, que se acentue a assimetria das redes. Além disso, nota-se que

os serviços de vídeo digital de alta definição são muito mais exigentes do que os P2P, no que

toca a velocidades de transmissão, isto claro no sentido descendente da rede. Assim, fará

sentido manter a assimetria das velocidades no acesso.

Fig. 2.8: Serviços actualmente e brevemente disponí veis no acesso [14].

19

O esquema de transmissão proposto designa-se WDM/TDM DL + TDMA UL e

proporciona à rede um carácter assimétrico do ponto de vista da capacidade de transmissão.

Esta estratégia conjuga algumas características dos esquemas anteriormente descritos. No

sentido descendente, a rede segue a estratégia híbrida WDM/TDM, descrita na secção

anterior. Por outro lado, no sentido ascendente, o acesso à rede baseia-se no esquema

característico das redes TDM-PON, o qual foi mencionado na Secção 2.2.1.

O débito binário garantido a cada ONU, no sentido ascendente, pode ser determinado

pela Eq. (2.1). Por outro lado, o débito garantido a cada uma das ONUs da rede de acesso #�, no descendente, pode ser calculado pela Eq. (2.2). Por comparação das Eq. (2.1) e (2.2), é

fácil concluir que, na generalidade dos casos de aplicação prática, o débito garantido às ONUs

no sentido descendente é superior ao que é garantido no ascendente. Assim, o sentido de

transmissão privilegiado nesta rede assimétrica é o descendente, o que faz sentido uma vez

que este é aquele que normalmente se encontra sujeito a uma maior carga de tráfego.

Na Tab. 2.3 apresenta-se o plano de comprimentos de onda para esta rede. Uma vez

que esta estratégia resulta de uma combinação das características dos esquemas já descritos,

faz sentido utilizar os comprimentos de onda postos em prática por estes.

Tab. 2.3: Comprimentos de onda utilizados, segundo o esquema de transmissão WDM/TDM DL + TDMA UL.

Sentido de Transmissão # da Rede de Acesso PON J AJ D?>E

Descendente


1 1 1482.5

2 2 1487.5

3 3 1492.5

4 4 1497.5

Ascendente

(Serviço ou Protecção) 1 a 4 - 1310

As estruturas da OLT, dos RNs e das ONUs também podem ser entendidas como

combinações das estruturas anteriormente apresentadas. Note-se, como por exemplo na

Fig. 2.9, que a OLT possui uma secção de transmissão constituída por quatro emissores

ópticos, à semelhança do esquema WDM DL + WDMA UL híbrido, e que a de recepção é igual

à do esquema TDM DL + TDMA UL. Como as várias redes de acesso não são independentes

umas das outras, o bloco MAC deve geri-las como se se tratasse de uma única rede com os

seus vários assinantes, tal como sucede na TDM-PON de grande cobertura. No entanto, à

saída deste bloco têm-se agora quatro emissores ópticos diferentes, pelo que deve tomar lugar

um processo de desmultiplexagem da informação.

Relativamente ao RN #�, a estrutura representada na Fig. 2.6 mantém-se válida para

este esquema. No que toca ao duplexor WDM do RN, este passa a seleccionar para o sentido

ascendente um único comprimento de onda, o de 1310 nm. Nas ONUs da rede #�, o receptor

permanece igual ao da Fig. 2.3. No entanto, o combinador passa a seleccionar para o

downstream o comprimento el.

20

Face a tudo o que foi dito, esta estratégia aparenta ser uma solução equilibrada e boa,

não só em termos de capacidade de transmissão garantida aos assinantes como em termos

económicos. Este esquema combina a elevada taxa de transmissão do sentido descendente,

característica do WDM DL + WDMA UL híbrido, com os moderados encargos monetários das

TDM-PON. O único factor limitativo desta estratégia surge no upstream, quando o número de

assinantes da rede é bastante elevado e/ou quando o débito da linha é baixo.

Tx #4

C

Tx #3

Tx #2

Anel Exterior

Anel Interior

Tx #1

S

Rx BM UFAnel Interior

Anel ExteriorC

MAC

1310 nm

λ4

λ3

λ2

λ1

Fig. 2.9: Estrutura da OLT, segundo o esquema de tr ansmissão WDM/TDM DL + TDMA UL.

2.2.4 – WDM DL + WDMA UL Híbrido Sujeito A UWC 3

O maior problema da estratégia WDM DL + WDMA UL híbrido surge ao nível

económico e está relacionado com o facto do equipamento terminal não ser comum a todas as

redes de acesso. Neste esquema, as ONUs de cada rede têm que ser constituídas por fontes

ópticas que emitem num comprimento de onda específico. Na actualidade, o único meio prático

de redução de custos consiste em colocar todas as ONUs a emitirem num único comprimento

de onda. A estratégia equacionada na secção anterior resolve este problema, mas tem o

inconveniente de conduzir a débitos ascendentes muito limitados. O ideal é garantir um débito

de upstream tão elevado como o do downstream, mas assegurando uma eficiência económica

aceitável.

Um modo de contornar este problema consiste em inserir um bloco de conversão de

comprimento de onda, no upstream, em cada nó remoto RN. As ONUs pertencentes a cada

rede de acesso emitem no comprimento de onda especificado para as TDM-PON e, no nó RN,

esse comprimento de onda é convertido para um outro, único na rede. Isto permite manter o

acesso WDM ao anel da rede, assegurando o débito upstream característico do esquema

WDM DL + WDMA UL híbrido. No sentido descendente todas as operações decorrem

normalmente, realizando-se o acesso às várias ONUs tal como se efectua no esquema

WDM DL + WDMA UL híbrido. É, também, possível aplicar conversão de comprimento de onda

3 UWC é acrónimo para Upstream Wavelength Conversion.

21

aos sinais deste sentido, mas tal mostra-se desnecessário. Além de já se assegurar, com a

estratégia actual, o débito binário de transmissão pretendido, os receptores das ONUs têm uma

largura de banda suficientemente elevada para receber qualquer uma das componentes do

sinal WDM. Isto quer dizer que, os receptores utilizados nas ONUs da rede PON de grande

cobertura são idênticos.

Como já deve ter sido entendido, um conversor de comprimento de onda é um

dispositivo que altera o comprimento de onda do sinal de entrada para um novo sem modificar

o seu conteúdo. Actualmente, julga-se que estes conversores assumirão um papel chave nas

futuras redes de banda larga. A sua utilização evitará o bloqueio dos comprimentos de onda

nos sistemas de comutação óptica das redes WDM o que, por sua vez, aumentará a

flexibilidade e a capacidade das redes para um número limitado de comprimentos de onda.

Além disso, possibilitarão a gestão descentralizada da rede, dado que a atribuição dos

comprimentos de onda poderá ser realizada ligação a ligação [15].

A conversão de comprimento de onda tem vindo a ser investigada desde os anos 90 e,

ao longo do tempo, têm sido propostos vários esquemas para implementar esta funcionalidade.

Os requisitos que se impõem a uma técnica destas dependem do sistema em estudo. Porém,

características como compacidade, facilidade de implementação e de controlo, e capacidade

de operar a débitos elevados têm que estar presentes.

A solução mais básica baseia-se no esquema do regenerador electroóptico, tomando,

por isso, o nome de conversor electroóptico. Este conversor é constituído por um detector, um

amplificador ou regenerador e uma fonte óptica, que retransmite o sinal de entrada num novo

comprimento de onda. Além de ser bastante simples, é insensível à polarização e possibilita a

amplificação da rede, exibindo uma relação sinal-ruído superior a 40 dB para o caso em que o

sinal é regenerado. A sua natureza electroóptica traz, por outro lado, sérias desvantagens:

transparência limitada pelo débito binário e pelo formato dos dados, velocidade limitada pelos

componentes electrónicos, grande consumo de potência e elevado custo [16].

As desvantagens dos conversores electroópticos direccionaram o interesse para os

conversores ópticos, nos quais a transferência da informação, do comprimento de onda de

entrada para o novo, ocorre sem recorrer ao domínio eléctrico. Na literatura destacam-se os

SOAs usados em modo XGM (Cross Gain Modulation) ou em modo XPM (Cross Phase

Modulation), SOAs que usam FWM (Four Wave Mixing), etc [17]-[18].

Os conversores FWM mais eficientes utilizam SOAs como meio não linear, o mesmo

meio que é fonte de crosstalk nos sistemas WDM. Trata-se de uma técnica transparente ao

débito binário e ao formato dos dados, capaz de operar até 100 Gbps [17] e de converter vários

canais WDM simultaneamente. Uma vantagem adicional é a inversão do chirp, uma vez que a

utilização desta técnica inverte o espectro do sinal. No entanto, apresenta uma pequena gama

de conversão (inferior a 1 THz), baixa eficiência de conversão (tipicamente -7 dB) e exige que

os sinais de entrada possuam potências elevadas (10-20 dBm). Como resultado desta baixa

eficiência, os sinais convertidos costumam exibir uma relação sinal-ruído de baixo valor, inferior

a 20 dB [18].

22

Os SOAs que são usados em modo XGM resultam em conversores muito simples, com

uma gama de conversão inferior a 3 THz e capazes de operar a débitos elevados. São capazes

de operar até 40 Gbps, apesar de já terem sido concretizadas, com sucesso, experiências a

100 Gbps [17]. Apresentam uma elevada eficiência de conversão (8 dB), possibilitando a

amplificação dos sinais na rede, e uma larga gama dinâmica de entrada [18]. As suas maiores

desvantagens são: degradação da razão de extinção associada à inversão da polarização do

padrão binário do sinal; degradação da relação sinal-ruído, por emissão de ruído ASE; e a

distorção de fase devido ao efeito de chirp, que limita a distância de transmissão.

A técnica que elimina a maior parte das desvantagens dos esquemas anteriores utiliza

SOAs em modo XPM e é capaz de operar até 80 Gbps, apesar de já terem sido concretizadas,

com sucesso, experiências a 168 Gbps [17]. O XPM pode ser insensível à polarização e

resolve o problema do contraste on-off, não degradando tanto a razão de extinção como o

esquema anterior. Além disso, degrada pouco o sinal (apesar de emitir ruído ASE), o que

resulta numa elevada relação sinal-ruído. Apresenta um baixo e controlável chirp e uma gama

de conversão inferior a 2 THz. Entre as suas desvantagens encontram-se a sua pequena gama

dinâmica de entrada e a baixa eficiência de conversão (-2 dB) [18].

Para a análise da rede PON de grande cobertura, implementada segundo o esquema

de transmissão que se descreve nesta secção, opta-se, devido à sua simplicidade e ao facto

de operar totalmente no domínio óptico, pelo conversor XGM baseado em SOA. Passa-se,

assim, a descrever o processo de conversão de comprimento de onda em que se baseia este

dispositivo [19], Fig. 2.10. Diz-se que a conversão é baseada em modulação de ganho cruzado

quando um sinal fraco é amplificado dentro do SOA juntamente com um sinal forte e a

amplificação do fraco é afectada pelo forte. Para usar este fenómeno, o sinal cujo comprimento

de onda precisa de ser convertido é lançado no SOA juntamente com um sinal contínuo de

baixa potência e no comprimento de onda alvo. O amplificador é maioritariamente saturado

pelo sinal forte. Como resultado, o sinal contínuo é amplificado por um valor de ganho elevado

durante os bits 0 (sem saturação) e por um valor muito mais baixo durante os bits 1. É claro

que o padrão binário do sinal incidente é transferido para o novo comprimento de onda, mas

com a polarização inversa, tal como já tinha sido referido.

Fig. 2.10: Esquema do conversor do RN #* baseado na modulação de ganho cruzado em SOA.

23

À saída do conversor existe um filtro, que na Fig. 2.10 é representado pelo bloco WCF.

Além de diminuir a quantidade de ruído gerada pelo amplificador, este filtro isola o

comprimento de onda alvo eDlrsE (com � inteiro a variar entre 1 e 4) do comprimento de onda do

sinal original 1310 nm. Os comprimentos de onda utilizados no anel da rede encontram-se

indicados na Tab. 2.2.

Na Fig. 2.11 apresenta-se o nó remoto #� já com o conversor (bloco WC) inserido. De

resto, a estrutura mantém-se semelhante às anteriormente apresentadas. Uma estrutura

possível para a OLT é aquela que se apresenta na Fig. 2.5. No que toca à ONU, uma

possibilidade é a estrutura descrita na secção anterior.

Fig. 2.11: Estrutura do RN #* , segundo o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL híbrido com UWC.

2.3 – Mecanismo De Protecção

Como já foi mencionado várias vezes, a rede que se apresenta neste documento assenta

numa estrutura em anel a partir da qual derivam as componentes de acesso PON. Ora,

suportar tais redes numa estrutura anelar só faz sentido se existir um mecanismo de protecção

que, na presença de falhas (por exemplo, cortes nos troços de fibra), possibilite a troca de

informação com o mínimo de interrupção. Note-se que numa rede desta dimensão, uma

simples falha pode interromper inúmeras comunicações, afectando um vasto número de

assinantes. Daí, a necessidade de aumentar a capacidade de sobrevivência da rede.

Os anéis ópticos podem possuir protecção dedicada ou partilhada. Um anel de protecção

dedicada possui duas fibras, enquanto um anel com protecção partilhada pode possuir duas ou

24

quatro. Os anéis com duas fibras são mais económicos e são usualmente aplicados nas redes

metro. Os anéis de quatro fibras promovem operações de rede mais fiáveis e flexíveis. Nos

anéis de protecção dedicada, ao contrário daquilo que sucede nos de protecção partilhada,

uma fibra transporta tráfego normal (anel de serviço) e a outra é reservada para proteger este

tráfego (anel de protecção).

Seja dedicada ou partilhada, a comutação de protecção pode ser realizada ao nível da

camada OCh (Optical Channel) ou da OMS (Optical Multiplex Section). A protecção OCh

realiza a comutação ao nível do canal, enquanto a OMS actua no conjunto dos canais, ou seja

do sinal WDM. Os anéis com protecção OCh são mais flexíveis, porque a protecção de cada

canal pode ser activada ou desactivada e porque pode ser dedicada ou partilhada [20].

O mecanismo que se emprega no anel da rede PON de grande cobertura é do tipo

OChDPRING (Optical Channel Dedicated Protection Ring), com algumas modificações [3]

relativamente ao esquema tradicional [20]. Este leva vantagem sobre o esquema OChSPRING

(Optical Channel Shared Protection Ring), porque se a falha não ocorrer no troço que fica

imediatamente a seguir à OLT, este não consegue transmitir os dados descendentes para

ambos os anéis, o que implica a não comunicação com alguns RNs.

No esquema de protecção OChDPRING de referência, réplicas dos sinais ascendente

e descendente percorrem ambos os anéis simultaneamente, mas por sentidos diferentes. No

esquema aqui apresentado, Fig. 2.12, cada um dos nós remotos (e seus comutadores) apenas

reencaminha o sinal ascendente para o anel interior (serviço) ou para o exterior (protecção) e

nunca para ambos. No sentido descendente, o funcionamento é idêntico ao do esquema

clássico.

(a) (b)

Fig. 2.12: Funcionamento da rede em serviço (a) e p rotecção (b).

O sinal óptico descendente de serviço é monitorizado em cada RN. A descoberta de

uma falha é realizada através da ausência desse sinal. Nessa situação acciona-se o

mecanismo de protecção, que actua sobre os comutadores. Como se observa pela

Fig. 2.12 (b), só transitam para protecção os RNs que se encontram após o local da falha,

25

segundo o sentido descendente de serviço. Os RNs que se encontram no modo de serviço,

Fig. 2.13 (a), extraem o sinal descendente do anel exterior e inserem o sinal ascendente no

interior. Em protecção, Fig 2.13 (b), os comutadores são accionados e abandonam o seu

estado normal, passando a retirar/inserir os fluxos de tráfego do mesmo modo mas nos anéis

contrários.

(a) (b)

Fig. 2.13: Funcionamento do RN em serviço (a) e pro tecção (b).

Quando os RNs comutam para protecção, eles devem notificar a OLT para que se

activem os meios necessários à correcção do problema. A OLT também deve reajustar os

RTTs (Round Trip Time) das ONUs ligadas aos RNs, que se encontram em protecção, para

que o acesso das ONUs ao canal ascendente se mantenha correcto e sincronizado. Note-se

que, a passagem dos RNs ao estado de protecção faz com estes fiquem localizados a

diferentes distâncias da OLT. Isto faz com que se alterem os tempos de propagação dos sinais.

Esta arquitectura é muito simples e proporciona elevada autonomia aos RNs. Estes

podem comutar para protecção sem terem que esperar por qualquer resposta da OLT, ou seja

não é necessária sinalização para coordenar a comutação. Apesar disso, não é eficiente na

utilização da largura de banda, pois, ao contrário dos mecanismos de protecção partilhada, não

permite a reutilização dos canais de protecção no transporte de tráfego extra (não prioritário).

2.4 – Em Síntese

Em conclusão, neste capítulo apresenta-se a estrutura para a rede PON de grande

cobertura (Secção 2.1). Além disso, estudam-se alguns esquemas de transmissão

(Secção 2.2), cuja implementação é alcançada através da utilização das estruturas que se

indicam para a OLT, RNs e ONUs. Na Tab. 2.4 resumem-se as principais características destes

esquemas.

26

As soluções apresentadas são modeladas ao nível físico no Capítulo 3, de modo a

avaliar a viabilidade da rede. No entanto, exclui-se, à partida, o esquema

WDM DL + WDMA UL devido aos elevados custos que a sua implementação encarrega.

Tab. 2.4: Resumo das principais características dos esquemas de transmissão.

Esquema

Características

TDM DL

+

TDMA UL

WDM DL

+

WDMA UL

WDM DL

+

WDMA UL

Híbrido

WDM/TDM DL

+

TDMA UL

WDM DL

+

WDMA UL

Híbrido c/ UWC

Método de

multiplexagem TDM WDM WDM/TDM WDM/TDM WDM/TDM

Método de

acesso múltiplo TDMA WDMA WDMA/TDMA TDMA WDMA/TDMA

Débito 4 binário

canal descendente

.bD

N K

bD bDK

bDK

bDK

Débito binário

canal ascendente

.bD

N K bD bD

K

.bD

N K bD

K

Protocolo MAC

(gestão e controlo)

Ao nível da

rede.

Não

necessário.

Ao nível da

componente de

acesso.

Ao nível da

rede.

Ao nível da

componente de

acesso.

Segurança Necessário

mecanismo. Garantida.

Necessário

mecanismo.

Necessário

mecanismo.

Necessário

mecanismo.

Custo Baixo Elevado Médio Baixo Baixo

Na Secção 2.3 apresenta-se um mecanismo baseado no esquema OChDPRING para

aumentar a capacidade de sobrevivência da rede PON de grande cobertura, devido à sua

simplicidade e à autonomia que proporciona aos RNs da rede.

4 Referem-se a uma rede PON de grande cobertura com N RNs e com K ONUs por RN.

27

3 – Análise Da Camada Física Da Rede PON De Grande Cobertura

Neste capítulo realiza-se a análise da camada física da rede PON de grande cobertura,

particularizando para cada um dos esquemas de transmissão estudados no capítulo anterior. O

objectivo é avaliar o desempenho da rede (medido pela probabilidade de erro de bit), para

ambos os sentidos de transmissão, e verificar a sua viabilidade do ponto de vista físico.

Continua-se a considerar uma rede PON de grande cobertura com 4 nós remotos e, portanto,

com 4 componentes de acesso. Cada uma destas redes possui 32 ONUs, pelo que no total

têm-se 128 ONUs. No Anexo F são referidos os valores dos parâmetros de cálculo utilizados

na análise.

3.1 – Análise Das Redes TDM E WDM/TDM-PON De Grande Cobertura

Nesta secção tratam-se os esquemas TDM DL + TDMA UL, WDM DL + WDMA UL

Híbrido e WDM/TDM DL + TDMA UL. Indicam-se os conceitos teóricos essenciais à análise da

camada física da rede e os resultados desse estudo, em conjunto com a sua interpretação.

3.1.1 – Conceitos Teóricos

Ao longo desta secção, apresentam-se os conceitos teóricos essenciais à

determinação da probabilidade de erro de bit no receptor, tendo como ponto de partida a

potência do transmissor. Entre estes encontram-se as expressões necessárias à quantificação

do nível de perdas de potência que se registam nos vários dispositivos, a expressão para o

cálculo da potência média de sinal à entrada do receptor e as equações para as componentes

de batimento de ruído ASE (Amplified Spontaneous Emission). Este estudo é realizado para

ambos os sentidos de transmissão da rede.

A Fig. 3.1 (a) representa a cadeia de transmissão correspondente ao percurso do sinal

no sentido ascendente da rede. O sinal é emitido por uma ONU, pertencente à componente de

acesso #�, e percorre o troço da fibra de distribuição com o comprimento tf . Em seguida,

entra no repartidor óptico bidireccional, com factor de repartição 1: k, e sai para a fibra de

alimentação tu. Eventualmente, acaba por entrar no anel (interior em serviço) da rede PON de

grande cobertura, através do RN #�. Todos os nós deste anel, incluindo a OLT, encontram-se

interligados dois a dois através de troços de fibra com o comprimento t. Antes de chegar à

OLT, o sinal passa por � conjuntos RN e troço de fibra t, sendo o #1 o último. A Fig. 3.1 (b)

refere-se ao percurso do sinal no sentido descendente da rede. O sinal é emitido pela OLT e

percorre a rede em direcção a uma das ONUs, que pertencem à componente de acesso #�.

Assim que deixa a OLT, o sinal percorre um troço de fibra de comprimento t e entra no nó

remoto #1. Até entrar na componente de acesso #�, o sinal passa por mais D� � 1E conjuntos

28

(troço e RN) deste tipo. Assim que sai do RN #�, o sinal percorre a fibra de alimentação tu,

passa pelo repartidor óptico bidireccional 1: k e entra no troço da fibra de distribuição tf. No

final deste troço, encontra o equipamento terminal ONU.

(a)

(b)

Fig. 3.1: Percurso tomado pelo sinal, segundo o sen tido de transmissão: (a) ascendente, (b) descendent e.

Após a identificação dos percursos descritos pelos sinais, passa-se à apresentação das

expressões que definem as potências à entrada dos receptores da OLT e da ONU. Estas são

genéricas para qualquer um dos esquemas de transmissão estudados nesta secção. No

sentido ascendente, a potência média de sinal, �vwxyz , à entrada do receptor da OLT e

proveniente das ONUs da �-ésima (1 { � { j, sendo j o número total de RNs) componente

de acesso PON é dada por:

( )1

,nOLT ONU

R E ONU PON RN L i OLT BM fi

P P A A A A G A P P M=

= − − − + − − − ∆ − ∆ −∑ (3.1)

em que �v|x}h é a potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, �l é o ganho real

do amplificador do RN #�, ∆� é a penalidade de dispersão cromática (ver Anexo A), ∆�~� é a

29

penalidade de sensibilidade burst-mode (ver Anexo B) e �� a margem de segurança. No

sentido descendente, a potência média de sinal, �vwx}h, à entrada do receptor de uma ONU da

�-ésima PON e proveniente da OLT é expressa por:

( )1

,nONU OLT

R E OLT RN L i PON ONU fi

P P A A A G A A P M=

= − − + − − − − ∆ −∑ (3.2)

em que �v|xyz é a potência média de sinal à saída do emissor da OLT. Os parâmetros ainda não

identificados representam as atenuações que se registam nos vários dispositivos da rede PON

de grande cobertura. De seguida, apresentam-se, para o esquema de transmissão

característico das redes TDM-PON, as expressões que os quantificam.

�x}h é a atenuação que se verifica numa ONU (ver Fig. 2.3, Cap. 2) e é dada por:

,ONU WDM CA A A= + (3.3)

onde ��f� e �� são, respectivamente, as atenuações introduzidas por um duplexor WDM e

por um conector. As perdas de potência, �ix}, na componente de acesso PON diferem com o

sentido de transmissão (ver nota 2 do Cap. 2) e valem:

( )

( )1:

1:

.

.

, se DL.

, se ULSwitch WDM K f F D

f F D K WD

FilterPON

M Switch

A A S L L

L L S A A

AA

αα

++

+ ++ +

+ +

+=

(3.4)

No sentido ascendente UL, esta atenuação contém as perdas dos troços da fibra de

alimentação tu e da fibra de distribuição tf , do repartidor ��:� , de um duplexor WDM e do

comutador electro-ópico �g�l��. �� é o coeficiente de atenuação da fibra e k é o número de

ONUs por componente de acesso PON. No sentido descendente DL, a atenuação da rede de

acesso PON também inclui as perdas, ��l��, do filtro óptico. Salienta-se que, o duplexor, o

comutador e o filtro estão contidos na estrutura do RN (ver Fig. 2.4, Cap. 2). Como se observa

pela Fig. 3.1, a atenuação �w} de um RN vale:

1:22. ,RNA S= (3.5)

em que ��:� contabiliza as perdas de potência de um repartidor/combinador. �y é a atenuação

introduzida pelo troço de comprimento t, que liga dois RNs adjacentes, e que é dada por:

. .L fA Lα= (3.6)

À semelhança de �ix}, a atenuação �xyz da OLT também difere com o sentido de transmissão

(ver Fig. 2.2, Cap. 2):

1:2

1:2

, se DL.

, se ULC

OLTC Filter

S AA

A S A

+= + +

(3.7)

30

Para o caso da rede WDM/TDM-PON, todas as expressões enunciadas, à excepção da

(3.7), mantêm-se válidas. Devido à introdução do esquema de mux/demux (ver Fig. 2.5,

Cap. 2), a atenuação da OLT altera-se para:

1:4 1:2

1:2 1:4

, se DL.

, se ULC

OLTC Filter

S S AA

A S S A

+ += + + +

(3.8)

Como se verifica por (3.8), existe um factor adicional designado por ��:s, que representa as

perdas de um repartidor 1:4. A expressão genérica para o cálculo das perdas de potência de

um repartidor 1: _ é [21]:

( ) ( )1: 10 210.log . log ,x CouplerS Ax x= + (3.9)

onde �� define as perdas do acoplador direccional, que se assumem iguais a 0.5 dB.

Nos Anexos B e C encontram-se os conceitos essenciais à caracterização da corrente

total de ruído, verificada no receptor. O cálculo da sua potência deve ser realizado com recurso

à Eq. (C.6), visto a rede recorrer a amplificação óptica. Deste modo, a potência óptica média ]�C

injectada no receptor deve-se não só à presença do sinal como também à do ruído ASE gerado

pelos amplificadores, vindo [19]:

,

1

,1

, se DL

,

, se UL

nONU

ASE iRi

i NOLT

ASE iRi

p p

p

p p

=

=

+= +

∑

∑ (3.10)

onde ]�g|,l é a potência da componente de ruído ASE, por cada modo de polarização, gerada

pelo amplificador do RN #� e referida à entrada do receptor. Em seguida, enumeram-se as

expressões destas componentes para o sentido ascendente de transmissão:

( ),1 1:2 1 0. . . . . 1 . . ,ASE L OLT spp s a a h g n Bυ = − (3.11)

( ) ( )1

, 1:2 01

. . . . . . . . 1 . . , 1 ,i

ASE i RN L k L OLT i spk

p s a a g a a h g n B se i Nυ−

=

= − < ≤ ∏ (3.12)

e para o sentido descendente:

( ), 1:2 0. . . . . 1 . . ,ASE n PON ONU n spp s a a h g n Bυ = − (3.13)

( ) ( ), 1:2 01

. . . . . . . . 1 . . , 1 ,n

ASE i RN L k PON ONU i spk i

p s a a g a a h g n B se i Nυ= +

= − ≤ < ∏ (3.14)

onde � é a constante de Planck (6.63×10-34 J.s), � é a frequência de transmissão do sinal, �l é

o ganho real do amplificador do RN #� em unidades lineares, �� é o factor de emissão

espontânea e �� a largura de banda óptica do filtro.

31

Os parâmetros definidos nas Eq. (3.1)-(3.9) encontram-se em unidades logarítmicas

(letras maiúsculas), enquanto que os representados nas (3.10)-(3.14) estão em unidades

lineares (letras minúsculas), pelo que se torna necessário relacioná-los. Uma atenuação

genérica �, em dB, é positiva, pelo que o seu correspondente �, em unidades lineares, é

superior a 1. No entanto, a análise de (3.10)-(3.14) mostra que � deve ser inferior a 1, ou seja �

está a ser usado segundo a definição de ganho. Assim, neste caso específico, a expressão que

relaciona �, em dB, e �, em unidades lineares, é a seguinte:

( ) 1010.log 10A

A a a−

= − ⇔ = . (3.15)

Uma potência genérica � , em dBW, relaciona-se com a sua correspondente ], em W, do

seguinte modo:

10.log .1 W

pP =

(3.16)

Por outro lado, se � estiver em dBm, tem-se:

10.log .0.001 WdBm

pP =

(3.17)

O estudo que se apresenta no Anexo C e que se centra em torno da caracterização do

ruído ASE refere-se a um sistema de comunicação com um único amplificador óptico. No caso

da rede PON de grande cobertura, a corrente eléctrica gerada pelo fotodetector (ver Eq. (C.5),

Anexo C) é dada por:

2

,1

2

,1

. . se DL

,

. . se UL

nONUR sp i n

i

NOLTR sp i n

i

M R e e i

i

M R e e i

λ

λ

=

=

+ + =

+ +

∑

∑ (3.18)

em que �wx}h e �w

xyz são os campos eléctricos associados ao sinal e ��,l o campo eléctrico do

ruído ASE gerado pelo amplificador do RN #�, referidos à entrada do receptor. Os restantes

parâmetros estão definidos na secção B.1.1 do Anexo B. Resolvendo os quadrados da

Eq. (3.18), surge:

( ) ( )

( ) ( )

2

2

, , ,1 1 1

, , ,1 1 1

. . 2. . . se DL

,

. . 2. . . se UL

n n nONU ONUR R sp i sp i sp j n

i i j

N N NOLT OLTR R sp i sp i sp j n

i i j

M R e e e e e i

i

M R e e e e e i

λ

λ

= = =

= = =

+ + +

= + + +

∑ ∑∑

∑ ∑∑ (3.19)

Sinal

� � �] Batimento

�] � �] Batimento

32

onde se podem observar as componentes de sinal (�) e as componentes de ruído que são

resultado do batimento do sinal com a emissão espontânea (� � �]) e da emissão espontânea

com ela própria (�] � �]). Calculando as potências dos ruídos de batimento � � �] e �] � �],

obtém-se [22]:

2

12

2

1

, se DL

, se UL

i

i

n

s spi

s sp N

s spi

σσ

σ

−=

−

−=

=

∑

∑ (3.20)

e

1 2

1 2

2 2 2

2

2 2

1 2

1 2

2

, se DL

,

, se UL

i i n n

i i N N

n n

sp sp spi i

sp sp N N

sp sp spi

sp

i

sp sp

sp sp sp

σ σ σσ

σ σ σ

− − −

−=

−

=

=−

=−

+ +…+

+ +…

=

+

∑ ∑

∑ ∑ (3.21)

onde ��\�� e ��\��

� podem ser determinadas, respectivamente, através das Eq. (C.7) e (C.8).

A probabilidade de erro de bit (ver Anexo B) calcula-se através da Eq. (B.15) e para a

corrente de decisão deve ser utilizada a Eq. (B.16). Note-se que, devido à existência de ruído

ASE, as potências de ruído associadas aos símbolos ‘0’ e ‘1’ são bastante desiguais, pelo que

a Eq. (B.18) não pode ser usada.

3.1.2 – Esquemas De Amplificação Ideais

Cada um dos nós remotos RNs, integrados na base da rede PON de grande cobertura,

possui dois amplificadores, dos quais um opera no anel exterior, sobre os sinais descendente

de serviço (DS) e ascendente de protecção (UP), e o outro no interior, sobre os sinais

ascendente de serviço (US) e descendente de protecção (DP). Ao conjunto dos parâmetros

característicos dos amplificadores (ganho e potência de saturação), que servem um

determinado anel, dá-se o nome de esquema de amplificação, pelo que a rede fica

devidamente caracterizada com dois esquemas de amplificação distintos.

O desempenho da rede é directamente influenciado pelos esquemas de amplificação.

Logo, o processo de selecção do ganho e da potência de saturação, afectos a cada um dos

amplificadores, deve ser alvo de optimização. A solução proposta para o problema da

determinação dos esquemas de amplificação ideais, cuja descrição mais pormenorizada se

encontra no Anexo D, baseia-se numa classe de heurísticas denominada algoritmos genéticos

(AGs), que fornece um mecanismo de procura adaptativa inspirado no princípio Darwiniano da

reprodução e da sobrevivência dos mais aptos. Além disso, como os esquemas dependem da

estratégia de transmissão empregue, o problema tem que ser formulado para três tipos de

redes: TDM-PON, WDM/TDM-PON e WDM/TDM-PON com UWC de grande cobertura.

O algoritmo implementado e que abrange somente o estado de serviço começa com

um conjunto de possíveis soluções, geradas aleatoriamente dentro de domínios previamente

33

definidos com base nas características da rede (ver secções D.1.6 e D.3). Às possíveis

soluções dá-se o nome de cromossomas e o seu conjunto representa a população. Na Fig. 3.2

apresentam-se as estruturas definidas para esses cromossomas, cujos parâmetros (ver D.1.2 e

D.3) seguem uma representação real: os ganhos para sinais fracos ��,�, em dB, e as potências

de saturação ��,�, em dBm, dos amplificadores pertencentes aos RNs, com x inteiro a variar

de 1 a 4; a potência média de emissão do transmissor �v| , em dBm (da ONU no sentido

ascendente ou da OLT no descendente); o ganho do amplificador presente num conversor

��h��, em dB, e a respectiva potência de saturação ��

h��, em dBm, cujos valores são idênticos

a todos. Note-se que, no problema de optimização WDM/TDM-PON com UWC opta-se por

utilizar como dados de entrada os resultados obtidos para as redes TDM e WDM/TDM-PON.

Daí que, as características dos amplificadores do anel sejam fixadas à partida e que a atenção

se centre somente em torno dos ganhos e potências de saturação dos amplificadores internos

aos conversores de comprimento de onda.

��,� ��,� ��,� ��,� ��,� ��,� ��,s ��,s �v|

(a)

��h��

h�� v|x}h

(b)

Fig. 3.2: Estrutura do cromossoma: (a) redes TDM-PO N e WDM/TDM-PON, (b) rede WDM/TDM-PON com UWC

de grande cobertura.

A evolução do algoritmo inicia-se a partir desta população e é realizada por meio de

gerações. A cada geração, a adaptação de cada solução à população é avaliada por uma

função-objectivo (ver D.1.3), que retorna o número de percursos, entre a central e o

equipamento terminal, para os quais a probabilidade de erro de bit do receptor é igual ou

inferior a 10-12. Após a avaliação, os cromossomas seleccionados (ver D.1.4) são

recombinados e/ou mutados (ver D.1.5) para formar uma nova população. A nova população é,

então, utilizada como entrada da próxima iteração do algoritmo (ver D.1.7). Este processo é

motivado pela esperança de que a nova seja melhor do que a primeira. O processo acima

descrito é repetido até que a condição descrita na secção D.1.8 seja satisfeita. Na Tab. 3.1

apresentam-se os esquemas de amplificação obtidos (ver D.2.5 e D.3), através da aplicação do

algoritmo sumariamente descrito, e que são postos em prática nas secções seguintes.

O estudo que se realiza no Anexo D sugere que um desempenho de rede aceitável, no

sentido ascendente, só é possível quando os ganhos dos amplificadores #2 a #4 são os

estritamente necessários para compensar as perdas de potência verificadas nos respectivos

conjuntos RNs, troços de interligação. Daí, a Tab. 3.1 apresentar valores de 14.5 dB para os

parâmetros mencionados. Por outro lado, conclui-se que quanto maior for a capacidade de

amplificação do #1, melhor será o desempenho da rede. Para o sentido descendente,

observa-se uma maior flexibilidade e menor especificidade na selecção dos valores para os

parâmetros do respectivo esquema de amplificação. Basicamente, quanto mais elevados forem

os valores dos parâmetros, melhor é o desempenho da rede. Além disso, repare-se que a

34

presença de vários comprimentos de onda não afecta nem os ganhos nem as potências de

saturação, visto que os esquemas ideais para as redes TDM e WDM/TDM-PON são iguais. As

explicações para todos estes comportamentos encontram-se na Secção D.2.5 do Anexo D.

Relembra-se que, o estudo apresentado nesta secção e descrito no Anexo D apenas

contempla o estado de serviço da rede

Tab. 3.1: Esquemas de amplificação ideais (ganhos e m dB e potências em dBm).

(a) TDM DL + TDMA UL, WDM DL + WDMA UL Híbrido e WDM/TDM DL + TDMA UL.

Anel Sentido Q=,P Q=,; Q=, Q=,¡ 1K!+,P 1K!+,; 1K!+, 1K!+,¡

Exterior DS 34 34 34 34 18 18 18 18

Interior US 34 14.5 14.5 14.5 18 17 17 17

(b) WDM DL + WDMA UL Híbrido com UWC.

Anel Sentido Q=,P Q=,; Q=, Q=,¡ 1K!+,P 1K!+,; 1K!+, 1K!+,¡ Q=07" 1K!+

07"

Exterior DS 34 34 34 34 18 18 18 18 34 0

Interior US 34 14.5 14.5 14.5 18 17 17 17

3.1.3 – Resultados Para O Estado De Serviço

Nesta secção apresentam-se e interpretam-se os resultados da análise da camada

física da rede PON de grande cobertura, no seu estado de serviço, para cada um dos

seguintes esquemas de transmissão: TDM DL + TDMA UL, WDM DL + WDMA UL Híbrido e

WDM/TDM DL + TDMA UL.

Cada uma das componentes de acesso PON, que integra a rede PON de grande

cobertura, define um percurso distinto entre a central e um equipamento terminal pertencente à

componente. Estes caminhos são diferentes, não só em termos do comprimento como,

também, da atenuação, do ganho e do ruído introduzidos nos sinais transmitidos. Assim,

conclui-se que o desempenho global da rede PON de grande cobertura é determinado por

quatro desempenhos distintos. Daí, que se apresentem resultados para cada uma das

componentes de acesso da rede PON de grande cobertura: PON #1 a #4.

3.1.3.1 – TDM DL + TDMA UL: Resultados E Sua Interp retação

Nas Fig. 3.3 e 3.4 apresenta-se a variação da probabilidade de erro de bit no receptor

da OLT, em função da potência média de sinal à saída do emissor da ONU, quando se usam,

respectivamente, os fotodetectores PIN e APD. A sua análise permite concluir que, o aumento

do débito binário de transmissão implica o aumento do nível da potência de emissão,

necessário para atingir uma determinada probabilidade de erro de bit. A largura de banda

eléctrica do receptor é proporcional ao débito. Quando este aumenta, a quantidade de ruído

também aumenta, o que conduz à diminuição do valor da relação sinal-ruído e à degradação

do desempenho do sistema.

35

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.3: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor da OLT, em função da potência média de sinal à

saída do emissor de uma ONU, para o esquema de tran smissão TDM DL + TDMA UL e quando se utiliza um

fotodetector PIN: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON # 3, (d) PON #4.

(a) (b)

(c) (d)


saída do emissor de uma ONU, para o esquema de tran smissão TDM DL + TDMA UL e quando se utiliza um

fotodetector APD: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON # 3, (d) PON #4.

-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

Potência de Emissão do Transmissor da ONU (dBm)

Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #1: 1.25 Gbps

PON #1: 2.5 GbpsPON #1: 10 Gbps

-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #2: 1.25 Gbps


-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #3: 1.25 Gbps


-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #4: 1.25 Gbps


-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #1: 1.25 Gbps


-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #2: 1.25 Gbps


-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #3: 1.25 Gbps


-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #4: 1.25 Gbps


36

A Tab. 3.2, construída a partir das figuras já mencionadas, resume os valores da

potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, para uma probabilidade de erro de

bit de 10-12. Os dados presentes nesta tabela mostram que é indiferente o tipo de fotodetector

utilizado no receptor da OLT. A interpretação deste resultado é realizada com recurso à relação

sinal-ruído do receptor e encontra-se no Anexo E.

Tab. 3.2: Valores da potência média de sinal à saíd a do emissor de uma ONU (em dBm), correspondentes a

uma probabilidade de erro de bit de 10 -12 e para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL.

8IDQI%KE

Fotodetector 1.25 2.5 10

PIN

PON #1 4.0 6.4 11.6

PON #2 3.9 6.3 11.5

PON #3 3.8 6.1 11.4

PON #4 3.6 6.0 11.3

APD

PON #1 4.0 6.4 11.7

PON #2 3.9 6.3 11.6

PON #3 3.8 6.2 11.4

PON #4 3.6 6.0 11.3

De forma a decidir sobre a viabilidade física da rede, torna-se necessário definir o nível

máximo de potência de sinal, que se pode ter à saída do transmissor. Os sistemas de

telecomunicações por fibra óptica usam fontes ópticas feitas de semicondutores, tais como

díodos emissores de luz (LED) e díodos laser (LD). A potência óptica média acoplada à fibra

varia tipicamente, para o caso dos LEDs, de -20 a -10 dBm (10 a 100 µW) e, para os LDs, de 0

a ≈7 dBm (1 a 5 mW) [21]. Este último representa o tipo de fonte praticamente dominante na

actualidade. De modo a complementar esta informação, apresenta-se a Tab. 3.3, na qual se

indicam os níveis máximos estabelecidos para a potência dos transmissores, nas normas

GPON e EPON [23]-[24].

Tab. 3.3: Limites máximos definidos, nas normas GPO N e EPON, para a potência média de emissão (dBm).

Norma ITU-T G.984.x (GPON) IEEE 802.3ah (EPON)

Classe A B C 1000BASE-PX10 1000BASE-PX20

Alcance (km) 10/20 10 20

Orçamento de Potência (dB) 20 25 30 23 (UL), 21 (DL) 26

UL

155 Mbps -0 +2 +4 - -

622 Mbps -1 +4 +4 - -

1.25 Gbps +2 +3 +7 +4 +4

2.5 Gbps - - - - -

DL 1.25 Gbps +1 +6 +9 +2 +7

2.5 Gbps +4 +9 +7 - -

37

Tendo presente estes dados, assume-se que o valor máximo da potência média do

transmissor é igual a 7 dBm. Colocando este dado lado a lado com os valores indicados na

Tab. 3.2, conclui-se que, com a tecnologia actualmente disponível, o sistema tem o

desempenho considerado como aceitável quando o débito binário vale 1.25 ou 2.5 Gbps. A

10 Gbps, a rede enfrenta um problema de viabilidade física, pelo que é necessário encontrar

soluções que consigam melhorar o seu desempenho.

No cenário que se tem vindo a estudar, as componentes de ruído térmico e de shot são

desprezáveis face ao ruído ASE (ver Anexo E), pelo que se conclui, à partida, que a inserção

de um pré-amplificador óptico na OLT não resolve o problema. A implementação de

pós-amplificação óptica nas ONUs soluciona, com certeza, o problema, mas o custo de um

amplificador é muito superior ao custo do equipamento terminal, pelo que em termos

económicos não faz sentido. A pensar na estratégia que a 10GEPON vai adoptar, pode-se

perspectivar a utilização de um código FEC (Forward Error Correction) no sentido ascendente

da rede, o qual permite ganhar normalmente entre 6 a 7 dB [6]. Quando se utiliza um código

FEC, o desempenho aceitável localiza-se, normalmente, numa probabilidade de erro de bit não

superior a 10-3 [25]. Os valores da potência média de emissão, para esta probabilidade de erro,

encontram-se indicados na Tab. 3.4.


uma probabilidade de erro de bit de 10 -3 e para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL.

8IDQI%KE


PIN

PON #1 -1.0 1.0 5.4

PON #2 -1.1 0.9 5.3

PON #3 -1.2 0.8 5.2

PON #4 -1.4 0.6 5.0

APD

PON #1 -1.0 1.0 5.4

PON #2 -1.1 0.9 5.3

PON #3 -1.2 0.8 5.2

PON #4 -1.4 0.6 5.0

Em suma, o sentido ascendente da rede TDM-PON de grande cobertura é viável do

ponto de vista físico. No entanto, a 10 Gbps é necessário aplicar um código FEC, para que se

garanta o desempenho desejado.

Passa-se, assim, ao tratamento do sentido descendente da rede. À semelhança do que

se fez anteriormente, apresenta-se, nas Fig. 3.5 e 3.6, a variação da probabilidade de erro de

bit no receptor da ONU, em função da potência média de sinal à saída do emissor da OLT,

quando se utilizam, respectivamente, um PIN e um APD.

38

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.5: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor de uma ONU, em função da potência média de

sinal à saída do emissor da OLT, para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL e quando se utiliza um

fotodetector PIN: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON # 3, (d) PON #4.

(a) (b)

(c) (d)


sinal à saída do emissor da OLT, para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL e quando se utiliza um

fotodetector APD: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON # 3, (d) PON #4.

-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -810

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dBm)

Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #1: 1.25 Gbps


-30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -1410

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #2: 1.25 Gbps


-30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -1410

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #3: 1.25 Gbps


-30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -1410

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #4: 1.25 Gbps


-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #1: 1.25 Gbps


-30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -1410

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #2: 1.25 Gbps


-30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -1410

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #3: 1.25 GbpsPON #3: 2.5 GbpsPON #3: 10 Gbps

-30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -1410

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #4: 1.25 Gbps


39

Na Tab. 3.5 indicam-se dados extraídos destas figuras e que foram calculados

considerando uma probabilidade de erro de bit de 10-12. No sentido descendente, a utilização

do APD mostra ser uma mais valia (ver Anexo E), já que permite minimizar o valor da potência

de emissão necessário para se alcançar um desempenho de sistema aceitável.

Tab. 3.5: Valores da potência média de sinal à saíd a do emissor da OLT (em dBm), correspondentes a uma

probabilidade de erro de bit de 10 -12 e para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL.

8IDQI%KE


PIN

PON #1 -15.6 -13.8 -9.8

PON #2 -21.7 -19.5 -14.3

PON #3 -21.9 -19.6 -14.4

PON #4 -21.9 -19.6 -14.4

APD

PON #1 -20.2 -18.0 -12.9

PON #2 -21.8 -19.5 -14.3

PON #3 -21.9 -19.6 -14.4

PON #4 -21.9 -19.6 -14.4

Os valores indicados na Tab. 3.5 respeitam o limite máximo estabelecido para a

potência média de emissão, o que quer dizer que o sentido descendente da rede não

representa um problema de dimensionamento ao nível físico. Recorda-se que, no sentido

ascendente e a 10 Gbps, é necessário recorrer a um código FEC para que a rede seja viável

do ponto de vista físico. Ao nível económico, faz todo o sentido aplicar um código ao sinal

descendente da rede, já que os custos adicionais, associados à introdução de descodificadores

nas ONUs e de um codificador na OLT, não são significativos. Na Tab. 3.6 apresentam-se os

valores da potência de emissão para esta situação.


probabilidade de erro de bit com um valor de 10 -3 e para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL.

8IDQI%KE


PIN

PON #1 -19.5 -17.9 -14.4

PON #2 -26.6 -24.7 -20.4

PON #3 -26.8 -24.8 -20.5

PON #4 -26.8 -24.8 -20.5

APD

PON #1 -25.4 -23.5 -19.2

PON #2 -26.8 -24.8 -20.5

PON #3 -26.8 -24.8 -20.5

PON #4 -26.8 -24.8 -20.5

40

Conclui-se que a rede TDM-PON de grande cobertura é fisicamente viável. Deve-se

acrescentar, no entanto, que o sentido ascendente exige potências de emissão na ONU

bastante superiores às que são exigidas no sentido descendente, ou seja na OLT. Esta

diferença deve-se sobretudo ao facto de que, no sentido descendente, tanto o sinal como o

ruído de amplificação óptica sofrem perdas de potência na componente de acesso PON,

enquanto, no sentido ascendente, somente o sinal é afectado. Além disso, qualquer sinal

ascendente sofre a interferência de todas (quatro, neste caso) as componentes de ruído ASE,

o que não sucede no sentido descendente.

O cenário associado à PON#4 encontra-se sujeito a uma maior quantidade de ruído

(pelo menos no sentido descendente) e possui o percurso com maior comprimento, pelo que

deveria corresponder à situação mais crítica, ou seja aquela que exigiria maior potência de

emissão. No entanto, os resultados mostram que isso não é verdade, sugerindo, inclusive, que

esta representa a situação mais fácil de gerir. Para justificar esta questão, basta pensar que,

apesar de todas as dificuldades, o cenário #4 é o que possui maior número de amplificadores

intermédios, habilitados a contribuir com mais amplificação. Por exemplo, o cenário

correspondente à PON#1, teoricamente o menos crítico, é o que exige um maior nível de

potência de emissão, porque possui um único amplificador. Note-se que, estas considerações

só são válidas quando os ganhos dos amplificadores são mais do que suficientes para

compensar as perdas de potência do anel da rede.

3.1.3.2 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Resultados E Su a Interpretação

Antes de iniciar a apresentação dos resultados, explica-se como é que o método de

cálculo se altera, quando se transita da rede TDM-PON de grande cobertura para a

WDM/TDM-PON. Segundo o Cap. 2, uma das principais diferenças, entre os esquemas de

transmissão usados por estas redes, reside no plano de comprimentos de onda. Enquanto na

TDM-PON, é atribuído o mesmo par de comprimentos de onda a todas as componentes de

acesso (ver Tab. 2.1), na WDM/TDM-PON, cada componente é servida por um par único na

rede (ver Tab. 2.2). Isto passa a permitir a transmissão simultânea de sinais, da central para

clientes de diferentes componentes de acesso e vice-versa, o que, por sua vez, aumenta o

número de sinais e de comprimentos de onda que circulam na rede e, eventualmente, os níveis

totais de potência. Por conseguinte, o método de determinação dos ganhos reais dos

amplificadores (em saturação) tem que ser alterado (ver Anexo C). Além disso, já tinha sido

visto que era necessário mudar a estrutura da OLT, com a introdução de um mux/demux WDM,

e passar a utilizar a Eq. (3.8), para o cálculo da sua atenuação. Em síntese, modifica-se o

plano de comprimentos de onda, o método de determinação dos ganhos reais dos

amplificadores e a expressão utilizada para o cálculo da atenuação da OLT. Está claro que, a

utilização de outro plano de comprimentos altera os valores dos parâmetros dependentes do

comprimento de onda, como, por exemplo, a respostividade do receptor. No entanto,

considera-se que os amplificadores possuem ganho e potência de saturação constantes em

41

ambas as bandas de transmissão. De resto, o estudo da rede WDM/TDM-PON de grande

cobertura é conduzido de modo similar ao da secção anterior. Começa-se por tratar o sentido

ascendente, para o qual se apresentam as Fig. 3.7 e 3.8, que traçam a variação da

probabilidade de erro de bit no receptor da OLT, em função da potência média de sinal à saída

do emissor de uma ONU, quando se usam, respectivamente, os fotodetectores PIN e APD.

(a) (b)

(c) (d)


saída do emissor de uma ONU, para o esquema de tran smissão WDM DL + WDMA UL Híbrido e quando se

utiliza um fotodetector PIN: (a) PON #1, (b) PON #2 , (c) PON #3, (d) PON #4.

(a) (b)

(c) (d)


saída do emissor de uma ONU, para o esquema de tran smissão WDM DL + WDMA UL Híbrido e quando se

utiliza um fotodetector APD: (a) PON #1, (b) PON #2 , (c) PON #3, (d) PON #4.

-2 0 2 4 6 8 10 12 1410

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #1: 1.25 GbpsPON #1: 2.5 GbpsPON #1: 10 Gbps

-2 0 2 4 6 8 10 12 1410

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #2: 1.25 Gbps


-2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #3: 1.25 Gbps


-2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #4: 1.25 Gbps


-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #1: 1.25 Gbps


-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #2: 1.25 Gbps


-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #3: 1.25 Gbps


-4 -2 0 2 4 6 8 10 1210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #4: 1.25 Gbps


42

A Tab. 3.7 apresenta os valores da potência média de sinal à saída do emissor de uma

ONU, calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-12. Os dados presentes nesta

tabela revelam uma ligeira diferença entre os desempenhos do PIN e do APD, mas que, à

semelhança do que se passa na TDM-PON, ainda não permite estabelecer uma preferência

quanto ao tipo de fotodetector a utilizar no receptor da OLT. De acordo com as Eq. (3.7)-(3.9),

a introdução do desmultiplexador WDM, já referenciado, aumenta o valor da atenuação da OLT

em 7 dB. Assim, conclui-se que o sinal e o ruído ASE sofrem maiores perdas de potência na

rede WDM/TDM-PON do que na TDM-PON. Neste sentido, o ruído térmico (independente da

potência do sinal) passa a ter um maior peso sobre o valor total de ruído, sendo este o principal

motivo por detrás da ténue diferença de desempenhos (ver Anexo E).


uma probabilidade de erro de bit de 10 -12 e para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL H íbrido.

8IDQI%KE


PIN

PON #1 5.1 7.3 12.2

PON #2 4.9 7.0 12.0

PON #3 4.7 6.9 11.9

PON #4 4.4 6.6 11.6

APD

PON #1 4.4 6.8 11.9

PON #2 4.2 6.6 11.8

PON #3 4.0 6.4 11.7

PON #4 3.8 6.2 11.4

Como era expectável, o sistema não tem o desempenho considerado como aceitável

quando o débito binário vale 10 Gbps. Para resolver este problema, recorre-se, novamente, à

utilização de um código FEC, cujo resultado se pode observar na Tab 3.8.


uma probabilidade de erro de bit de 10 -3 e para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL H íbrido.

8IDQI%KE


PIN

PON #1 0.4 2.3 6.4

PON #2 0.2 2.1 6.2

PON #3 0.0 1.9 6.0

PON #4 -0.2 1.6 5.8

APD

PON #1 -0.6 1.4 5.7

PON #2 -0.8 1.2 5.6

PON #3 -1.0 1.0 5.4

PON #4 -1.2 0.7 5.1

43

Visto que, o sentido ascendente da rede é fisicamente viável, passa-se ao tratamento

do descendente. As Fig. 3.9 e 3.10 traçam a variação da probabilidade de erro de bit no

receptor de uma ONU, em função da potência média de sinal à saída do emissor da OLT.

(a) (b)

(c) (d)


sinal à saída do emissor da OLT, para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL Híbrido e quando se

utiliza um fotodetector PIN: (a) PON #1, (b) PON #2 , (c) PON #3, (d) PON #4.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.10: Variação da probabilidade de erro de bit no receptor de uma ONU, em função da potência médi a de

sinal à saída do emissor da OLT, para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL Híbrido e quando se

utiliza um fotodetector APD: (a) PON #1, (b) PON #2 , (c) PON #3, (d) PON #4.

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 010

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #1: 1.25 Gbps


-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -610

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #2: 1.25 Gbps


-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -610

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #3: 1.25 Gbps


-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -610

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #4: 1.25 Gbps


-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -510

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #1: 1.25 Gbps


-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -610

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #2: 1.25 Gbps


-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -610

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #3: 1.25 Gbps


-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -610

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babilid

ade

de E

rro

de B

it

PON #4: 1.25 Gbps


44

A Tab. 3.9 apresenta os valores da potência média de sinal à saída do emissor da OLT,

calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-12. Tal como sucedia para o caso do

esquema TDM DL + TDMA UL, o APD é o tipo de fotodetector que deve ser utilizado no sentido

descendente da rede (ver Anexo E). Reunindo todos os dados apresentados, conclui-se que o

sentido descendente é fisicamente realizável, indo de encontro aos requisitos propostos.


probabilidade de erro de bit de 10 -12 e para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL H íbrido.

8IDQI%KE


PIN

PON #1 -7.8 -5.7 -0.8

PON #2 -14.7 -12.3 -7.0

PON #3 -14.9 -12.5 -7.2

PON #4 -14.9 -12.5 -7.3

APD

PON #1 -13.1 -10.8 -5.4

PON #2 -14.8 -12.5 -7.2

PON #3 -14.9 -12.5 -7.3

PON #4 -14.9 -12.6 -7.3

À primeira vista, o desempenho da rede WDM/TDM-PON de grande cobertura deveria

ser significativamente pior do que o da TDM-PON, para ambos os sentidos de transmissão.

Note-se que, no anel da rede híbrida transmite-se um sinal WDM, cuja potência é (quatro

vezes) superior ao sinal da rede TDM-PON de grande cobertura e que deveria conduzir a um

efeito de saturação bastante mais intenso. No entanto, isto não se verifica e os ganhos dos

amplificadores praticamente não se alteram (ver Secção C.3, Anexo C). Agora, interessante é

tentar perceber porque é que, no sentido ascendente, o desempenho da rede WDM/TDM-PON

é semelhante ao da TDM-PON e, no descendente, é pior. A razão disto está no esquema

mux/demux WDM, inserido na OLT da rede WDM/TDM-PON. No sentido ascendente, tanto o

sinal como o ruído ASE sofrem a atenuação do desmultiplexador, o que permite manter

aproximadamente o mesmo valor da relação sinal-ruído, enquanto no descendente só o sinal é

atenuado pelo multiplexador. Se com a introdução de tal atenuação, que não existia na rede

TDM-PON, só o sinal é atenuado, é lógico que o desempenho se degrade de forma acentuada.

3.1.3.3 – WDM/TDM DL + TDMA UL: Resultados E Sua In terpretação

Como já foi referido, este esquema conjuga o método utilizado no sentido ascendente

do esquema TDM DL + TDMA UL com a técnica aplicada no sentido descendente do esquema

WDM DL + WDMA UL Híbrido. Assim, os resultados obtidos na secção 3.1.3.1 permanecem

válidos para o seu upstream e os da secção 3.1.3.2 para o seu downstream.

45

3.1.4 – Resultados Para O Estado De Protecção

Encerrado o estudo do estado de serviço, passa-se, agora, à apresentação dos

resultados da análise da camada física da rede PON de grande cobertura, no seu estado de

protecção (consulte 2.3, Cap. 2). Nesta secção, apenas se apresentam os resultados relativos

à rede WDM/TDM-PON de grande cobertura, já que o estudo para os outros esquemas de

transmissão é idêntico.

A Fig. 3.11 ilustra os percursos tomados pelos sinais, nas quatro possíveis situações

de falha dos troços de fibra do anel da rede. De acordo com o Cap. 2, só transitam para

protecção os RNs que se encontram após o local da falha, segundo o sentido retrógrado ou

dos ponteiros do relógio. Como os sinais que fluem nas componentes de acesso,

correspondentes a estes RNs, vão descrever outros percursos, os desempenhos de rede

vão-se alterar.

Quando ocorre uma falha no primeiro troço de fibra do anel da rede, todos os RNs

comutam para o estado de protecção, pelo que esta pode ser considerada a situação mais

crítica. Logo, se garantir-se um desempenho de rede aceitável nesta situação, também se

garantirá nas restantes.

(a) (b)

RN #1

RN #2

RN #3

RN #4

OLT

(c) (d)

Fig. 3.11: Percursos descritos pelos sinais, quando ocorre uma falha num troço de fibra do anel da red e:

(a) troço #1, (b) troço #2, (c) troço #3 e (d) troç o #4.

46

Considere-se, então, a situação de falha no troço #1, representada na Fig. 3.11 (a). Por

comparação desta com a Fig. 2.1 (ver Cap. 2), conclui-se que o funcionamento da rede em

protecção representa o espelho do funcionamento em serviço. Observando os percursos

descritos pelos sinais, pode-se dizer que quando o RN#_ (com _ inteiro, a variar de 1 a 4) entra

em protecção, a sua posição relativamente à OLT altera-se, passando a ficar à mesma

distância que o RN#D5 � _E está da OLT no estado de serviço. Deste modo, conclui-se que o

método utilizado para o cálculo do desempenho de rede associado à PON#_ , quando o

respectivo RN se encontra em protecção, é análogo ao usado na determinação do

desempenho referente à PON#D5 � _E,nas condições normais de funcionamento.

Falta só referir quais os esquemas de amplificação que devem ser utilizados. Como

tinha sido visto no Cap. 2, os amplificadores de um RN, que comute para a protecção, passam

a actuar sobre diferentes sentidos de transmissão. Portanto, se, no estado de serviço, o

amplificador opera sobre o sinal ascendente, em protecção vai amplificar o descendente e

vice-versa. Isto quer dizer que, em protecção, o esquema de amplificação do anel exterior

actua sobre os sinais ascendentes e o do anel interior sobre os descendentes (ver Tab. 3.1).

3.1.4.1 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Resultados E Su a Interpretação

A Tab. 3.10 apresenta os valores da potência média (em dBm) de sinal à saída dos

emissores de uma ONU (sentido ascendente, UL) e da OLT (sentido descendente, DL),

calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-3 (com FEC), na situação de falha do

primeiro troço de fibra do anel. Nesta análise utilizaram-se fotodetectores APD, para ambos os

sentidos de transmissão. Como se viu em 3.1.3.2, é indiferente o tipo de fotodetector que se

utiliza no receptor da OLT, mas, no downstream, é preferível utilizar um fotodetector APD.

Tab. 3.10: Valores da potência média de sinal (dBm) à saída dos emissores de uma ONU (UL) e da OLT (DL ),

calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-3, na situação de falha do primeiro troço de fibra d o

anel.

8IDQI%KE

PON 1.25 2.5 10

UL

PON #1 -6.0 -4.1 0.1

PON #2 8.3 10.1 14.2

PON #3 12.4 14.1 17.8

PON #4 13.2 14.9 18.4

DL

PON #1 -17.2 -15.2 -10.7

PON #2 -8.8 -6.5 -1.7

PON #3 -6.4 -4.2 0.7

PON #4 -4.0 -1.7 3.1

47

A análise da Tab. 3.10 permite concluir que, a rede PON de grande cobertura não

possui um desempenho aceitável no estado de protecção. Salienta-se, ainda, que o sentido

ascendente de transmissão é o mais crítico, o que vem reforçar aquilo que se tinha dito

anteriormente acerca da elevada especificidade do seu esquema de amplificação (ver 3.1.2 e

Anexo D). Na secção seguinte exploram-se os problemas introduzidos pelo mecanismo de

protecção, sobretudo ao nível físico, e propõem-se soluções.

Ao observar a Tab. 3.10, verifica-se que, em protecção, o desempenho da rede

melhora, à medida que se avança da PON#4 para a PON#1. Na secção 3.1.3.1 tinha-se visto

que, em serviço, passava-se exactamente o contrário. Isto confirma o que foi dito inicialmente

sobre o facto do funcionamento da rede em protecção constituir o espelho do funcionamento

em serviço.

3.1.4.2 – Problemas Introduzidos Pelo Mecanismo De Protecção

Os esquemas de amplificação, que actuam sobre os sinais, mudam consoante o

estado da rede (serviço ou protecção). Para o sinal descendente, em serviço, o esquema toma

a ordem 34, 34, 34 e 34 dB enquanto, em protecção, tem-se 14.5, 14.5, 14.5 e 34 dB. No

sentido ascendente, o esquema passa de 14.5, 14.5, 14.5 e 34 dB para 34, 34, 34 e 34 dB.

Como se constatou na secção anterior, todas estas alterações trazem sérias consequências ao

nível de desempenho da rede. A Fig. 3.12 apresenta os esquemas de amplificação no estados

de serviço e de protecção.

(a) (b)

Fig. 3.12: Esquemas de amplificação no estado de: ( a) serviço, (b) protecção.

Para solucionar este problema, de nível físico, aproveita-se a flexibilidade já

demonstrada pelo esquema de amplificação descendente e iguala-se o esquema de

amplificação ascendente de protecção ao de serviço. Em termos práticos, os amplificadores de

1 a 4, presentes no anel exterior, passam a apresentar os seguintes valores de ganho e de

potência de saturação: 14.5 dB, 17 dBm; 14.5 dB, 17 dBm; 14.5 dB e 17 dBm; 34 dB, 18 dBm.

48

Os amplificadores, presentes no anel interior, mantêm as suas características iniciais. A

Fig. 3.13 apresenta os esquemas de amplificação finais.

(a) (b)

Fig. 3.13: Esquemas de amplificação finais no estad o de: (a) serviço, (b) protecção.

Ao igualar o esquema ascendente de protecção ao de serviço, também se iguala o

esquema descendente de serviço ao de protecção. Porém, a Tab. 3.10 indica que, em

protecção, a rede apresenta um desempenho aceitável no sentido descendente, pelo que o

mesmo se continua a verificar em serviço. A Tab. 3.11 apresenta os valores da potência média

(em dBm) de sinal à saída dos emissores de uma ONU (sentido ascendente, UL) e da OLT

(sentido descendente, DL), calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-3 (com

FEC), em ambos os estados de rede. Note-se que, de modo a garantir o desempenho de rede

aceitável demonstrado pela Tab. 3.11, é necessário utilizar APDs nas ONUs e aplicar códigos

FEC aos sinais, em ambos os sentidos. Como é indiferente o tipo de fotodetector da OLT,

utiliza-se um PIN.

Tab. 3.11: Valores da potência média de sinal (dBm) à saída dos emissores de uma ONU (UL) e da OLT (DL ),

calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-3, em ambos estados de rede.

8IDQI%KE

PON 1.25 2.5 10

UL

PON #1 Serviço 0.4 2.3 6.4

Protecção -0.2 1.6 5.8

PON#2 Serviço 0.2 2.1 6.2

Protecção 0.0 1.9 6.0

PON#3 Serviço 0.0 1.9 6.0


PON#4 Serviço -0.2 1.6 5.8


DL

PON #1 Serviço -4.0 -1.7 3.1

Protecção -17.2 -15.2 -10.7

PON#2 Serviço -6.4 -4.2 0.7

Protecção -8.8 -6.5 -1.7

PON#3 Serviço -8.8 -6.5 -1.7

Protecção -6.4 -4.2 0.7

PON#4 Serviço -17.2 -15.2 -10.7

Protecção -4.0 -1.7 3.1

49

Mesmo solucionando esta situação, o sistema vai falhar, quando se abandona o estado

de serviço. A banda do sinal ascendente encontra-se centrada em 1310 nm e a banda do

descendente em 1490 nm. Logo, os amplificadores têm que possuir uma largura de banda com

cerca de 200 nm para que o sistema funcione correctamente. Tal é claro impossível, pois, no

caso dos SOAs, esse parâmetro raramente excede os 70 nm. Para que os amplificadores

continuem a operar adequadamente, mesmo em protecção, ambos os sinais, ascendente e

descendente, têm que se encontrar dentro da banda de trabalho do elemento óptico referido.

O sinal ascendente pertence à banda O (1260-1360 nm), enquanto o descendente

encontra-se na banda S (1460-1530 nm), que por sinal apresenta um menor coeficiente de

atenuação para a fibra. Logo, a forma mais benéfica de resolver o problema descrito no

parágrafo anterior é mover a banda ascendente acoplando-a à descendente, de modo a que

ambas se encontrem dentro da largura de banda do mesmo amplificador. Se, por ventura,

também se quiser tirar partido da utilização de amplificadores do tipo EDFA, que possuem um

ganho mais elevado do que os SOAs, pode-se eventualmente pensar em transladar ambos os

sinais para a banda L (1565-1625 nm).

Um outro modo de resolução reside na modificação da estrutura interna do RN. Pela

utilização de um maior número de comutadores, tal como se observa na Fig. 3.14, é possível

garantir que todos os amplificadores actuem sempre sob o mesmo sentido de transmissão. No

entanto, o plano de controlo da rede torna-se mais complexo. Em serviço, os comutadores

encontram-se na posição (a) e, em protecção, transitam para (b). Numa situação normal de

funcionamento, o sinal descendente é extraído do anel exterior pelos comutadores 1 e 2 e é

inserido no mesmo anel pelos comutadores 3 e 4. Por outro lado, o sinal ascendente é extraído

do anel interior pelos 5 e 6 e é inserido no mesmo anel pelos 7 e 8. Em protecção, o sinal

descendente, que percorre o anel interior, passa pelos comutadores 5, 2, 3, 8 e o sinal

ascendente (anel exterior) atravessa 1, 6, 7, 4. Este RN ainda desempenha, à semelhança do

seu precedente, funções de amplificação (blocos OA), repartição (S), combinação (C), filtragem

(DF) e de interface com o acesso, através de um duplexor WDM. O novo RN foi desenhado

com o intuito de manter um valor de atenuação próximo do da estrutura anteriormente

considerada:

' 1:2 4. ,RN SwitchA S A= + (3.22)

A partir dos valores indicados no Anexo F, conclui-se que este RN introduz mais 0.5 dB de

atenuação. Desta forma, assegura-se que as considerações já feitas mantenham-se válidas,

pelo menos para o estado de serviço, faltando verificar se, com a utilização deste novo RN, a

rede mantém um desempenho aceitável em protecção.

Com esta nova estrutura, têm-se para o upstream de serviço 14.5 (interior #4), 14.5,

14.5 e 34 dB (int. #1), para o de protecção 34 (int. #1), 14.5, 14.5 e 14.5 dB (int. #4), para o

downstream de serviço 14.5 (exterior #1), 14.5, 14.5 e 34 dB (ext. #4) e para o de protecção 34

(ext. #4), 14.5, 14.5 e 14.5 dB (ext. #1). Como os sinais de serviço circulam no sentido oposto

aos de protecção é normal que a ordem dos esquemas de amplificação também se inverta.

50

Esta troca não tem grandes consequências para o sentido descendente, mas para o sentido

ascendente de protecção é necessário manter o mesmo esquema de amplificação que se tem

em serviço. Isto é conseguido, através da introdução de dois atenuadores de 19.5 dB, cuja

acção deve ser controlada pelo plano de controlo da rede e que devem ser colocados após os

amplificadores #1 e #4 do anel interior. Estes dois amplificadores passam a possuir um ganho

de 34 dB e uma potência de saturação interna de 18 dBm. Além disso, o atenuador #4 deve ser

activado (atenuar) em serviço e desactivado (não atenuar) em protecção, e o atenuador #1

deve ser activado em protecção e desactivado em serviço. Estas alterações permitem manter,

para o sentido ascendente, o mesmo esquema de amplificação em serviço e em protecção,

garantindo um desempenho de rede aceitável em ambos os sentidos de transmissão.

Fig. 3.14: Nova estrutura para o RN.

3.2 – Análise Da Rede WDM/TDM-PON De Grande Cobertu ra Com UWC

Nesta secção realiza-se a análise física da rede WDM/TDM-PON com UWC, que incide

somente sobre o sentido ascendente, pois, tal como foi dito em 2.2.4, o downstream não se

altera. Assim, os resultados apresentados em 3.1.3.2, sobre o sentido descendente de

transmissão, permanecem válidos. O estudo prossegue com a indicação dos conceitos teóricos

essenciais e com a apresentação dos resultados, em conjunto com a sua interpretação.

3.2.1 – Conceitos Teóricos

A Fig. 3.15 representa o percurso descrito pelo sinal, desde uma ONU pertencente à

componente de acesso #� até à OLT. Por comparação desta com a Fig. 3.1 (a), verifica-se que

a única diferença reside na inserção do conversor de comprimento de onda (bloco WC). Como

se verá adiante, a sua introdução altera por completo o método utilizado para a determinação

da potência à entrada do receptor da OLT.

51

Fig. 3.15: Percurso descrito pelo sinal ascendente, na rede WDM/TDM-PON sujeita a UWC.

O primeiro passo é determinar a potência média de sinal, �vl��#¢ , à entrada do

conversor #�. Pela Fig. 3.15, observa-se que o sinal, de comprimento de onda 1310 nm, é

emitido por uma ONU, percorre a componente de acesso #� e é conduzido pelo duplexor WDM

do RN até à entrada do conversor de comprimento de onda. Neste sentido, tem-se:

#

( ),WC n ONUi E ONU PON SwitchP P A A A= − − − (3.23)

onde as atenuações �x}h e �ix} podem ser determinadas, respectivamente, a partir das

Eq. (3.3) e (3.4). A Eq. (3.4), utilizada para determinar a atenuação da componente de acesso,

inclui a atenuação �g�l�� introduzida por um comutador. Como o comutador se encontra antes

do conversor de comprimento de onda, é necessário subtrair �g�l�� a �ix} . Na Fig. 3.16 apresenta-se a estrutura do conversor de comprimento de onda #�. Como

foi mencionado na Secção 2.2.4 do Cap. 2, este elemento baseia-se na modulação de ganho

cruzado em amplificadores do tipo SOA [19]. O sinal, de potência �vl��#¢, presente à entrada do

conversor, é combinado, por meio de um combinador 2:1, com um sinal contínuo de

comprimento eD¢rsE (ver Tab. 2.2, Cap.2). Considera-se que o sinal emitido pelo laser do

conversor possui uma potência ��#¢ , que é cerca de uma ordem de grandeza inferior à

potência do sinal que se encontra à entrada do conversor.

Após a combinação, realiza-se o processo de modulação de ganho. Quando a potência

à entrada do amplificador é máxima, isto é quando o sinal atinge o nível lógico ‘1’, o

amplificador satura e o sinal é amplificado por um valor de ganho �M�� N1NO bastante reduzido.

Quando a potência à entrada é mínima, ou seja quando vai a ‘0’, o sinal é amplificado por um

valor de ganho �M�� N0NO elevado. A variação do ganho do amplificador é mapeada no sinal

contínuo, fazendo com que, à saída do conversor, surja um sinal no comprimento de onda alvo.

Este possui a mesma informação digital do sinal de entrada, mas possui uma polarização

inversa. Existe um filtro WCF #� que tem como objectivo filtrar o sinal em eD¢rsE e diminuir a

potência de ruído ASE gerada pelo conversor.

52

Fig. 3.16: Estrutura interna do conversor de compri mento de onda, presente no RN #?.

As potências (em unidades lineares) dos símbolos ‘0’ e ‘1’, à saída do conversor, são

dadas, respectivamente, por:

{ }# #,'0' 1:2. . '1' . eWC n WC n

o t Filterp p s g in a= = (3.24)

{ }# #,'1' 1:2. . '0 ' . ,WC n WC n

o t Filterp p s g in a= = (3.25)

A partir destas equações, deduz-se a expressão para a razão de extinção do sinal:

{ }{ }

#,'0'#

#,'1'

'1'.

'0 '

WC noWC n

o WC no

p g inr

p g in

== =

= (3.26)

A potência média de sinal à saída do conversor vem, então, dada por:

{ } { }# #

# ,'0' ,'1' #1:2

'1' '0 '. . . .

2 2

WC n WC nWC n o o WC n

t Filtero

p p g in g inp p s a

+ = + = = =

(3.27)

Quando o sinal, agora no comprimento de onda eD¢rsE, sai do conversor é comutado

para um dos anéis da rede e percorre o anel, passando pelos vários andares de amplificação,

até chegar à OLT. A potência média de sinal à entrada do receptor da OLT pode ser expressa

pela seguinte equação:

( )#

1

.nOLT WC n

R o Switch RN L i OLT BM fi

P P A A A G A P P M=

= − − + − − − ∆ − ∆ −∑ (3.28)

Nesta rede o sinal vem adicionado de uma componente de ruído ASE adicional, que é

gerada pelo amplificador do conversor e cuja potência, à entrada do receptor da OLT, vale:

( ) ( )# #0

1

. . . . . . . . 1 . . .n

WC n WC nASE Filter Switch RN L k OLT sp

k

p a a a a g a h g n Bυ=

= − ∏ (3.29)

A identificação dos parâmetros, cujo significado ainda não foi esclarecido, encontra-se na

secção 3.1.1. As equações para a determinação das componentes de ruído e da probabilidade

de erro de bit mantêm-se válidas, sendo só necessário adicionar a componente de ruído ASE

introduzida pelo amplificador do conversor. Segundo [19], a aproximação gaussiana, abordada

53

e empregue neste trabalho, é demasiado optimista e o seu uso deve ser restringido a sistemas

nos quais as fontes de ruído térmico e de shot sejam dominantes, o que não é o caso

sobretudo quando se inserem os conversores de comprimento de onda. Em alternativa, [19]

propõe uma abordagem chi-quadrática mais fiável, mais precisa e adequada à presença de

ruído ASE, mas que, por se ter em vista a simplificação do problema, é posta de parte.

3.2.2 – Resultados E Sua Interpretação

As Fig. 3.17 e 3.18 traçam a variação da probabilidade de erro de bit no receptor da

OLT, em função da potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU, quando se usam,

respectivamente, um fotodetector do tipo PIN e um APD.

(a) (b)

(c) (d)


saída do emissor de uma ONU, para o esquema de tran smissão WDM DL + WDMA UL Híbrido sujeito a UWC e

quando se utiliza um fotodetector PIN: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON #3, (d) PON #4.

12 14 16 18 20 22 24 26 2810

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Err

o de

Bit

PON #1: 1.25 Gbps


12 14 16 18 20 22 24 26 2810

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Err

o de

Bit

PON #2: 1.25 Gbps


12 14 16 18 20 22 24 26 2810

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Err

o de

Bit

PON #3: 1.25 Gbps


12 14 16 18 20 22 24 26 2810

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Err

o de

Bit

PON #4: 1.25 Gbps


54

(a) (b)

(c) (d)


saída do emissor de uma ONU, para o esquema de tran smissão WDM DL + WDMA UL Híbrido sujeito a UWC e

quando se utiliza um fotodetector APD: (a) PON #1, (b) PON #2, (c) PON #3, (d) PON #4.

A Tab. 3.12 reúne os dados de interesse presentes nestas figuras. A partir desta é

possível adiantar que o sentido ascendente da rede não é viável do ponto de vista físico. Para

qualquer um dos débitos de transmissão considerados, a potência de emissão ultrapassa

largamente o valor limite considerado e mesmo considerando um código FEC o problema não

fica resolvido.

Tab. 3.12: Valores da potência média de sinal à saí da do emissor de uma ONU (em dBm), correspondentes a

uma probabilidade de erro de bit de 10 -12 e para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL H íbrido

sujeito a UWC.

8IDQI%KE


PIN

PON #1 18.8 21.1 26.3

PON #2 18.8 21.1 26.3

PON #3 18.8 21.1 26.3

PON #4 18.8 21.1 26.4

APD

PON #1 18.8 21.1 26.3

PON #2 18.8 21.1 26.4

PON #3 18.8 21.1 26.4

PON #4 18.8 21.1 26.4

12 14 16 18 20 22 24 26 2810

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #1: 1.25 Gbps


12 14 16 18 20 22 24 26 2810

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #2: 1.25 Gbps


12 14 16 18 20 22 24 26 2810

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #3: 1.25 Gbps


12 14 16 18 20 22 24 26 2810

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2


Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

PON #4: 1.25 Gbps


55

Tal como a rede se encontra dimensionada, o valor de potência média de sinal à saída

do conversor é aproximadamente igual ao valor de potência que se tem à saída do duplexor

WDM no caso da rede WDM/TDM-PON. Visto isto, os motivos para a deterioração do

desempenho do sistema encontram-se na degradação da razão de extinção e no aumento da

potência de ruído. Uma componente de ruído ASE gerada no amplificador #� do anel da rede

passa por � troços de fibra e por D� � 1E amplificadores, no seu percurso até à OLT. Logo, se o

ganho de cada amplificador for suficiente para compensar a atenuação de uma fibra, a

potência da componente à entrada da OLT é aproximadamente igual à sua potência inicial (à

saída do amplificador) deduzida da atenuação do troço de fibra. Por outro lado, a componente

gerada no amplificador do conversor #� passa por � fibras e por � amplificadores, ou seja

mantém aproximadamente o seu valor inicial de potência. Isto quer dizer que, além de se ter

uma componente de ruído ASE adicional, essa possui um valor de potência bastante elevado,

tal como se verifica pela Tab. 3.13.

Tab. 3.13: Valores para a potência (em W) das compo nentes de ruído ASE, à entrada do receptor da OLT.

% 4V7" % 4V,¡ % 4V, % 4V,; % 4V,P

PON#1 5.108e-06 8.170e-08 6.162e-08 5.175e-08 4.792e-08

PON#2 3.985e-06 8.077e-08 6.092e-08 5.116e-08 4.737e-08

PON#3 3.299e-06 7.985e-08 6.022e-08 5.058e-08 4.684e-08

PON#4 3.007e-06 7.894e-08 5.954e-08 5.000e-08 4.630e-08

Todos os conversores apresentam as mesmas características, pelo que a razão de

extinção, à sua saída, é idêntica a todas as componentes de acesso PON. Na Fig. 3.19

apresenta-se a variação da razão de extinção, na presença do conversor, em função da

potência média de sinal à saída do emissor de uma ONU. A razão de extinção, à saída do

conversor, é dada pelo quociente entre o ganho obtido quando se considera a potência do

símbolo “1” e o ganho associado a “0” (ver Eq. (3.26)). Sabendo que a potência de “1” é

bastante superior à de “0” é natural que, devido ao efeito de saturação, o numerador deste

quociente seja inferior ao denominador e que, por isso, se tenha sempre uma razão inferior a

um. A explicação para o facto de a razão diminuir com o aumento da potência média de

transmissão está intimamente ligada com a característica que descreve a variação do ganho do

amplificador em função da potência de entrada. Considere-se tudo o que foi dito anteriormente

e atente-se à Fig. C.2, supondo dois pontos praticáveis de funcionamento no gráfico, um ditado

pelo símbolo “1” e outro pelo “0”. Quando ocorre um pequeno incremento na potência média de

transmissão, o ganho presente no numerador decresce bastante, ao contrário do ganho do

denominador. Como até determinado valor de potência, o denominador permanece

praticamente constante, a variação da razão de extinção é ditada pelo numerador e, daí, o

motivo da sua diminuição.

56

Fig. 3.19: Variação da razão de extinção, em função da potência média de sinal à saída do emissor de u ma

ONU, para o esquema de transmissão WDM DL + WDMA UL Híbrido sujeito a UWC.

A partir da observação da Fig. 3.19 e relembrando que, inicialmente, considera-se uma

razão igual a 0.1, comprova-se a degradação da razão de extinção. Para resolver este

problema de inviabilidade, a única solução é utilizar um outro tipo de conversor. Dos que foram

mencionados na Secção 2.2.4 do Cap. 2, os SOAs usados em modo XPM são provavelmente

a melhor opção, já que os SOAs que usam FWM exigem potências de entrada elevadas (10-20

dBm), o que não é possível nesta rede [17]. Tal como foi indicado, os SOAs usados em XPM

não degradam tanto a razão de extinção e o, próprio, sinal.

3.3 – Em Síntese

Neste capítulo realiza-se a análise da camada física da rede PON de grande cobertura,

para cada um dos esquemas de transmissão estudados no Cap. 2. Nestas análises, procura-se

descobrir, para ambos os sentidos de transmissão (ascendente e descendente) e para ambos

os estados de rede (serviço e protecção), qual o valor de potência de emissão que garante um

desempenho de sistema minimamente aceitável. Por avaliação deste valor, determina-se se o

sistema é ou não fisicamente viável. Além disso, também se procura qual o tipo de fotodetector

que conduz ao melhor desempenho.

Começa-se por determinar, através de uma classe de heurísticas denominada

algoritmos genéticos, quais os esquemas de amplificação que maximizam o desempenho em

serviço (ver Tab. 3.1). Em seguida, utilizam-se estes esquemas ideais para avaliar se a rede é

ou não fisicamente viável em serviço. Caso não seja, tenta-se encontrar soluções para o

problema, como a utilização de pré-amplificação óptica ou codificação FEC. Nas Tab. 3.14 a

3.16 resumem-se os principais resultados desta análise, para os três débitos binários de

transmissão.

0 5 10 15 20 25 300

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5


Raz

ão d

e E

xtin

ção

57

Tab. 3.14: Resultados a 1.25 Gbps, para a camada fí sica da rede PON de grande cobertura, em serviço.

Esquema de

Transmissão

Sentido de

Transmissão Fotodetector

1CV,,9 W DG<>E Viabilidade Física

1' � P=\P; 1' � P=\

TDM DL +

TDMA UL

UL Indiferente 4.0 -1.0 Sim

DL APD -20.2 -25.4

WDM DL +

WDMA UL Híbrido

UL Indiferente 5.1 0.4 Sim

DL APD -13.1 -18.2

WDM/TDM DL +

TDMA UL

UL Indiferente 4.0 -1.0 Sim

DL APD -13.1 -18.2

WDM DL +

WDMA UL Híbrido com UWC

UL Indiferente 18.8 14.1 Não

DL APD -13.1 -18.2

Tab. 3.15: Resultados a 2.5 Gbps, para a camada fís ica da rede PON de grande cobertura, em serviço.

Esquema de

Transmissão

Sentido de



1' � P=\P; 1' � P=\

TDM DL +

TDMA UL


DL APD -18.0 -23.5

WDM DL +

WDMA UL Híbrido


DL APD -10.8 -16.4

WDM/TDM DL +

TDMA UL


DL APD -10.8 -16.4

WDM DL +



DL APD -10.8 -16.4

Tab. 3.16: Resultados a 10 Gbps, para a camada físi ca da rede PON de grande cobertura, em serviço.

Esquema de

Transmissão

Sentido de



1' � P=\P; 1' � P=\

TDM DL +

TDMA UL


DL APD -12.9 -19.2

WDM DL +

WDMA UL Híbrido


DL APD -5.4 -12.0

WDM/TDM DL +

TDMA UL


DL APD -5.4 -12.0

WDM DL +



DL APD -5.4 -12.0

Para qualquer um dos esquemas de transmissão, é indiferente utilizar um PIN ou um

APD no sentido ascendente de transmissão. Por outro lado, no downstream, o APD conduz

nitidamente a um melhor desempenho. Como foi visto, faz sentido utilizar o APD quando as

componentes de ruído térmico e de shot não são desprezáveis face às restantes (componentes

de ruído ASE). Em termos da viabilidade física, o único esquema de transmissão crítico é o que

envolve conversão de comprimento de onda. A utilização de um conversor, baseado na

58

modulação de ganho cruzado em SOAs, degrada a razão de extinção e gera ruído ASE que

deteriora significativamente o desempenho do sistema, isto claro no sentido ascendente de

transmissão. Mesmo aplicando codificação FEC ao sinal, o sistema exige um valor de potência

de transmissão inadmissível. Portanto, conclui-se que o tipo de conversor estudado não é

adequado a esta rede. Uma possível alternativa é o conversor baseado na modulação de fase

cruzada em SOAs, já que, ao que tudo indica, não degrada de forma tão acentuada a razão de

extinção e o sinal.

Além disto tudo, verifica-se que os esquemas de amplificação considerados não são

compatíveis com o estado de protecção da rede. De modo a garantir um desempenho de rede

aceitável, em ambos os estados e sentidos de transmissão, aproveita-se a flexibilidade

demonstrada pelo esquema de amplificação, que actua sobre o sinal descendente de serviço, e

modificam-se os valores dos seus parâmetros. Na Fig. 3.13 apresentam-se os esquemas de

amplificação finais e na Tab. 3.17 os principais resultados, referentes ao desempenho. Note-se

que o desempenho aceitável só é assegurado com a utilização de APDs nas ONUs e a

aplicação de códigos FEC, em ambos os sentidos de transmissão. Contudo, mesmo

solucionando esta situação, o sistema vai falhar, quando se abandona o estado de serviço.

Para que, nestas condições, o sistema funcione correctamente é necessário que os

amplificadores possuam uma largura de banda com cerca de 200 nm, o que é impossível. De

modo a ultrapassar este problema, perspectiva-se a modificação do comprimento central do

sinal ascendente ou mesmo da estrutura interna do nó remoto (ver Fig. 3.14).

Tab. 3.17: Resultados finais, para a camada física da rede WDM/TDM-PON de grande cobertura.

8IDQI%KE

Sentido

de

Transmissão

Fotodetector

1CV,,9 W DG<>E

Viabilidade Física 1' � P=\P; 1' � P=\

1.25 UL Indiferente 5.1 0.4

Sim DL APD 1.8 -4.0

2.5 UL Indiferente 7.3 2.3

Sim DL APD 4.2 -1.7

10 UL Indiferente 12.2 6.4

Sim DL APD 9.5 3.1

59

4 – Conclusão

O tema do trabalho apresentado centra-se numa rede de acesso/metro óptica híbrida

baseada em PONs de grande cobertura. Identificam-se e estudam-se os esquemas de

transmissão que se adequam melhor ao género desta rede e realiza-se a análise da sua

camada física, particularizando-se para uma rede com 4 RNs e com 32 ONUs por RN. Os 4

esquemas de transmissão estudados são: TDM DL + TDMA UL, WDM DL + WDMA UL Híbrido,

WDM/TDM DL + TDMA UL e WDM DL + WDMA UL Híbrido sujeito a UWC. Para cada um

destes, apresentam-se possíveis estruturas internas para a OLT, RNs e ONUs.

Apesar de constituir uma solução eficiente economicamente, perspectiva-se que o

primeira esquema, TDM DL + TDMA UL, não terá sucesso de futuro, pois restringe criticamente

o débito binário de transmissão oferecido aos clientes. Visto isto, introduzem-se técnicas WDM

que exploram melhor as capacidades do meio de transmissão. Dos esquemas apresentados, o

WDM DL + WDMA UL é o que garante maior largura de banda aos clientes, mas, de acordo

com as soluções WDM tradicionais, a sua implementação implica a instalação de uma OLT de

estrutura extremamente complexa e a utilização de uma fonte óptica diferente em cada ONU.

Ora, isto acarreta elevados custos de gestão e de manutenção do inventário, que tornam a

rede impraticável do ponto de vista económico, sendo necessário aguardar que a tecnologia

WDM amadureça e que os respectivos componentes, como as fontes color-free, se tornem

comercializáveis. O compromisso entre a largura de banda oferecida aos clientes e os custos

de implementação da rede torna-se evidente e, neste sentido, evolui-se para uma estratégia

híbrida WDM/TDM, que alie a elevada capacidade da rede WDM-PON à acessibilidade

económica da rede TDM-PON. Todavia, este esquema WDM DL + WDMA UL Híbrido ainda

introduz alguns problemas de carácter económico, porque as fontes ópticas que devem ser

utilizadas nas ONUs diferem de componente para componente de acesso PON. A procura pela

resolução deste problema conduz à apresentação de outros dois esquemas. Aproveita-se o

facto de as redes serem tendencialmente assimétricas e do downstream ser o sentido de

transmissão privilegiado para introduzir o esquema WDM/TDM DL + TDMA UL, cujo único facto

limitativo surge no upstream, quando o número de assinantes é elevado e/ou o débito é baixo.

O último esquema, WDM DL + WDMA UL Híbrido sujeito a UWC, recorre à conversão de

comprimento de onda para manter as mesmas larguras de banda que o WDM DL + WDMA UL

Híbrido, o que o torna, provavelmente, o mais interessante.

De modo a avaliar a viabilidade física desta rede PON de grande cobertura, os

esquemas de transmissão são modelados fisicamente e desenvolve-se um processo de

optimização da rede, que passa pela determinação dos esquemas de amplificação

(caracterização dos amplificadores) que promovem o desempenho ideal (medido pela

probabilidade de erro de bit) no estado de serviço. O problema da optimização é resolvido com

recurso aos algoritmos genéticos, que constitui uma classe dos métodos heurísticos.

Conclui-se que, o esquema de amplificação que ataca o sinal ascendente é muito pouco

flexível, pois as características de amplificação (ganho e potência de saturação) que conduzem

60

a um desempenho minimamente aceitável são bastante específicas. Para o sentido

descendente de transmissão verifica-se exactamente o contrário.

Pela análise da camada física da rede, conclui-se que, para qualquer um dos

esquemas de transmissão, é indiferente utilizar um PIN ou um APD na OLT. No sentido

descendente, ou seja nas ONUs, o APD conduz aos melhores resultados. Todos os esquemas,

à excepção do WDM DL + WDMA UL Híbrido sujeito a UWC, mostram ser fisicamente viáveis

em serviço. No entanto, no upstream e a 10 Gbps, é necessário recorrer a técnicas de

codificação FEC. Relativamente ao esquema inviável, deve-se estudar um outro tipo de

conversor, como os que são baseados na modulação de fase cruzada em SOAs.

Com vista a aumentar capacidade de sobrevivência da rede, apresenta-se um

mecanismo de protecção extremamente simples baseado no OChDPRING, que proporciona

uma grande autonomia aos nós remotos RNs. No entanto, a sua implementação mostra-se

incompatível com a estrutura interna do RN. Para resolver este problema, deve-se alterar o

comprimento de onda central da banda ascendente e/ou modificar a estrutura interna do RN.

Mesmo seguindo estas instruções, verifica-se a necessidade de modificar os esquemas de

amplificação. Findo isto, alcança-se a viabilidade física, não só em serviço como em protecção,

sendo, para tal, necessário usar APDs nas ONUs e aplicar códigos FEC em ambos os sentidos

de transmissão.

4.1 – Trabalho Futuro

Relativamente a trabalho futuro, pode-se, eventualmente, pensar em:

� Realizar a análise da camada lógica da rede PON de grande cobertura e aprofundar o

protocolo MAC, para cada um dos esquemas de transmissão estudados.

� Propor uma nova banda de transmissão para o sinal ascendente e refazer a análise da

camada física.

� Sugerir um outro tipo de conversor de comprimento de onda (por exemplo, o conversor

baseado na modulação de fase cruzada) para a rede e efectuar a sua análise física.

61

Anexo A – Penalidade De Potência Devida À Dispersã o

A penalidade de potência, Δ�v|¤~ , representa o acréscimo de potência (em dB)

necessário para assegurar em condições reais um desempenho idêntico ao ideal. Neste Anexo

estuda-se e contabiliza-se a penalidade de potência devida à transmissão e, sobretudo, a que

se encontra associada ao efeito de dispersão. Este efeito é bastante importante uma vez que

leva a que os impulsos de potência que se propagam na fibra cheguem distorcidos ao receptor,

conduzindo à existência de interferência inter-simbólica e, por consequência, à deterioração da

qualidade da ligação. No projecto de ligações por fibra é normalmente fixado um valor máximo

de distorção que o sistema pode tolerar. Este valor de penalidade não costuma exceder os

2 dB, porque penalidades mais elevadas levam, habitualmente, a falhas no circuito de

recuperação do relógio e no circuito de decisão do receptor.

A.1 – Componentes Da Penalidade De Potência Devida À Dispersão

Costumam-se identificar duas contribuições para a penalidade de potência devida à

dispersão: uma associada à largura espectral da fonte ∆eu e outra associada à largura de

banda do sinal modulado.

Quando a largura de banda do sinal modulado é bastante inferior à largura espectral da

fonte, a penalidade devida à dispersão é essencialmente causada pela largura espectral da

fonte, vindo [21]:

( ) ( )2

10 ,∆ . | 5.log 1 4. . . . ,FdB b FP D L D D Lλ λ λσ = − −

(A.1)

em que mn é o débito binário transmitido na fibra, m¥ é o parâmetro de dispersão da fibra, t é o

comprimento total da ligação e �¥,u é a largura espectral rms da fonte, expressa em

comprimento de onda e dada por [21]:

( ),∆ .

2 2. 2F

Fln

λλσ = (A.2)

Quando a largura de banda do sinal modulado é bastante superior à largura espectral

da fonte, a penalidade devida à dispersão é essencialmente causada pela largura espectral do

sinal modulado e é aproximada por [21]:

( ) ( ) ( )2 22 210 2 2∆ . | 5.log 1 8. . . . 8. . . ,M

dB c b bP D L L D L Dλ α β β = − − (A.3)

em que �� é o parâmetro de chirp do emissor óptico e ¦� é designado por parâmetro de

dispersão da velocidade de grupo [21]:

2

2

.,

2. .

D

cλ λβπ

= − (A.4)

62

com e, o comprimento de onda nominal de funcionamento, e §, a velocidade da luz no vazio.

Os valores típicos do parâmetro de chirp são: ≈0 para emissores com modulação externa e ≈6

para lasers monomodais modulados directamente.

Assim, toma-se como valor da penalidade de potência devida à dispersão,

∆�vDm¥ . tE|¤~, a soma das penalidades associadas a cada um dos efeitos, uma vez que têm

origens diferentes [21]:

( ) ( ) ( ). | . | | ..F MdB dB dBP D L P D L P D Lλ λ λ∆ = ∆ +∆ (A.5)

A.1.1 – Parâmetro De Dispersão Da Fibra

O parâmetro de dispersão m¥ depende do comprimento de onda central do sinal e do

tipo de fibra, sendo geralmente expresso em ps/nm/km. Na actualidade, a ITU-T tem

normalizados três tipos de fibra monomodo: a fibra padrão (SMF) ou G.652, a fibra de

dispersão deslocada convencional (DSF) ou G.653 e a fibra de dispersão deslocada com

dispersão não nula (NZDSF) ou G.655. Na Fig. A.1 representa-se a variação do parâmetro de

dispersão com o comprimento de onda para estes tipos de fibra. Para as fibras monomodo

padrão, por exemplo, o parâmetro é baixo na região próxima de 1300 nm (≈1 ps/nm/km), mas

toma valores elevados próximo de 1550 nm (≈17 ps/nm/km).

Fig. A.1 Variação do parâmetro de dispersão com o c omprimento de onda, para vários tipos de fibra [21] .

Segundo a Recomendação G.652 da ITU-T, o limite máximo do parâmetro (ou

coeficiente) de dispersão cromática de uma fibra monomodo padrão para qualquer

comprimento de onda, e, é calculado de acordo com a seguinte expressão [26]:

4

0max 0minmax 3

. ,4

SDλ

λλλ

≤ −

(A.6)

63

em que e�¨l¢ é o comprimento de onda mínimo de dispersão nula e ��¨�� representa o declive

máximo de dispersão nula. Tal como consta na cláusula 7 da mesma, esse comprimento vale

1300 nm e o declive é igual a 0.093 ps/nm2/km.

Com base no que foi enunciado, é possível determinar os valores máximos do

coeficiente de dispersão para os vários comprimentos de onda utilizados na implementação

dos esquemas de transmissão da rede PON de grande cobertura (ver Cap. 2). Os valores

resultantes encontram-se indicados na Tab. A.1.

Tab. A.1: Valores do parâmetro de dispersão (ps/nm/ km) para os vários comprimentos de onda (nm) utiliz ados.

A 1302.5 1307.5 1310 1312.5 1317.5 1482.5 1487.5 1490 1492.5 1497.5

8A 0.2 0.7 0.9 1.1 1.6 14.1 14.4 14.6 14.7 15.0

Pela análise da tabela, é possível afirmar que (para a SMF) a dispersão aumenta com

o comprimento de onda. Este facto pode ser confirmado com a Fig. A.1. Visto isto, basta

considerar, para a análise da penalidade de potência, os valores máximos do parâmetro de

dispersão (1.6 ps/nm/km para o upstream e 15.0 para o downstream) das bandas ascendente e

descendente. Desta forma, assegura-se a viabilidade do sistema para todos os comprimentos.

A.1.2 – Caracterização De Fontes Ópticas

Outra questão importante prende-se com qual o tipo de emissor a utilizar nas ONUs e

na OLT. Para débitos na ordem dos Gbps, são normalmente empregues o laser multimodal

(MLM) Fabry-Perot e o laser monomodal (SLM) de retroacção distribuída (DFB) [21]. Na tabela

seguinte, Tab. A.2, resumem-se as principais características das fontes ópticas enunciadas.

Tab. A.2: Fontes ópticas e suas características.

Tipo

Características MLM Fabry-Perot SLM DFB

1V DG<>E 3-20 0-10

BA) D?>E 1-5 0.00001-0.001

Número de Modos Vários. 1

Os DFB representam lasers tecnologicamente mais complexos e mais caros do que os

FP, sendo utilizados em sistemas de débito igual ou superior a 2.5 Gbps. Apesar disso, o DFB

constitui uma solução viável para o emissor óptico da OLT, pois é partilhado por todos os

utilizadores da rede. No caso das ONUs a situação torna-se mais complicada. Cada ONU tem

o seu próprio emissor óptico, o que em termos económicos apela à utilização do laser FP. A

utilização deste pode ser viável a 1.25 e mesmo a 2.5 Gbps, porque no sentido ascendente o

64

parâmetro de dispersão é bastante reduzido. No entanto, a 10 Gbps o efeito de dispersão

torna-se incomportável sendo necessário migrar para a solução DFB.

A.2 – Variação Da Penalidade Com O Comprimento Da L igação

Nas figuras A.2 e A.3 representa-se a variação da penalidade de potência devida à

dispersão cromática, em função do comprimento total da ligação, para os sentidos ascendente

e descendente da rede PON de grande cobertura. Os gráficos referem-se a um débito binário

de transmissão de 10 Gbps e encontram-se tirados para vários valores do parâmetro de chirp.

Além disso, toma-se 0.001 nm para o valor da largura espectral da fonte (DFB).

Fig. A.2: Variação da penalidade de potência devida à dispersão cromática, em função do comprimento to tal da

ligação. Gráfico tirado a 10 Gbps, para vários valo res do parâmetro de chirp e segundo o sentido ascendente.

Fig. A.3: Variação da penalidade de potência devida à dispersão cromática, em função do comprimento to tal da

ligação. Gráfico tirado a 10 Gbps, para vários valo res do parâmetro de chirp e segundo o sentido descendente.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

Comprimento Total da Ligação (km)

Pen

alid

ade

de P

otên

cia

devi

da à

Dis

pers

ão (

dB)

4

68

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

30

Comprimento Total da Ligação (km)

Pen

alid

ade

de P

otên

cia

devi

da à

Dis

pers

ão (

dB)

4

68

65

Pelo facto de se utilizar um laser DFB, o efeito de dispersão associada à largura

espectral da fonte é desprezável em ambos os sentidos, mesmo para um comprimento de

100 km (comprimento máximo de um circuito óptico da rede PON de grande cobertura). Isto

quer dizer que, neste caso, a componente de dispersão que mais afecta a transmissão está

associada à largura espectral do sinal modulado (efeito de alargamento espectral dinâmico).

Por observação dos gráficos, verifica-se que a penalidade de potência devida à

dispersão, para um comprimento de 100 km, é maior do que 2 dB (mesmo considerando um

chirp de 4), ou seja é superior ao valor máximo de distorção que o sistema pode tolerar. Para

resolver esta questão perspectiva-se a aplicação de modulação externa ao sinal descendente,

o que corresponde a um parâmetro de chirp nulo. No sentido ascendente não é possível aplicar

modulação externa, pois trata-se de uma solução demasiado dispendiosa para implementar em

todas as ONUs. Assim, deve-se recorrer a uma técnica de compensação de dispersão (a

colocar na OLT).

A utilização de uma fibra de compensação de dispersão (DCF ou

dispersion-compensating fiber) permite compensar totalmente a dispersão da fibra, desde que

as não linearidades geradas dentro desta sejam desprezáveis. Para tal, deve-se garantir a

satisfação da seguinte equação [16]:

1 1 2 2. . 0,D L D L+ = (A.7)

em que m� e t� representam respectivamente o parâmetro de dispersão e o comprimento da

DCF. O parâmetro de dispersão das fibras habitualmente utilizadas nas telecomunicações, m�,

é positivo. Tendo em conta este facto e sabendo que o comprimento da DCF deve ser o mais

reduzido possível, conclui-se que m� deve possuir um elevado valor negativo.

No caso da rede PON de grande cobertura, em que m� e t� valem respectivamente

1.6 ps/nm/km e 100 km, a DCF tem que medir 1.6 km (com m� igual a -100 ps/nm/km) [16]. Se

o coeficiente de atenuação da DCF for igual a 0.6 dB/km [16], a utilização desta técnica de

compensação de dispersão introduz uma atenuação adicional de 0.96 dB.

Para conclusões relativamente à variação da penalidade de potência devida à

dispersão cromática a 1.25 e 2.5 Gbps deve-se consultar [3].

67

Anexo B – Penalidade De Sensibilidade Burst-Mode

Numa rede PON, a distância entre a central e o equipamento terminal varia de cliente

para cliente. Por consequência, os sinais recebidos na OLT surgem com diferenças de fase

(atrasos de tempo) e de amplitude (perdas de potência). A utilização de um receptor óptico

convencional, na OLT, conduz a uma substancial degradação no desempenho do sistema.

Para contrariar este efeito, existe a necessidade do receptor ajustar, adaptativamente e em

tempo real, o relógio de sincronização e o limiar de decisão. Assim, um dos requisitos chave

para a implementação de um sistema TDMA eficiente numa rede PON é a existência de um

receptor óptico burst-mode (BM) na OLT. O desempenho do receptor BM pode ser medido

através da penalidade de potência que é verificada em relação ao funcionamento de um

receptor convencional, com as mesmas características e para uma dada probabilidade de erro.

O objectivo deste Anexo centra-se no estudo e na contabilização da penalidade de

sensibilidade BM, ∆�~�.

B.1 – Receptor Óptico Convencional

O receptor óptico (Fig. B.1) é tradicionalmente composto por uma cadeia de dois

blocos. O primeiro bloco, denominado front-end, realiza a operação de conversão

opto-eléctrica, por meio de um fotodetector, e amplifica o sinal. O segundo bloco tem a seu

cargo funções como igualação, amplificação, controlo automático de ganho e regeneração do

sinal.

Neste trabalho estudam-se fotodetectores pertencentes à classe dos fotodíodos de

semicondutor: fotodíodo PIN (Positive-Intrinsic-Negative photo-diode) e fotodíodo de avalanche

APD (Avalanche Photo-Diode). Apesar de apresentarem um certo ganho, os APDs apresentam

uma largura de banda mais reduzida pelo que a sua aplicação é mais limitada.

Fig. B.1: Diagrama de blocos de um receptor óptico convencional [21].

68

B.1.1 – Ruído Na Ausência De Amplificação Óptica

Num sistema digital, a potência óptica incidente no fotodetector do receptor, ]lDE, varia

entre ]l,� (nível lógico “0”) e ]l,� (“1”). Estes dois níveis podem ser relacionados através da

razão de extinção, ©, pela seguinte equação [16]:

,0

,1

.i

i

pr

p= (B.1)

Após a conversão opto-eléctrica surge, à saída do fotodetector, uma corrente eléctrica,

�DE, que apresenta dois valores médios, ª� (símbolo “0”) e ª� (“1”). Neste sentido, tem-se [16]:

( ) ( ) ( ). . ,i ni t M R p t i tλ= + (B.2)

em que � é o ganho do fotodetector. A respostividade, «¥ , representa a eficiência do

fotodetector e é dada por [16]:

.

..

qR

hλη

υ= (B.3)

¬ denomina-se eficiência quântica e é a carga do electrão (1.602×10-19 C). � representa a

constante de Planck (6.626×10-34 J.s) e � a frequência do sinal óptico incidente.

Na ausência de amplificação óptica, a corrente de ruído, �¢DE , é expressa pela

seguinte soma [16]:

( ) ( ) ( ) ( ).n th shot smi t i t i t i t= + + (B.4)

��DE é a corrente de ruído térmico, ��DE a corrente de ruído de shot e ��¨DE a corrente de

ruído de multiplicação de shot. Cada uma destas quantidades define um processo aleatório

estacionário que pode ser aproximado por estatística gaussiana (média nula). Deste modo, a

potência total de ruído, �¢�, verificada no receptor é dada por [16]:

2 2 2 2 .n th shot smσ σ σ σ= + + (B.5)

Passa-se, agora, a descrever sucintamente cada uma das componentes de ruído que figuram

na Eq. (B.5).

Com origem na agitação aleatória dos electrões nos condutores (por influência da

temperatura) tem-se o ruído térmico, cuja potência é dada por [16]:

2

,

4. .. . .B

th n e nP

k TF B

Rσ = (B.6)

®~ representa a constante de Boltzmann (1.381×10-23 J/K), «i o valor da resistência de

polarização e ¯ a temperatura absoluta nela. °¢ é o factor de ruído do pré-amplificador

eléctrico, que traduz a influência dos seus elementos activos, e ��,¢ é a largura de banda

equivalente de ruído da parte eléctrica do receptor óptico.

Uma corrente eléctrica representa um fluxo de electrões que são gerados em instantes

69

de tempo aleatórios. O ruído de shot é uma manifestação deste facto, vindo a sua potência

dada por [16]:

2,2. . .. .shot ni eq R Bpλσ = (B.7)

Um PIN apresenta um ganho interno unitário, enquanto que um APD apresenta um

ganho com valores típicos entre 10 e 100. É devido a este ganho � que existe, apenas no

APD, um ruído que é fruto da multiplicação pelo factor multiplicativo de avalanche com o ruído

de shot e que se denomina ruído de multiplicação de shot [16]:

2 2,2. .. . . . .sm A i e nq M pF R Bλσ = (B.8)

°� é o factor de excesso de ruído do fotodetector e é dado por [16]:

( ) 1. 1 . 2 ,A A AF k M k

M = + − −

(B.9)

em que ®� é a razão dos coeficientes de ionização.

B.1.2 – Probabilidade De Erro De Bit Do Receptor Óp tico Convencional

O circuito de decisão do receptor (ver Fig. B.1) amostra o sinal num determinado

instante, f, e decide sobre o símbolo transmitido. Para tal, compara a amostra, ª ± �DfE, com

o limiar de decisão, ªf, e decide “1” se ª ² ªf ou “0” se ª ³ ªf. A presença de ruído no sinal

possibilita a ocorrência de erros. Estes confirmam-se quando, enviado “0”, o valor da amostra

verifica ª ² ªf ou quando, enviado “1”, a amostra verifica ª ³ ªf.

Deste modo, o processo de decisão do receptor vem acompanhado de uma

probabilidade de erro de bit, cuja determinação passa pela aplicação da fórmula de Bayes [21]:

( ) ( ) ( ) ( )0 .Pr 1| 0 1 .Pr 0 |1 .eP p p= + (B.10)

]D0E e ]D1E representam as probabilidades de ocorrência dos bits 0 e 1. �©D1|0E é a

probabilidade de, no circuito de decisão, se decidir pelo bit 1 quando foi enviado o bit 0 e

�©D0|1E é a probabilidade de se decidir por 0 quando foi enviado 1.

As probabilidades condicionais de erro vêm, então, dadas por [21]:

( )( )0Pr(1| 0) Pr n D DI i t I= + > (B.11)

e

( )( )1Pr(0 |1) Pr .n D DI i t I= + < (B.12)

70

As expressões mostram que a probabilidade de erro de bit depende da função densidade de

probabilidade da amostra que, por sua vez, depende da estatística das fontes de ruído. Deste

modo, ª é uma variável aleatória que apresenta uma f.d.p. gaussiana, com variância dada por

(B.5) e média igual ao valor médio de corrente à entrada do circuito de decisão. As

probabilidades condicionais podem, então, escrever-se como [21]:

( ) 0

,0

1Pr 1| 0 .

2 . 2D

n

I Ierfc

σ

−=

(B.13)

e

( ) 1

,1

1Pr 0 |1 . .

2 . 2D

n

I Ierfc

σ

−=

(B.14)

Salienta-se que, tanto a média como a variância devem ser particularizadas para cada um dos

símbolos, pois “0” e “1” vêm afectados por valores de potência óptica diferentes (ver Fig. B.2).

Fig. B.2: Funções densidade de probabilidade da amo stra de corrente (“0” e “1”) [21].

Aproveitando as expressões (B.13) e (B.14), a probabilidade de erro de bit, para

símbolos equiprováveis, assume a seguinte forma [21]:

0 1

,0 ,1

1P . .

4 . 2 . 2D D

e

n n

I I I Ierfc erfc

σ σ

− −= +

(B.15)

O limiar de decisão deve ser calculado de modo a minimizar a probabilidade de erro de bit.

Esse mínimo ocorre para o valor de ªf que é solução da seguinte equação [16]:

2 2

,10 1

,0,0 ,1

ln .. 2 . 2

nD D

nn n

I I I I σσσ σ

− −= +

(B.16)

71

Caso as potências de ruído, associadas aos símbolos “0” e “1”, sejam aproximadamente iguais,

a última parcela da Eq. (B.16) é desprezável [21]:

0 1

,0 ,1

D D

n n

I I I IQ

σ σ− −= ≡ (B.17)

sendo possível aplicar a seguinte expressão [21]:

,0 1 ,1 0

,0 ,1

. ..n n

Dn n

I II

σ σσ σ

+=

+ (B.18)

Nesta situação, a expressão (B.15) simplifica-se [21]:

1

P . .2 2

e

Qerfc

=

(B.19)

Assim e de modo a minimizar a probabilidade de erro de bit, é possível optimizar o ganho do

fotodetector APD, através de [3]:

,

1. -1

. .th

AÓptimoe nA

M kq B Qk

σ +≃ (B.20)

B.2 – Receptor Óptico Burst-Mode

O receptor óptico BM possui uma estrutura interna bastante semelhante à do receptor

convencional. A principal diferença reside na inclusão do bloco destinado à determinação do

limiar de decisão, que permite reduzir a penalização provocada pela utilização do esquema de

acesso múltiplo TDMA. Existem vários tipos de receptores BM, mas os que são geralmente

utilizados fazem o ajuste do limiar de decisão e do relógio de sincronização por leitura do

preâmbulo (sequência pré-combinada de � bits que as ONUs enviam no canal ascendente,

antes dos blocos de dados). Pela Fig. B.3, é observável que o bloco de cálculo resume-se a um

integrador, que pode ser construído através de um detector de pico e circuitos do tipo S/H

(Sample and Hold).

Fig. B.3: Diagrama de blocos de um receptor óptico burst-mode [3].

72

B.2.1 – Probabilidade De Erro De Bit Do Receptor Óp tico Burst-Mode

Considere-se um preâmbulo com � bits, de período ´, e que os símbolos “0” e “1” são

equiprováveis. Neste caso, o limiar de decisão à saída do detector de pico vem dado por [27]:

0

1. . .

.

nT

D inI I dtn

=Τ ∫

(B.21)

Salienta-se que, com o objectivo de optimizar a utilização da largura de banda, o tamanho �

deve ser o mais reduzido possível.

A existência de ruído induz uma variação indesejada no sinal de corrente recebido, o

que, de acordo com (B.20), afecta a estimativa do limiar. Deste modo, a corrente de decisão

deixa de ser praticamente fixa e passa a ser representada por uma variável aleatória modelada

por distribuição gaussiana (ver Fig. B.4) [27]:

( ) ( )22,2

22

1.exp com ,

2.2. .

D D n DD D

DD

I If I

n

σσ

σπ σ

− = − =

(B.22)

em que ªfC , na melhor hipótese, corresponde ao valor dado através de (B.18). À semelhança do

que foi feito em B.1.2, �f,¢� pode ser determinada via (B.5). Note-se, porém, que a variância da

distribuição é inversamente proporcional ao tamanho do preâmbulo.

Fig. B.4: Funções densidade de probabilidade da amo stra de corrente (“0” e “1”) e do limiar de decisão [27].

Findo isto, conclui-se que a probabilidade de erro de bit do receptor óptico BM é dada

pela área de intersecção das f.d.p. dos símbolos com a f.d.p do limiar de decisão. Por

manipulação da expressão (B.15), surge então [27]:

( ) 0 1,

,0 ,1

1P . . . .

4 . 2 . 2D D

e BM D D

n n

I I I If I erfc erfc dI

σ σ

− −= +

∫ℝ

(B.23)

73

Para solucionar (B.22), é necessário recorrer a métodos de integração numérica, como o

método de quadratura de Gauss-Hermite.

B.2.2 – Variação Da Penalidade De Sensibilidade Com O Tamanho Do Preâmbulo

A sensibilidade do receptor (um dos seus parâmetro chave) representa a potência

óptica média à sua entrada, necessária para assegurar uma determinada probabilidade de erro

de bit. No caso de símbolos equiprováveis, a potência óptica média é dada pela seguinte

expressão [21]:

,0 ,1

,1 ,0

1 1. . .

2 2 2.i i

i i i

p p r rp p p

r

+ + += = = (B.24)

Utilizando as Eq. (B.15) e (B.22), em conjunto com (B.23), é possível traçar a variação

da probabilidade de erro de bit dos receptores convencional e BM, em função da sensibilidade.

Tal, concretiza-se nas Fig. B.5 (a) e B.5 (b), que se referem, respectivamente, aos

fotodetectores do tipo PIN e APD.

(a) (b)

Fig. B.5: Variação da probabilidade de erro de bit do receptor em função da sua sensibilidade. Gráfico tirado a

10 Gbps: (a) PIN, (b) APD.

A partir da Fig. 5, constrói-se a Tab. B.1, na qual se indicam os valores da penalidade

de sensibilidade BM para uma probabilidade de erro de 10-12. Como foi mencionado, estes

valores medem o desempenho de um receptor BM, em relação ao funcionamento de um

convencional. Por sua observação, verifica-se que a penalidade tende a diminuir com o

aumento do tamanho do preâmbulo, porque a variância do ruído dos bits do preâmbulo

reduz-se e o limiar de decisão aproxima-se do seu valor óptimo.

Tab. B.1: Valores para a penalidade de sensibilidad e burst-mode a 10 Gbps ( 1' � 1',<9 � P=\P;).

? DI*+KE 1 4 8 16 36

PIN 1.6 0.5 0.3 0.1 0.0

APD 5.4 1.9 1.0 0.5 0.1

-29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -2210

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

Sensibilidade (dBm)

Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

Clássicon=1

n=4

n=8

n=16n=36

-38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -2410

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

Sensibilidade (dBm)

Pro

babi

lidad

e de

Erro

de B

it

Clássicon=1

n=4

n=8

n=16n=36

74

A rede PON de grande cobertura, descrita no texto principal deste documento, introduz

amplificação óptica, o que leva a um aumento do ruído de recepção. Este facto é relevante na

medida em que, a análise realizada neste Anexo apenas tem em conta o ruído gerado no

receptor. No entanto, os dados da Tab. B.1 permitem desprezar a penalidade, visto, por

exemplo, que o preâmbulo de uma trama EPON possui 8 bytes (64 bits) [3].

Para conclusões relativamente à variação da penalidade de sensibilidade BM a 1.25 e

2.5 Gbps deve-se consultar [3].

75

Anexo C – Amplificação Óptica

Num sistema de comunicação óptica, as perdas decorrentes da transmissão podem

reduzir a potência do sinal, ao ponto de torná-la indetectável pelo receptor, motivando a

introdução de amplificação. Os amplificadores ópticos actuam na restauração dos sinais de

forma transparente e independentemente do tipo de modulação ou de protocolo utilizado. Além

disso, são mais económicos do que os regeneradores electro-ópticos e não se encontram, ao

contrário destes, condicionados ao débito, formato e comprimento de onda do sinal para o qual

foram dimensionados. Salienta-se, ainda, que, devido à sua elevada largura de banda, um

único amplificador pode amplificar simultaneamente vários canais de um sistema WDM. Por

outro lado, introduzem ruído, o que aumenta a probabilidade de erro de bit do sistema, e

possuem um ganho dependente não só do comprimento de onda do sinal como do valor total

de potência à sua entrada. Os objectivos deste Anexo prendem-se com a caracterização do

amplificador e com a descrição das classes de amplificadores mais relevantes.

C.1 – Classes De Amplificadores

Os amplificadores ópticos podem ser baseados em fibras ópticas (OFA ou Optical Fibre

Amplifier) ou em guias de ondas ópticas (OWGA ou Optical Wave Guide Amplifier). Até ao

momento, as opções comerciais resumem-se ao FRA (Fibre Raman Amplifier), ao EDFA

(Erbium Doped Fibre Amplifier), ao EDWA (Erbium Doped Waveguide Amplifier) e ao SOA

(Semiconductor Optical Amplifier). Os dois primeiros fazem parte dos OFAs e os restantes são

OWGAs [28].

No FRA, o efeito de amplificação baseia-se num processo denominado SRS

(Stimulated Raman Scattering), no qual a energia, proveniente de uma fonte com baixo

comprimento de onda é transferida para o sinal através das moléculas de vidro que compõem a

fibra e que são induzidas a vibrar. Um dos seus grandes benefícios é o facto de não necessitar

dopantes especiais. Por outro lado, desempenhos comparáveis aos dos EDFAs e SOAs só são

alcançáveis com a utilização de longas fibras, com pequenas áreas efectivas e poucas perdas.

Além disto tudo, o FRA é capaz de, por conveniente selecção da fonte, providenciar ganho em

praticamente qualquer comprimento de onda: bandas S (1460-1530 nm), C (1530-1565 nm) e L

(1565-1625 nm). Nos FRAs, as duas principais fontes de ruído são o ASS (Amplified

Spontaneous Scattering) e o RBS (Rayleigh BackScattering). A sua vasta largura de banda

torna-os bastante atractivos para os sistemas de comunicações ópticas. No entanto, elevados

factores de amplificação só são alcançáveis, através de fontes de grande potência. Por

exemplo, utilizando uma fonte de 5 W e uma fibra de 1 km, é possível obter um ganho de 30 dB

a 1550 nm.

Os EDFAs são os amplificadores de eleição nos sistemas de comunicação óptica,

sendo baseados em fibras ópticas monomodo dopadas com Er3+. Tal como nos lasers, o seu

76

ganho é providenciado por um mecanismo de emissão estimulada (recepção de fotões e

geração de novos, com as mesmas características que os primeiros). Além da sua

versatilidade, apresentam elevados valores de ganho, entre 30 a 40 dB, perdas de

acoplamento quase desprezáveis e larguras de banda relativamente largas, entre 10 a 30 nm.

Estes amplificadores apenas funcionam nas bandas C e L e, pelo facto de não introduzirem

crosstalk, são ideais para sistemas WDM.

EDWAs seguem o mesmo princípio dos EDFAs, sendo construídos sob guias de ondas

planares de vidro. Deste modo, oferecem baixo custo de produção e a possibilidade de

integração noutros componentes. O maior desafio na sua concepção é obter suficiente ganho

com um pequeno factor de forma da estrutura. Até à data, os EDWAs apenas operam na

banda C e as suas aplicações principais estão nas redes de acesso e metro, onde o número e

as potências dos canais são relativamente pequenos.

Os SOAs apresentam piores características de amplificação, possuindo ganhos que

podem atingir valores na ordem dos 35 dB. Apresentam elevadas perdas de acoplamento, mas

podem operar desde os 0.85 µm aos 1.6 µm. Apesar de terem larguras de banda elevadas,

70 nm, estes amplificadores introduzem interferência inter-canal na amplificação de múltiplos

canais ópticos. Por estas razões, o nível do seu factor de ruído pode atingir os 8 dB.

C.2 – Caracterização Do Amplificador

Na Fig. C.1 apresenta-se o modelo equivalente do amplificador óptico, cujo primeiro

bloco OA é um amplificador ideal com ganho �. À saída deste elemento é adicionado ruído de

emissão espontânea amplificada (ASE ou Amplified Spontaneous Emission), que surge devido

à amplificação da emissão espontânea de fotões gerados no seu interior e que possui uma

densidade espectral de potência, por cada modo de polarização, dada por [21]:

( ) ( ). 1 . . ,ASE spS n g hυ υ= − (C.1)

em que � é a constante de Planck, � é a frequência de transmissão e �� é o factor de emissão

espontânea. Este factor pode ser aproximado por [21]:

, ,2

n Ampsp

Fn = (C.2)

onde °¢,�¨� é o factor de ruído do amplificador.

Fig. C.1: Modelo equivalente de um amplificador ópt ico.

77

O último bloco do esquema equivalente do amplificador é um filtro óptico F, que modela

a dependência do ganho e da densidade espectral de potência do ruído (à saída do

amplificador) no comprimento de onda. Ao admitir que o filtro, com largura de banda �� e

frequência central ��, é ideal, a densidade espectral de potência do ruído ASE filtrado à saída

do amplificador vem expressa por [21]:

( ) ( ) 00. 1 . . ,

.20,

spO

Bn g h

S c.c.

υ υ υυ − − ≤=

(C.3)

A integração da densidade espectral, dada por (C.3), na frequência permite o cálculo da

potência do ruído ASE, por cada modo de polarização, à saída do amplificador [21]:

0 0.( 1). . .ASE spp n g h Bυ= − (C.4)

Como existem dois modos, a potência total de ruído ASE é igual a 2. ]�g| .

Segundo o Anexo B, o fotodetector gera uma corrente eléctrica proporcional à potência

óptica incidente, pelo que, na presença de amplificação óptica, se pode escrever [16]:

( )2 2 2. . . . 2. . ,s sp n s s sp sp ni M R e e i M R e e e e iλ λ = + + = + + + (C.5)

em que �� e �� são, respectivamente, os campos eléctricos associados ao sinal e ao ruído

ASE, referidos à entrada do fotodetector. Isto, claro, admitindo que o campo eléctrico está

definido de modo a que o quadrado do módulo da sua envolvente complexa seja igual à

potência óptica.

A Eq. (C.5), aliada à lei quadrática de conversão opto-eléctrica, evidencia que, num

sistema sujeito a amplificação, é necessário ter em conta, para além do ruído gerado no

receptor, as componentes de ruído que são resultado do batimento do sinal com a emissão

espontânea (� � �] ) e da emissão espontânea com ela própria ( �] � �] ). Neste sentido,

a Eq. (B.5) modifica-se e a potência total de ruído, verificada no receptor, passa a ser [16]:

2 2 2 2 2 2 ,n th shot sm s sp sp spσ σ σ σ σ σ− −= + + + + (C.6)

em que as potências das componentes que resultam dos batimentos � � �] e �] � �] possuem,

respectivamente, as seguintes expressões [16]:

( ) ( )2

0,,4. . . . . . . ee

s i ASEsp i s

BM R p M R p

Bλ λσ − = (C.7)

( ) ( )2,

0,4. . . . . . . .e

sp sp i AS i ASE E

BM R p M R p

Bλ λσ − = (C.8)

]l,� e ]l,�g| representam as potências do sinal óptico e do ruído ASE incidentes no fotodetector.

Como foi dito, logo de início, o ganho real dos amplificadores depende do valor total da

potência à sua entrada. Quer isto dizer que os amplificadores têm um limite de potência óptica

78

que conseguem colocar na sua saída. O ganho dos amplificadores �D]l¢ , ��E é função da

potência total na sua entrada, ]l¢, e do ganho para sinais fracos, ��. A sua característica não

linear é descrita pela expressão [16]:

( ) ( )00 0

. , 1, .exp ,in in

insat

p g p gg p g g

p

− = −

(C.9)

em que ]�� é a potência de saturação interna. Como se trata de uma função transcendente, a

sua solução é obtida de forma iterativa através do método da bissecção. A potência de

saturação interna relaciona-se com a potência de saturação de saída, ]��,��, através de [16]:

,0

2.ln .

1 2 /sat out satp pg

= −

(C.10)

A Fig. C.2 exemplifica a variação do ganho de um amplificador, em função da potência de

entrada. Como se verifica, o seu ganho real tende a diminuir com o aumento da potência de

entrada.

Fig. C.2: Variação do ganho, em função da potência de entrada ( Q= igual a 25 dB e 1K!+ igual a 13 dBm).

C.3 – Ganhos Dos Amplificadores Na Rede PON De Gran de Cobertura

Nesta secção aproveitam-se os conceitos teóricos já enunciados para descrever

sumariamente o método de determinação dos ganhos reais dos amplificadores (em saturação)

na rede PON de grande cobertura (ver Cap. 2). Como se viu na secção anterior, isso passa

principalmente pela aplicação da Eq. (C.9), sendo necessário conhecer o valor da potência

total (sinal mais ruído) à entrada de cada um dos amplificadores. Este estudo é realizado para

os esquemas de transmissão TDM DL + TDMA UL e WDM DL + WDMA UL Híbrido e para

ambos os sentidos de transmissão.

-30 -20 -10 0 10 20 300

5

10

15

20

25

Potência Total à Entrada do Amplificador (dBm)

Gan

ho d

o A

mpl

ifica

dor

(dB

)

79

C.3.1 – TDM DL + TDMA UL: Determinação E Apresentaç ão

No sentido ascendente da rede TDM-PON de grande cobertura utiliza-se a técnica de

acesso múltiplo TDMA (ver Cap. 2). Por observação da estrutura da rede (ver Fig. 2.1, Cap. 2),

conclui-se que os níveis de potência à entrada dos amplificadores e, em última instância, os

ganhos reais dos amplificadores mudam consoante a componente de acesso PON que

transmite para o anel da rede. Nesta secção, trata-se o caso referente à PON #4. A

determinação dos ganhos reais é realizada de forma progressiva, seguindo o percurso dos

sinais, pelo que o ganho do amplificador #4 é o primeiro a ser determinado. A potência à

entrada do amplificador #4, ]l¢,#s, é dada por:

,#4 1:2 1:2. . . . . . ,ONU OLTin ONU PON E OLT L Ep a a s p a a s p= + (C.11)

onde os parâmetros apresentados estão identificados no Cap. 3. As restantes potências são

determinadas de forma recursiva, através da seguinte expressão:

( ) ( ) ( ){ }1:2 1:2 5 5 0,,# 4 ,# 5. . . . 2. . . 1 . . ,L i i sp Ampin i in ip s a s g p h g n Bυ− −− − = + − (C.12)

com � inteiro, variável entre 1 e 3. Na Fig. C.3 traçam-se os ganhos dos amplificadores, em

função da potência média à saída do transmissor de uma ONU, pertencente à componente de

acesso PON #4. Na Tab. 3.1 do Cap. 3 indicam-se as características dos amplificadores. Além

disso, fixa-se a potência média à saída do emissor da OLT em 7 dBm.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. C.3: Variação do ganho do amplificador, em fun ção da potência média à saída do emissor de uma ONU

pertencente à PON #4, para o esquema TDM DL + TDMA UL: (a) Amplificador #1, (b) #2, (c) #3 e (d) #4.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 2026.6

26.7

26.8

26.9

27

27.1

27.2

27.3

27.4

27.5


Gan

ho d

o Am

plifica

dor (d

B)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 2014

14.05

14.1

14.15


Gan

ho d

o Am

plifica

dor (d

B)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 2014.02

14.04

14.06

14.08

14.1

14.12

14.14

14.16

14.18


Gan

ho d

o Am

plifica

dor (d

B)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 2014.02

14.04

14.06

14.08

14.1

14.12

14.14

14.16

14.18

14.2


Gan

ho d

o Am

plifica

dor (d

B)

80

Note-se que este estudo refere-se ao pior cenário possível, dado que também se

considera a contribuição do sinal descendente (de protecção) no efeito saturação dos

amplificadores, presentes no anel exterior da rede (ver Fig. 2.1, Cap. 2). Além disso,

assume-se que ele é amplificado da mesma forma que o sinal ascendente (ver Eq. (C.12)).

Passa-se, agora, ao sentido descendente de transmissão. A determinação dos ganhos

é, mais uma vez, realizada de forma progressiva, seguindo o percurso dos sinais. No sentido

descendente, o primeiro ganho a ser determinado é o do amplificador #1. A potência à entrada

do amplificador #1 vale:

,#1 1:2. . . .OLTin OLT L Ep a a s p= (C.13)

Para os restantes amplificadores, tem-se:

( ) ( ){ }1:2 1:2 ,# 0,,# 1 . . . . 2. . . 1 . . ,L i in i i sp Ampin ip s a s g p h g n Bυ+ = + − (C.14)


função da potência média à saída do transmissor da OLT. Na Tab. C.1 apresentam-se os

valores dos ganhos dos amplificadores da rede TDM-PON de grande cobertura, para uma

potência média de emissão de 3 dBm.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. C.4: Variação do ganho do amplificador, em fun ção da potência média à saída do emissor da OLT, pa ra o

esquema TDM DL + TDMA UL: (a) Amplificador #1, (b) #2, (c) #3 e (d) #4.

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 1022

24

26

28

30

32

34


Gan

ho d

o A

mpl

ifica

dor (d

B)

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 1014

16

18

20

22

24

26


Gan

ho d

o Am

plifi

cado

r (d

B)

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 1012

12.5

13

13.5

14

14.5

15


Gan

ho d

o Am

plifi

cado

r (d

B)

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 1011.9

12

12.1

12.2

12.3

12.4

12.5


Gan

ho d

o Am

plifi

cado

r (d

B)

81

Tab. C.1: Ganhos dos amplificadores da rede TDM-PON de grande cobertura, para uma potência média à saí da

do transmissor de 3 dBm.

Anel Sentido QP DG<E Q; DG<E Q DG<E Q¡ DG<E

Exterior DS 28.3 16.6 12.8 12.0

Interior US 27.3 14.1 14.2 14.2

C.3.2 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Determinação E Ap resentação

Na rede WDM/TDM-PON de grande cobertura permite-se a transmissão simultânea de

sinais, da central para clientes de diferentes componentes de acesso e vice-versa, ao contrário

do que se passa na TDM-PON. Começando pelo sentido ascendente, a potência à entrada do

amplificador #4 vale:

( ),#4 1:2 1:2. . . . . . 4. ,ONU OLTin ONU PON E OLT L Ep a a s p a a s p= + (C.15)

em que a última parcela da equação contabiliza a potência total associada aos quatro

comprimentos de onda emitidos pela OLT. Para os restantes amplificadores, tem-se:

( ) ( ) ( ){ }1:2 1:2 5 5 0, 1:2,# 4 ,# 5. . . . 2. . . 1 . . . . . ,ONUL i i sp Amp ONU PON Ein i in ip s a s g p h g n B a a s pυ− −− − = + − + (C.16)


função da potência média à saída do transmissor de uma ONU.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. C.5: Variação do ganho do amplificador, em fun ção da potência média à saída do emissor de uma ONU ,

para o esquema WDM DL + WDMA UL Híbrido: (a) Amplif icador #1, (b) #2, (c) #3 e (d) #4.

-10 -5 0 5 10 15 2025

25.5

26

26.5

27

27.5

28


Gan

ho d

o Am

plifica

dor (d

B)

-10 -5 0 5 10 15 2013.8

13.85

13.9

13.95

14

14.05

14.1

14.15

14.2

14.25


Gan

ho d

o Am

plifica

dor (d

B)

-10 -5 0 5 10 15 2013.9

13.95

14

14.05

14.1

14.15

14.2

14.25


Gan

ho d

o Am

plifica

dor (d

B)

-10 -5 0 5 10 15 2014.08

14.1

14.12

14.14

14.16

14.18

14.2

14.22

14.24

14.26


Gan

ho d

o Am

plifica

dor (d

B)

82

Para o sentido descendente, a potência à entrada do amplificador #1 vale:

,#1 1:2. . .(4. ).OLTin OLT L Ep a a s p= (C.17)

Para os restantes amplificadores, tem-se:

( ) ( ){ }1:2 1:2 ,# 0,,# 1 . . . . 2. . . 1 . . ,L i in i i sp Ampin ip s a s g p h g n Bυ+ = + − (C.18)


função da potência média à saída do transmissor da OLT.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. C.6: Variação do ganho do amplificador, em fun ção da potência média à saída do emissor da OLT, pa ra o

esquema WDM DL + WDMA UL Híbrido: (a) Amplificador #1, (b) #2, (c) #3 e (d) #4.

Na Tab. C.2 apresentam-se os valores dos ganhos dos amplificadores da rede

TDM-PON de grande cobertura, para uma potência média de emissão de 3 dBm.

Tab. C.2: Ganhos dos amplificadores da rede WDM/TDM -PON de grande cobertura, para uma potência média à

saída do transmissor de 3 dBm.

Anel Sentido QP DG<E Q; DG<E Q DG<E Q¡ DG<E

Exterior DS 28.9 17.0 12.9 12.0

Interior US 27.7 14.2 14.2 14.2

-30 -25 -20 -15 -10 -5 030

30.5

31

31.5

32

32.5

33

33.5

34

Gan

ho d

o Am

plifi

cado

r (d

B)

Potência de Emissão do Transmissor da OLT (dBm)-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

18

19

20

21

22

23

24

25


Gan

ho d

o Am

plifi

cado

r (d

B)

-30 -25 -20 -15 -10 -5 013

13.2

13.4

13.6

13.8

14

14.2

14.4

14.6

14.8

15


Gan

ho d

o Am

plifi

cado

r (d

B)

-30 -25 -20 -15 -10 -5 012.05

12.1

12.15

12.2

12.25

12.3

12.35

12.4

12.45

12.5


Gan

ho d

o Am

plifi

cado

r (d

B)

83

Em cada um dos sentidos de transmissão da rede WDM/TDM-PON, circula um sinal

WDM, composto por quatro comprimentos de onda, enquanto na TDM-PON tem-se um sinal de

comprimento único. Assim, poder-se-ia pensar que os níveis de potência total à entrada dos

amplificadores seriam mais elevados na WDM/TDM-PON, o que, por sua vez, conduziria a

ganhos de amplificação mais baixos. No entanto, os resultados já apresentados indicam que os

ganhos reais dos amplificadores da rede WDM/TDM-PON de grande cobertura são

aproximadamente iguais aos da TDM-PON, podendo-se concluir o mesmo sobre os níveis de

potência total. Na Fig. C.7, que traça a variação da potência total (sinal mais ruído) ao longo

das cadeias de amplificação presentes nos anéis das redes TDM-PON e WDM/TDM-PON de

grande cobertura, comprova-se o dito.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. C.7: Variação da potência total, para uma potê ncia média à saída do transmissor de 3 dBm, ao long o da

cadeia de amplificação presente no anel: (a) Interi or, (b) Exterior da rede TDM-PON de grande cobertur a,

(c) Interior e (d) Exterior da rede WDM/TDM-PON de grande cobertura.

A constância exibida pelos valores deve-se a dois factores. Apesar de, na rede

WDM/TDM-PON, se terem, na OLT, quatro transmissores a emitir potência, existe um aumento

da atenuação da OLT, devido à introdução do esquema de multiplexagem, o que vem

compensar o acréscimo de potência. Além disso, verifica-se que a introdução de potência,

pelas componentes de acesso PON#1 a #3, no anel da rede WDM/TDM-PON é desprezável

face à potência que circula neste.

Amplificador#4 Amplificador#3 Amplificador#2 Amplificador#1-10

-5

0

5

10

15

20

Pot

ênci

a Tot

al (dB

m)


-5

0

5

10

15

20

25

30

Pot

ênci

a Tot

al (dB

m)


-5

0

5

10

15

20

Pot

ênci

a Tot

al (dB

m)


-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Pot

ênci

a Tot

al (dB

m)

85

Anexo D – Optimização Da Rede

Ao longo da estrutura anelar que constitui a base da rede PON de grande cobertura

(ver Secção 2.1, Cap. 2) distribuem-se nós remotos. Uma das funções destes RNs é

proporcionar amplificação aos sinais transmitidos entre as ONUs e a OLT. Em cada RN, essa

capacidade de amplificação é providenciada por um esquema de dois amplificadores. Cada um

destes amplificadores encontra-se integrado num dos dois anéis da rede (interior ou exterior) e

orientado segundo o sentido em que a informação flui.

Ao conjunto das características (ganho e potência de saturação) dos amplificadores

que servem um determinado anel dá-se o nome de esquema de amplificação. Quer isto dizer

que a rede PON de grande cobertura possui dois esquemas de amplificação distintos. Um

deles opera no anel exterior sobre os sinais descendente de serviço (DS) e ascendente de

protecção (UP) e o outro no anel interior sobre os sinais ascendente de serviço (US) e

descendente de protecção (DP). O desempenho da rede é directamente influenciado pelo

esquema de amplificação. Assim, é necessário garantir que o esquema de amplificação

seleccionado é o ideal, ou seja aquele que optimiza a rede.

Problemas de optimização como estes são de alguma complexidade, pois envolvem

diversos parâmetros. Um modo de os resolver é aplicar métodos ou algoritmos exploratórios

que procurem as soluções por aproximações sucessivas, avaliando os progressos alcançados

até que o problema seja resolvido. Nestes métodos, de nome heurísticos, a exploração é

realizada de forma algorítmica, mas o progresso é obtido pela avaliação puramente empírica

do resultado. As heurísticas são igualmente úteis em problemas que envolvem várias restrições

(ou condições) que não podem ser representadas matematicamente e, ainda, em problemas

com grandes espaços de procura [29].

O método de resolução proposto assenta numa classe de heurísticas denominada

algoritmos genéticos (AGs) [30]-[32]. Os AGs são algoritmos matemáticos (probabilísticos)

inspirados nos mecanismos de evolução natural e de recombinação genética. Além disso,

fornecem um mecanismo de procura adaptativa que se baseia no princípio Darwiniano da

reprodução e da sobrevivência dos mais aptos.

O algoritmo começa com um conjunto de possíveis soluções geradas aleatoriamente.

Às possíveis soluções dá-se o nome de cromossomas e o seu conjunto representa a

população. A evolução do algoritmo inicia-se a partir desta população e é realizada por meio de

gerações. A cada geração, a adaptação de cada solução à população é avaliada (pela

função-objectivo) e, consoante esta, é realizada uma selecção. Os cromossomas

seleccionados são recombinados e/ou mutados para formar uma nova população. A nova

população é, então, utilizada como entrada da próxima iteração do algoritmo. Este processo é

motivado pela esperança de que a nova seja melhor do que a primeira e é repetido até que

alguma condição seja satisfeita: por exemplo, o número de populações ou o aperfeiçoamento

da melhor solução. [33].

86

D.1 – Implementação Dos Algoritmos Genéticos

Existem pontos importantes a definir quando se pretendem implementar AGs. Estes

passam pela representação dos indivíduos, pela estratégia de selecção, pelos operadores

genéticos (recombinação e mutação), etc. Em seguida, apresenta-se uma breve discussão

sobre cada um desses aspectos e sobre o modo como são postos em prática nesta situação.

D.1.1 – Problema

O objectivo desta secção centra-se em encontrar o esquema de amplificação que

optimiza a rede, isto é aquele que, para um determinado sentido de transmissão, permite

minimizar o valor da potência média de emissão do transmissor assegurando que o

desempenho da rede permanece aceitável.

Como foi visto, existem dois esquemas de amplificação distintos na rede. Um deles

actua sobre o sinal DS e o outro sobre o US. Além disso, estes esquemas dependem da

estratégia de transmissão (Cap. 2, Secção 2.2) utilizada pela rede. Assim, o problema tem que

ser formulado para três tipos de redes: TDM-PON, WDM/TDM-PON e WDM/TDM-PON com

UWC de grande cobertura. A rede WDM/TDM-PON com UWC é tratada à parte das restantes.

D.1.2 – Representação

O cromossoma considerado no âmbito deste trabalho codifica um conjunto de

parâmetros da função-objectivo. No caso das redes TDM-PON e WDM/TDM-PON, eles são: os

ganhos para sinais fracos ��,� e as potências de saturação ��,� dos amplificadores, com x

inteiro a variar de 1 a 4; e a potência média de emissão do transmissor �v| (da ONU no sentido

ascendente ou da OLT no descendente). A Fig. D.1 apresenta a estrutura deste cromossoma.

A representação do cromossoma depende do tipo de problema e daquilo que se deseja

“manipular geneticamente”. Os principais tipos de representação são a binária, que é adequada

a problemas numéricos (inteiros), e a real, que serve qualquer tipo de problema numérico. Na

binária, o cromossoma é representado por uma sequência de bits (0 ou 1). Esta representação

é simples e facilita a manipulação dos cromossomas pelos operadores genéticos. No entanto,

não é adequada à optimização de parâmetros contínuos. Por este motivo, opta-se pela

representação real.

��,� ��,� ��,� ��,� ��,� ��,� ��,s ��,s �v|

Fig. D.1: Estrutura do cromossoma, para os casos da s redes TDM-PON e WDM/TDM-PON de grande cobertura.

87

D.1.3 – Avaliação

O desempenho de uma rede é medido pela probabilidade de erro de bit do receptor.

Neste trabalho estipula-se que o mínimo aceitável está associado a uma probabilidade de 10-12

(situação em que não se usa FEC.)

A rede PON de grande cobertura possui 4 RNs e, por conseguinte, 4 componentes de

acesso PON. Cada uma destas componentes define um percurso diferente entre a OLT e uma

ONU (ver Fig. D.2) e que, em geral, oferece condições específicas de transmissão ao sinal.

Neste sentido conclui-se que, o desempenho global da rede PON de grande cobertura é

determinado por 4 desempenhos distintos e que, normalmente, se considera ser igual ao pior

dos quatro. De outro modo, o desempenho global da rede é dado pelo percurso que, para a

mesma probabilidade de erro, exige maior potência de transmissão.

(a)

(b) Fig. D.2: Representação dos percursos que se podem estabelecer entre a OLT e as várias PONs, quando a rede

se encontra em estado de serviço: (a) sentido ascen dente de transmissão, (b) sentido descendente.

A avaliação é realizada através de uma função que tem como objectivo fornecer uma

medida da aptidão de cada indivíduo na população corrente. A função-objectivo praticada

utiliza, como dado de entrada, o cromossoma representado na Fig. D.1 e avalia a rede PON de

grande cobertura, segundo os 4 possíveis percursos que interligam a central e o equipamento

terminal. Para cada um destes cenários, determina a probabilidade de erro de bit do receptor

(ver Cap. 3) e confirma se o valor é menor ou igual ao máximo estabelecido (10-12). Por fim,

retorna o número de cenários nos quais esta condição é válida. Quer isto dizer que, a função

assume valores inteiros entre 0 (nenhum cenário cumpre 10-12) e 4 (todos cumprem 10-12).

No parágrafo anterior explicou-se a função-objectivo utilizada neste trabalho e que,

basicamente, dá o número de percursos viáveis entre central e equipamento terminal. Em

seguida, descreve-se uma outra função que, apesar de melhor servir os propósitos do

problema, é colocada de parte por envolver a resolução de sistemas de equações

transcendentes e bastante complexos. Viu-se que, o objectivo deste anexo e da aplicação dos

88

algoritmos genéticos resume-se a encontrar o esquema de amplificação que permite minimizar

o valor da potência de transmissão e, simultaneamente, assegurar uma probabilidade de erro

de bit no receptor menor ou igual a 10-12. Assim, faz sentido que a função-objectivo tenha como

únicos dados de entrada os parâmetros do esquema de amplificação (novo cromossoma) e

que, a partir daí, determine, para cada um dos percursos já mencionados, o valor de potência

de emissão que resulta numa probabilidade de erro de 10-12. Por fim, deve comparar os 4

valores obtidos e retornar o maior (pior desempenho).

A função-objectivo praticada, ao contrário da última, retorna um valor pertencente a um

conjunto limitado de números pré-definidos pelo que, após avaliação de toda a população, vão

eventualmente surgir grandes grupos de cromossomas com iguais resultados. Isto vai dificultar

a decisão sobre qual(is) o(s) cromossoma(s) mais apto(s) da população. Daí dizer-se que, a

função-objectivo, descrita em último lugar, é mais adequada aos propósitos do problema.

D.1.4 – Selecção

A selecção serve-se do resultado do processo de avaliação, descrito na secção

anterior, para seleccionar os indivíduos mais aptos para a reprodução. Se µ� é a avaliação

(medida da aptidão) do indivíduo _ numa população de tamanho j� , a probabilidade ]� do

indivíduo ser seleccionado é proporcional a:

1

,p

xx N

ii

fp

f=

=

∑ (D.1)

Tal como foi visto na secção anterior, a função-objectivo só pode retornar cinco valores

diferentes (0, 1, 2, 3 e 4), pelo que, numa população de dimensão considerável, é normal que

surjam inúmeros cromossomas com avaliações iguais. Assim, a população fica segmentada em

cinco (no máximo) grandes grupos, dentro dos quais os cromossomas possuem iguais

probabilidades de selecção. Tendo em vista a selecção dos melhores indivíduos, sem, no

entanto, deixar de lado a diversidade dos menos adaptados, torna-se importante definir

convenientemente: o número de seleccionados em cada grupo e o respectivo critério de

selecção.

Os cromossomas pertencentes ao mesmo grupo garantem igual número de percursos

(viáveis) entre central e terminal. No entanto, existem cromossomas que oferecem essa mesma

viabilidade à custa de menores potências de transmissão (parâmetro �|vvv, Fig. D.1), o que, por

sua vez, se reflecte em melhores desempenhos. Ao ordenar, por ordem crescente e segundo a

potência de transmissão, os indivíduos de um mesmo grupo, priorizam-se para a selecção os

cromossomas mais aptos para reprodução.

Falta, apenas, conhecer o número de indivíduos que deve ser seleccionado de cada

grupo. Suponha-se que, j�¶ representa o tamanho de um grupo, dentro do qual qualquer

89

indivíduo possui avaliação µ�. A probabilidade ]�¶ de selecção de um desses cromossoma é

igual a:

4

0

..

.

x

x

i

f xf

f ii

N fp

N f=

=∑

(D.2)

Se todos os grupos possuírem tamanhos iguais, a equação anterior simplifica-se:

4

0

.10x

x xf

ii

f fp

f=

= =∑

(D.3)

Ao multiplicar o resultado da Eq. (D.3) por ·. j� (tamanho da população intermediária de

cromossomas pais, com · a variar entre 0 e 1) chega-se à Tab. D.1, na qual se indicam as

quantidades que devem ser seleccionadas de cada grupo. Para o presente problema, tomou-se

uma população de 500 cromossomas, da qual se pretendem seleccionar 50 (equivale a um ·

de 0.1).

6hTab. D.1: Quantidades de cromossomas seleccionado s.

Grupo * 0 1 2 3 4

�* 0 1 2 3 4

número de seleccionados 0 1

10 . ·. j� 2

10 . ·. j� 3

10 . ·. j� 4

10 . ·. j�

Salienta-se que, a teoria apresentada supõe que os grupos possuem tamanhos iguais,

o que, em geral, não se verifica. No entanto, isto permite que a quantidade de seleccionados

acabe por ser proporcional somente à aptidão dos cromossomas. Assim, assegura-se que se

extraem maiores quantidades dos grupos de cromossomas que possuem maior aptidão para

reprodução.

D.1.5 – Reprodução

A reprodução divide-se em acasalamento, recombinação (ou crossover) e mutação.

Após a selecção, descrita na secção anterior, os cromossomas escolhidos para

reprodução são percorridos e agrupados sempre com o cromossoma mais apto, que conjuga a

melhor avaliação com o menor valor de potência. Isto significa que, todos os cromossomas

acasalam (ou se reproduzem) com o mesmo indivíduo. O acasalamento segue, então, uma

estratégia elitista, que procura rapidamente aumentar o desempenho do algoritmo genético.

Depois do acasalamento, os pares de cromossomas formados são recombinados,

segundo uma probabilidade ]� (taxa de crossover), numa operação que pretende simular a

90

biologia da reprodução sexuada e na qual os descendentes recebem partes dos códigos

genéticos do pai e da mãe. Deste modo, os melhores indivíduos acabam por trocar entre si as

informações que os levam a ser os mais aptos a sobreviver e, por fim, a gerar descendentes

ainda mais aptos.

A recombinação, no caso particular da representação real, é obtida através de

operações aritméticas que são desenvolvidas sobre os cromossomas pais. Assim, tem-se o

crossover média aritmética:

2

Pai MãeFilho

+= (D.4)

e o média geométrica:

.Pai eFilho Mã×= (D.5)

Os operadores de média tendem a diminuir a diversidade dos filhos. Em alternativa, pode-se

recorrer à seguinte estratégia:

.( ),Filho Pai Mãe Paiβ= + − (D.6)

na qual ¦ é um número aleatório gerado dentro do intervalo ¸– �, 1 º �» . � controla a

diversidade dos filhos: quando é nulo, o filho é gerado no intervalo limitado pelos pais; quando

é superior a zero, o intervalo do filho é estendido em �. D�ã� � ��E para ambos os lados.

No presente trabalho convenciona-se uma taxa de crossover unitária, pelo que a

recombinação é realizada em todas as iterações do algoritmo genético. Além disso, utiliza-se o

operador descrito pela Eq. (D.6), com � igual a 0.5. Portanto, o cromossoma filho

¼��,�� , … , �|vvv� ¾ (ver Fig. D.1) é obtido, a partir do pai ¸��,�

�, … , �|vvv� » e da mãe ¸��,�¨, … , �|vvv¨ »,

pela seguinte equação:

( ) ( )0,1 0,1 0,1 0,1[ ,..., ] . ,..., .f f p m p p m pE E E EG P G G G P P Pβ β = + − + − (D.7)

Em último, surge a mutação que actua sobre os cromossomas seleccionados e/ou

recombinados, segundo uma probabilidade ]¨ (taxa de mutação), atribuindo valores aleatórios

aos seus parâmetros. Este operador assegura maior variabilidade genética à população, mas

deve ser accionado com a menor frequência possível.

No presente trabalho, utiliza-se um outro critério, como alternativa à taxa de mutação,

para controlar a acção do operador. Basicamente, segue-se a evolução do algoritmo e, através

de uma condição que incide sobre a potência de transmissão do cromossoma mais apto da

população, verifica-se se a procura está estagnada. Em caso afirmativo, aplica-se a mutação.

O parâmetro mutado varia de iteração para iteração. Logo, se numa iteração mutou-se o

parâmetro ��.�, na seguinte actua-se sobre o ��.� e assim sucessivamente até �v|, a partir do

qual se regressa ao primeiro ��.�.

91

D.1.6 – Inicialização

A incialização da população determina o processo de criação dos indivíduos para o

primeiro ciclo do algoritmo. A população inicial é tipicamente constituída por indivíduos gerados

aleatoriamente. Os valores para os parâmetros que constituem cada um dos cromossomas são

gerados dentro de domínios específicos que variam consoante a variável, o sentido de

transmissão e o esquema de transmissão considerado para a rede. Estes domínios, que se

apresentam na Secção D.2, podem ser construídos através da análise e caracterização da

rede.

No sentido ascendente da rede, os quatro amplificadores ópticos injectam ruído ASE à

entrada do receptor da OLT. Note-se que, em virtude de se terem quatro amplificadores,

têm-se, igualmente, quatro componentes de ruído diferentes. Cada uma destas depende

directamente do ganho do amplificador onde foi gerada e é, eventualmente, amplificada no seu

percurso até à OLT.

A partir da fig. D.2 (a), pode-se dizer que o sinal proveniente de uma componente de

acesso PON #x (x inteiro, a variar de 1 a 4) é amplificado pelos RNs #1 a #x. No entanto, o

desempenho de rede, referente ao percurso descrito por esse sinal, depende não só do ruído

ASE gerado nesses amplificadores como também dos restantes (#x+1 a #4). Enquanto o

aumento dos ganhos dos #1 a #x melhora, em geral, o desempenho de rede, o aumento dos

#x+1 a #4 piora. Portanto, conclui-se que devem ser impostas certas condições às

características dos amplificadores #2 a #4.

Para que todos os percursos tenham um desempenho de rede minimamente aceitável,

os valores dos ganhos dos amplificadores #2 a #4 devem ser minimizados. No limite, a função

dos amplificadores mencionados é compensar exactamente as perdas que o sinal sofre nos

respectivos troços de fibra e RNs. Dito isto, é possível afirmar que os valores ideais para os

ganhos destes amplificadores rondam os 14.0 dB (Cap. 3, Secção 3.1.1, Eq. 3.5 a 3.6).

O domínio dos parâmetros ��,�, ��,� e ��,s pode, então, ser estabelecido através de um

intervalo de 10 dB, que se distribui em torno do valor típico mencionado. Feitas as contas, o

limite inferior vale 9 dB e o superior 19 dB.

No que diz respeito ao amplificador #1, a única conclusão a que se pode chegar é que

o valor do seu ganho deve ser suficiente para compensar os 14 dB mais o valor das perdas

que o sinal sofre na OLT. Este valor ronda os 18.8 dB (Cap. 3, Secção 3.1.1, Eq. 3.5 a 3.7),

para o esquema de transmissão TDM DL + TDMA UL, e os 25.9 dB (Cap. 3, Secção 3.1,

Eq. 3.3, 3.5 e 3.8), para o WDM DL + WDMA UL híbrido.

Os valores mencionados podem ser entendidos como os mínimos que o parâmetro ��,�

pode assumir. Assim, para o esquema TDM DL + TDMA UL, tem-se o intervalo que vai de 18 a

35 dB e, para o esquema WDM DL + WDMA UL híbrido, tem-se um domínio que se situa entre

os 25 e os 35 dB. O limite superior indicado representa, segundo o Anexo C, o valor máximo de

ganho para o qual o amplificador pode ser dimensionado.

92

O sentido descendente da rede, representado na Fig. D.2 (b), não oferece a mesma

dificuldade de dimensionamento que o ascendente. Nesse, as componentes de ruído ASE que

são geradas para lá do percurso que o sinal toma, desde a OLT até a uma ONU, têm uma

influência desprezável sobre a operação de decisão do receptor. Isto, porque estão sujeitas,

assim como o sinal, a uma elevada atenuação proveniente da rede de acesso. Desta forma,

não se observam, à primeira vista, grandes restrições a impôr aos valores dos ganhos dos

amplificadores, excepto, claro, a compensação das perdas de potência que têm origem no anel

da rede. Aparentemente, o maior problema que surge no sentido de transmissão mencionado

está relacionado com o efeito de saturação dos amplificadores. Este assunto é estudado no

Anexo C.

Neste sentido de transmissão pode-se tomar para domínio de todos os parâmetros de

ganho o mesmo domínio que se tomou para ��,� no sentido ascendente. Relativamente às

potência de emissão e de saturação não há nada a acrescentar, uma vez que os seus

domínios não foram criados segundo uma regra específica.

D.1.7 – Substituição

Existem vários critérios de substituição dos indivíduos de uma população para a

próxima geração: troca de toda a população; troca de toda a população com elitismo, na qual o

cromossoma mais apto da população actual é copiado para a seguinte; troca parcial da

população; e, ainda, a troca parcial da população sem duplicados.

Neste caso, utiliza-se a troca parcial sem duplicados. No final de cada iteração, os

cromossomas menos adaptados da população (conjugam menor valor da função-objectivo,

normalmente zero, com maior valor da potência de emissão) são substituídos pelos

cromossomas resultantes da reprodução, desde que estes ainda não existam na população.

D.1.8 – Terminação

Existem vários critérios de terminação do algoritmo. Neste caso, inspecciona-se, com

regularidade, o cromossoma mais apto da população. Se este resultado for satisfatório,

interrompe-se o algoritmo. No entanto, ele nunca é terminado antes da 250ª iteração.

Na Fig. D.3 apresenta-se o fluxograma do algoritmo. No início, é aleatoriamente gerada

uma população de cromossomas, de acordo com os domínios definidos em D.1.6. Os

cromossomas são avaliados pela função-objectivo (ver D.1.3) e é inspeccionado o mais apto

para reprodução (conjuga melhor avaliação com menor potência de transmissão). Se este

indivíduo cumprir com o critério indicado no parágrafo anterior o algoritmo é terminado, caso

contrário é aplicada a selecção (ver D.1.4). Os cromossomas pais passam à reprodução (ver

D.1.5) e os resultantes (filhos) são avaliados pela função-objectivo. Os cromossomas filhos

substituem os menos adaptados da geração inicial (ver D.1.7) e regressa-se ao ponto de

inspecção do cromossoma mais apto da população. O algoritmo prossegue.

93

Fig. D.3: Fluxograma do algoritmo utilizado.

94

D.2 – Apresentação E Interpretação Dos Resultados

Nesta secção indicam-se os domínios de variação dos parâmetros que constituem o

cromossoma (ver Secção D.1.6) e apresentam-se alguns resultados da aplicação do algoritmo,

para as redes TDM-PON e WDM/TDM-PON de grande cobertura.

D.2.1 – TDM DL + TDMA UL: Sentido Ascendente Da Red e

Tab. D.2: Domínios das variáveis que compõem o crom ossoma (TDM DL + TDMA UL no sentido ascendente).

Variável Mínimo Máximo

��,� D��E 18 35

��,�, ��,�, ��,s D��E 9 19

��,� D��E 13 20

�v| D��) -15 15

Tab. D.3: Alguns resultados da aplicação do algorit mo genético para o cenário TDM DL + TDMA UL no sent ido

ascendente da rede (ganhos expressos em dB e potênc ias em dBm).

Q=,P 1K!+,P Q=,; 1K!+,; Q=, 1K!+, Q=,¡ 1K!+,¡ 1CV

34.9 17.0 14.2 19.8 14.7 13.9 14.2 18.2 11.5

31.8 19.5 14.6 14.4 14.7 13.9 14.5 14.8 11.5

32.2 18.8 14.3 17.6 14.6 14.7 14.4 16.8 11.5

31.5 20.0 14.6 14.8 14.2 19.5 14.8 13.5 11.5

34.8 19.2 14.6 14.8 14.4 15.8 14.8 13.5 11.5

média 33.0 18.9 14.5 16.3 14.5 15.6 14.5 15.3 s.s.

e.m.a.5 1.5 0.8 0.2 1.9 0.2 1.7 0.2 1.7 s.s.

Fig. D.4: Exemplo da variação da potência de emissã o do transmissor da ONU, para o cromossoma mais apt o

da população, ao longo da evolução do algoritmo (Es quema TDM DL + TDMA UL).

5 e.m.a ou erro médio absoluto.

0 50 100 150 200 25011

11.5

12

12.5

13

13.5

Evolução do algoritmo: iteração.

Pot

ênci

a de

em

issã

o do

tra

nsm

isso

r da

ON

U (dB

m).

95

D.2.2 – TDM DL + TDMA UL: Sentido Descendente Da Re de

Tab. D.4: Domínios das variáveis que compõem o crom ossoma (TDM DL + TDMA UL no sentido descendente).


��,� D��E 18 35

��,� D��E 13 20

�v| D��E -15 15

Tab. D.5: Alguns resultados da aplicação do algorit mo genético para o cenário TDM DL + TDMA UL no sent ido

descendente da rede (ganhos expressos em dB e potên cias em dBm).

Q=,P 1K!+,P Q=,; 1K!+,; Q=, 1K!+, Q=,¡ 1K!+,¡ 1CV

35.0 20.0 26.7 14.3 28.8 15.7 25.9 19.5 -10.8

35.0 20.0 24.0 14.7 24.7 14.4 21.4 17.5 -10.8

35.0 20.0 28.3 16.2 24.4 16.6 30.3 16.6 -10.8

35.0 20.0 21.8 13.4 33.9 13.7 31.4 14.2 -10.8

35.0 20.0 33.5 18.8 28.0 17.7 20.0 13.0 -10.8

média 35.0 20.0 26.9 15.5 28.0 15.6 25.8 16.2 s.s.

e.m.a 0.0 0.0 3.2 1.6 2.7 1.3 4.1 2.1 s.s.

Fig. D.5: Exemplo da variação da potência de emissã o do transmissor da OLT, para o cromossoma mais apt o

da população, ao longo da evolução do algoritmo (Es quema TDM DL + TDMA UL).

0 50 100 150 200 250-10.8

-10.6

-10.4

-10.2

-10

-9.8

-9.6

-9.4

-9.2


Pot

ênci

a de

em

issã

o do

tra

nsm

isso

r da

OLT

(dB

m).

Operação de Mutação

96

D.2.3 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Sentido Ascendent e Da Rede

Tab. D.6: Domínios das variáveis que compõem o crom ossoma (WDM DL + WDMA UL híbrido no sentido

ascendente).


��,� D��E 25 35

��,�, ��,�, ��,s D��E 9 19

��,� D��E 13 20

�v| D��E -15 15

Tab. D.7: Alguns resultados da aplicação do algorit mo genético para o cenário WDM DL + WDMA UL híbrido no

sentido ascendente da rede (ganhos expressos em dB e potências em dBm).

Q=,P 1K!+,P Q=,; 1K!+,; Q=, 1K!+, Q=,¡ 1K!+,¡ 1CV

34.9 19.7 14.3 17.2 14.3 16.8 14.2 18.3 11.7

34.9 19.7 14.4 16.8 14.3 16.8 14.2 18.3 11.7

34.0 19.9 14.3 17.3 14.4 17.4 14.3 14.7 11.8

34.0 19.9 14.6 14.4 14.4 17.4 14.3 14.7 11.8

34.0 20.0 14.6 14.4 14.4 17.4 14.3 14.7 11.8

média 34.3 19.8 14.4 16.0 14.4 17.1 14.3 16.1 s.s.

e.m.a 0.4 0.1 0.1 1.3 0.0 0.3 0.1 1.7 s.s.

Fig. D.6: Exemplo da variação da potência de emissã o do transmissor da ONU, para o cromossoma mais apt o

da população, ao longo da evolução do algoritmo (Es quema WDM DL + WDMA UL híbrido).

0 50 100 150 200 25011.5

12

12.5

13

13.5

14

14.5


Pot

ênci

a de

em

issã

o do

tra

nsm

isso

r da

ON

U (dB

m).


97

D.2.4 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Sentido Descenden te Da Rede

Tab. D.8: Domínios das variáveis que compõem o crom ossoma (WDM DL + WDMA UL híbrido no sentido

descendente).


��,� D��E 25 35

��,� D��E 13 20

�v| D��E -15 15

Tab. D.9: Alguns resultados da aplicação do algorit mo genético para o cenário WDM DL + WDMA UL híbrido no

sentido descendente da rede (ganhos expressos em dB e potências em dBm).

Q=,P 1K!+,P Q=,; 1K!+,; Q=, 1K!+, Q=,¡ 1K!+,¡ 1CV

34.8 20.0 33.9 14.9 29.9 18.6 28.7 15.3 -2.4

34.8 20.0 34.7 15.8 34.8 16.5 31.3 13.8 -2.4

34.8 20.0 31.8 18.6 28.7 18.0 30.0 13.5 -2.4

34.8 20.0 32.9 17.2 31.1 13.7 31.6 18.3 -2.4

34.8 20.0 28.2 17.9 33.7 15.1 25.1 17.9 -2.4

média 34.8 20.0 32.3 16.9 31.6 16.4 29.3 15.8 s.s.

e.m.a 0.0 0.0 1.8 1.2 2.1 1.6 2.0 1.9 s.s.

Fig. D.7: Exemplo da variação da potência de emissã o do transmissor da OLT, para o cromossoma mais apt o

da população, ao longo da evolução do algoritmo (Es quema WDM DL + WDMA UL híbrido).

0 50 100 150 200 250-2.6

-2.4

-2.2

-2

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1

-0.8


Pot

ênci

a de

em

issã

o do

tra

nsm

isso

r da

OLT

(dB

m).


98

D.2.5 – Interpretação Dos Resultados E Conclusões

Os resultados permitem concluir que os esquemas de amplificação, relativos às

estratégias TDM e WDM/TDM, respeitam as hipóteses colocadas em inicialização (ver D.1.6) e

são bastante semelhantes. Isto sucede pois, apesar da existência de um maior número de

sinais e de comprimentos de onda na rede WDM/TDM-PON, os níveis de potência total à

entrada dos amplificadores são praticamente iguais (ver Secção C.3, Anexo C). Além disso, as

variações nos valores de parâmetros, como a respostividade e os ganhos, induzidas pela

utilização de diferentes comprimentos de onda são desprezáveis (ver Tab. F.2 e F.3, Anexo F).

No sentido ascendente (ver D.2.1 e D.2.3), os ganhos dos amplificadores #2-4 tendem

a aproximar-se do valor de atenuação do conjunto RN e troço de interligação, sendo que o

pequeno excesso, verificado relativamente aos 14 dB de D.1.6, surge provavelmente para

compensar o efeito de saturação. Por outro lado, o ganho do #1 assume um valor, próximo de

35 dB, bastante superior aos previstos (18.8 dB para TDM-PON e 25.9 para WDM/TDM-PON),

não só para, mais uma vez, compensar o efeito de saturação como também para optimizar o

desempenho da rede. Relembra-se que, este amplificador é comum a todos os percursos,

passíveis de serem estabelecidos entre central e terminais, pelo que, segundo D.1.6, não

existem limites superiores a colocar ao seu valor. Logo, quanto maior for a sua capacidade de

amplificação, melhor será o desempenho da rede. Por inspecção dos valores relativos ao erro

médio absoluto, confirma-se que não existe grande margem possível de variação para os

valores dos ganhos, tal como tinha sido sugerido em D.1.6. No que toca às restantes variáveis,

o valor da potência de saturação #1 tem necessariamente que ser ligeiramente superior às

demais, pois este amplificador apresenta-se em último lugar na cadeia.

Concluindo, os ganhos e as potências #2-4 podem ser fixados em 14.5 dB e 17 dBm.

Para o #1, o ganho fica em 34 dB e a potência de saturação em 18 dBm. Como se observa

pela Fig. D.8, não existe margem de variação para o #1, pelo menos para a WDM/TDM-PON.

Os 35 dB e 20 dBm conduzem a um melhor desempenho no caso do amplificador #1 mas, por

constituírem valores limite dos domínios, opta-se por outros de menor valor.

Fig. D.8: Variação da probabilidade de erro de bit do receptor da OLT em função do ganho do amplificad or #1

(1K!+,P � P¿ G<>; Q=,;, Q=, , Q=,¡ � P¡. À G<; 1K!+,;, 1K!+, , 1K!+,¡ � PÁ G<>; 1CV � P; G<> ).

0 5 10 15 20 25 30 3510

-14

10-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

Ganho do amplificador #1 (dB).

Pro

babi

lidad

e de

erro

de b

it do

rec

epto

r da

OLT

.

TDM DL + TDMA UL

WDM DL + WDMA UL híbrido

99

No sentido descendente (ver D.2.2 e D.2.4), a liberdade de escolha é maior, pois o erro

médio absoluto também o é, comprovando-se a hipótese enunciada em D.1.6 relativa à

inexistência de restrições críticas. Por conseguinte, o melhor desempenho é atingido com a

maximização das variáveis. Repare-se que, no sentido ascendente passa-se exactamente o

contrário, pois a maximização leva a que se acabe por injectar, no receptor, mais ruído do que

sinal. Assim, para o sentido descendente, o melhor desempenho alcança-se quando se fazem

tender os ganhos para 35 dB e as potências de saturação para 20 dBm. Pelas razões já

enunciadas, são escolhidos os valores de 34 dB e de 18 dBm.

D.3 – Optimização Da WDM/TDM-PON De Grande Cobertur a Com UWC

O esquema de transmissão ainda não contemplado neste estudo é aquele que introduz

conversão de comprimento de onda no sentido ascendente da rede. Como se verá adiante, a

optimização desta rede é ligeiramente diferente daquela que se apresentou. O método utilizado

para a determinação da probabilidade de erro de bit do receptor da OLT, tendo como ponto de

partida a potência de emissão do transmissor da ONU, encontra-se descrito no Cap. 3.

Nesta rede WDM/TDM-PON, além do esquema de amplificação do anel, é necessário

dimensionar cada um dos amplificadores que são usados nos conversores de comprimento de

onda. Existem dois modos de resolver este problema: considerar o esquema de amplificação

do anel referido na Secção D.2.5 e criar um novo cromossoma com os ganhos e potências de

saturação dos amplificadores dos conversores ou adicionar estas variáveis ao cromossoma da

Fig. D.1. Após se optar por uma destas estratégias e se criar um novo cromossoma, basta

prosseguir com a aplicação do algoritmo genético tal como se fez anteriormente.

A resolução, que se apresenta, segue a estratégia de manter o esquema de

amplificação do anel, referido na Secção D.2.5, e criar um novo cromossoma com as novas

variáveis do problema. Na Fig. D.9 apresenta-se uma possível estrutura para este

cromossoma.

��,�h�� ,�

h�� ,�h�� ,�

h�� ,�h�� ,�

h�� ,sh�� ,s

h�� v|x}h

Fig. D.9: Formato do cromossoma (WDM/TDM-PON com UW C).

��,�h�� representa o ganho (sinais fracos) do amplificador presente no conversor #x e ��,�

h�� a

sua potência de saturação. �v|x}h simboliza a potência média de emissão do transmissor da

ONU. Como é óbvio, nesta análise não é necessário estudar o sentido descendente da rede,

pois a questão da conversão apenas se coloca no sentido ascendente.

Tendo em conta o que foi dito nas secções anteriores, principalmente no que toca ao

esquema de amplificação considerado para o sentido ascendente da rede, pode-se concluir

que os cenários, referentes às várias redes de acesso, devem apresentar desempenhos

bastante semelhantes. Isto, porque a função dos amplificadores é somente compensar as

100

perdas que têm origem no anel da rede. Assim, faz sentido considerar características idênticas

para os conversores introduzidos. Como consequência, o problema fica simplificado a três

variáveis genéricas: o ganho e a potência de saturação do conversor, a potência média de

emissão do transmissor da ONU. Na Fig. D.10 apresenta-se a estrutura final do cromossoma.

��h��

h�� v|x}h

Fig. D.10: Formato final do cromossoma (WDM/TDM-PON com UWC).

Em seguida, apresentam-se as Tab. D.10 e D.11. Estas contêm, respectivamente, os

domínios das variáveis, apresentadas no cromossoma da Fig. D.10, e alguns dos resultados da

aplicação do algoritmo genético.

Tab. D.10: Domínios das variáveis que compõem o cro mossoma (WDM DL + WDMA UL híbrido com UWC).


��h�� D��E 9 35

��h�� D��E -10 10

�v|x}h D��E 10 30

Tab. D.11: Alguns resultados da aplicação do algori tmo genético para o cenário WDM DL + WDMA UL híbrid o

com UWC (ganho expresso em dB e potências em dBm).

Q=07" 1K!+

07" 1CV-/0

34.6 -0.3 26.4

34.9 0.0 26.3

34.6 4.7 26.5

34.7 0.3 26.3

33.8 0.4 26.4

média 34.5 1.0 s.s.

e.m.a 0.3 1.5 s.s.

Face aos resultados indicados na Tab. D.11, selecciona-se para ganho o valor 34 dB e

para potência de saturação interna 0 dBm.

101

Anexo E – Selecção Do Tipo De Fotodetector

Neste Anexo estende-se a análise realizada na Secção 3.1.3 do Cap. 3, a respeito da

camada física das redes TDM-PON e WDM/TDM-PON de grande cobertura, a fim de se

justificar a selecção do tipo de fotodetector (PIN ou APD) que conduz ao melhor desempenho.

O Anexo encontra-se dividido em duas partes, uma referente ao esquema de transmissão

TDM DL + TDMA UL e outra para o WDM DL + WDMA UL Híbrido (ver Cap. 2). Em cada uma

destas divisões são tratados ambos os sentidos de transmissão.

E.1 – TDM DL + TDMA UL: Selecção E Justificação

Na Secção 3.1.3.1 do Cap. 3 indica-se que é indiferente o tipo de fotodetector utilizado

no receptor da OLT da rede TDM-PON de grande cobertura. A interpretação deste resultado é

realizada com recurso à relação sinal-ruído do receptor. Quando se usa um fotodetector PIN, a

expressão para esta relação vale:

( )2

2

2 2 2 2 2

.potência média de sinal,

potência de ruído

R

PINth shot s sp sp sp

R piSNR

λ

σ σ σ σ σ− −

= = =+ + +

(E.1)

em que a identificação dos parâmetros pode ser encontrada no Cap. 3. No caso do APD, a

expressão altera-se para:

( )2

,

2 2 2 2 2, ,

.,

R APD

APDth shot sm s sp APD sp sp APD

R pSNR

λ

σ σ σ σ σ− −

=+ + + +

(E.2)

onde:

, . ,R APD Rp M p= (E.3)

2 2 2, . es sp APD s spMσ σ− −= (E.4)

2 2 2, . .sp sp APD sp spMσ σ− −= (E.5)

No que toca ao ruído que afecta a operação de decisão no receptor da OLT, é possível

dizer que a soma da componente de ruído térmico com a de ruído de shot (incluído o ruído de

multiplicação de shot, no caso do APD) é desprezável face à soma das restantes

componentes, que surgem devido ao ruído ASE emitido pelos amplificadores. De modo a

fundamentar esta afirmação, apresenta-se a Tab. E.1 na qual se indicam os valores das

componentes de ruído, os quais foram determinados assumindo uma probabilidade de erro de

bit de 10-12 e um débito binário de transmissão igual a 10 Gbps.

102

Tab. E.1: Valores das componentes de ruído (em A 2), determinados para uma probabilidade de erro de b it de

10-12 e para um débito de 10 Gbps (TDM DL + TDMA UL no s entido ascendente).

PON

[J;D ;E

#1 #2 #3 #4

PIN

[+6; 2.0297e-13 2.0297e-13 2.0297e-13 2.0297e-13

[K6#+; 1.6893e-13 1.6923e-13 1.7025e-13 1.7203e-13

[K\K%; 5.8368e-11 5.8434e-11 5.8820e-11 5.9542e-11

[K%\K%; 3.1627e-12 3.1573e-12 3.1578e-12 3.1638e-12

AP

D

[+6; 2.0297e-13 2.0297e-13 2.0297e-13 2.0297e-13

[K6#+; 1.7242e-13 1.7271e-13 1.7025e-13 1.7203e-13

[K>; 1.3121e-10 1.3143e-10 1.2956e-10 1.3091e-10

[K\K%; 8.4034e-9 8.4122e-9 8.2890e-9 8.3906e-9

[K%\K%; 4.4498e-10 4.4419e-10 4.4500e-10 4.4584e-10

Por conseguinte, a expressão (E.1) simplifica-se para:

( )2

2 2

. R

PINs sp sp sp

R pSNR

λ

σ σ− −+≃ (E.6)

e a (E.2) passa a tomar a seguinte forma:

( )2

,

2 2, ,

..

R APD

APDs sp APD sp sp APD

R pSNR

λ

σ σ− −+≃ (E.7)

Substituindo as Eq. (E.3) a (E.5) na (E.7) resulta, por fim:

( )( )

( )2 2

2 22 2 2

. . ..

.

R R

APDs sp sp sps sp sp sp

R M p R pSNR

M

λ λ

σ σσ σ − −− −

=++

≃ (E.8)

A partir de (E.6) e (E.8), pode-se afirmar que os valores da relação sinal-ruído, para o caso em

que se usa um PIN e para aquele em que se utiliza um APD, são aproximadamente iguais. Isto

justifica o facto de os fotodetectores conduzirem a desempenhos bastante semelhantes.

De modo a completar esta análise, enuncia-se uma condição construída a partir das

expressões (E.1) e (E.2) e que estabelece em que situação a utilização do APD é

compensatória face à do PIN. Assim, tem-se:

( ) ( ) ( )2 2 2 2 2 2 21 . . .APD PIN sm th shot th shotSNR SNR M Mσ σ σ σ σ> ⇔ < − + +≃ (E.9)

103

Substituindo em (E.9) as expressões para as potências de ruído (ver Anexo B) e resolvendo

em ordem à potência média total incidente no receptor (sinal mais ruído), obtém-se:

( ) ( )

4. . .

10.870 µW 19.6 dBm .2. . . 1

nB

Pi

a

FK T

Rp

q R Fλ

< = −−

(E.10)

Portanto, sempre que a potência média total à entrada do receptor da OLT seja inferior a

-19.6 dBm, o APD é definitivamente o fotodetector que conduz a melhores resultados.

Na Tab. E.2 indicam-se os valores da potência média total à entrada do receptor da

OLT, calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-12. Pela sua observação, pode-se

afirmar que qualquer um dos valores indicados nesta tabela não respeita a condição enunciada

em (E.10). Assim, mais uma vez se prova que o APD não conduz a nenhuma melhoria

significativa do desempenho da rede TDM-PON de grande cobertura, no seu sentido

ascendente.

Tab. E.2: Valores da potência média total à entrada do receptor da OLT (em dBm), calculados para uma


8IDQI%KE


PIN

PON #1 -17.9 -16.2 -11.8

PON #2 -17.9 -16.2 -11.8

PON #3 -17.9 -16.2 -11.8

PON #4 -17.9 -16.2 -11.7

APD

PON #1 -17.9 -16.2 -11.7

PON #2 -17.9 -16.2 -11.7

PON #3 -17.9 -16.1 -11.8

PON #4 -17.9 -16.2 -11.6

Na mesma secção 3.1.3.1 indica-se que as ONUs da rede TDM-PON de grande

cobertura devem utilizar fotodetectores do tipo APD. Neste caso, as expressões (E.6) e (E.8)

não são sempre válidas, pois as componentes de ruído térmico e de shot nem sempre são

desprezáveis (ver Tab. E.3). Assim, a interpretação dos resultados tem que ser baseada nas

expressões (E.1), para o PIN, e (E.2), para o APD. Facto é que, no sentido descendente, tanto

o sinal como as componentes de ruído ASE são fortemente atenuadas pela componente de

acesso PON. Entende-se, assim, o porquê do ruído ASE não ter uma influência tão forte no

processo de decisão do receptor, como tinha no upstream.

Tal como foi visto na condição (E.9), a utilização do APD é compensatória se a

quantidade de ruído de multiplicação de shot for inferior ao produto da soma, do ruído térmico

com o ruído de shot, pelo quadrado do ganho interno do fotodetector. A verdade é que na

104

generalidade dos casos, em que não existe dominância por parte das componentes de ruído

ASE, esta condição verifica-se.


10-12 e para um débito de 10 Gbps (TDM DL + TDMA UL no s entido descendente).

PON

[J;D ;E

#1 #2 #3 #4

PIN

[+6; 2.0297e-13 2.0297e-13 2.0297e-13 2.0297e-13

[K6#+; 1.3179e-14 6.8615e-14 1.2183e-13 1.3751e-13

[K\K%; 1.3320e-13 9.4716e-12 3.0486e-11 3.8845e-11

[K%\K%; 2.9615e-15 5.9358e-13 1.9551e-12 2.4911e-12

AP

D

[+6; 2.0297e-13 2.0297e-13 2.0297e-13 2.0297e-13

[K6#+; 7.2643e-15 6.8615e-14 1.2183e-13 1.3751e-13

[K>; 5.5280e-12 5.2215e-11 9.2713e-11 1.0464e-10

[K\K%; 1.1134e-11 1.3347e-9 4.2961e-9 5.4741e-9

[K%\K%; 5.0548e-13 8.3648e-11 2.7551e-10 3.5105e-10

Na Tab. E.4 indicam-se os valores da potência média total à entrada do receptor de

uma ONU, calculados para uma probabilidade de erro de bit de 10-12. A condição (E.10)

verifica-se sempre para o caso da PON#1, mas para os restantes isso nem sempre é verdade.

Isto, porque o número de amplificadores inseridos nos percursos dos sinais aumenta, à medida

que se passa de um cenário para outro (desde o #1 até ao #4), o que origina o aumento do

peso das componentes de ruído ASE, sobre o valor total do ruído. No entanto, este facto não é

relevante, pois, em termos de desempenho, o cenário #1 é o que exige o valor de potência de

emissão mais elevado.

Tab. E.4: Valores da potência média total à entrada do receptor de uma ONU (em dBm), calculados para u ma


8IDQI%KE


PIN

PON #1 -27.8 -26.2 -22.9

PON #2 -20.8 -19.2 -15.7

PON #3 -18.0 -16.5 -13.2

PON #4 -17.5 -16.0 -12.7

APD

PON #1 -31.6 -29.8 -25.5

PON #2 -20.9 -19.2 -15.7

PON #3 -18.0 -16.5 -13.2

PON #4 -17.5 -16.0 -12.7

105

E.2 – WDM DL + WDMA UL Híbrido: Selecção E Justific ação

Na secção 3.1.3.2 do Cap. 3 vislumbra-se uma ligeira diferença entre os desempenhos

dos fotodetectores PIN e APD no receptor da OLT mas que não excede os 0.7 dB, pelo que

ainda não é possível designar o tipo de fotodetector ideal. Diz-se que esta diferença deve-se ao

aumento da atenuação da OLT, que traz maiores perdas de potência ao sinal e ao ruído ASE e

que conduz ao aumento do peso do ruído térmico sobre o valor total de ruído. Isto leva a que

as expressões (E.6) a (E.8) comecem a perder a sua validade. Estas afirmações são

confirmadas através da Tab. E.5, que indica os valores para as componentes de ruído

assumindo uma probabilidade de erro de bit de 10-12 e um débito de 10 Gbps.


10-12 e para um débito de 10 Gbps (WDM DL + WDMA UL Híbr ido no sentido ascendente).

PON

[J;D ;E

#1 #2 #3 #4

PIN

[+6; 2.0297e-013 2.0297e-013 2.0297e-013 2.0297e-013

[K6#+; 3.7206e-014 3.6677e-014 3.7181e-014 3.8755e-014

[K\K%; 2.5284e-012 2.4991e-012 2.5370e-012 2.6446e-012

[K%\K%; 1.2155e-013 1.2146e-013 1.2047e-013 1.1866e-013

AP

D

[+6; 2.0297e-013 2.0297e-013 2.0297e-013 2.0297e-013

[K6#+; 5.8315e-016 6.2116e-016 8.0844e-015 1.2898e-013

[K>; 1.9421e-012 2.0687e-012 6.1521e-012 9.8150e-011

[K\K%; 6.8925e-012 8.2633e-012 5.9736e-011 1.4703e-009

[K%\K%; 1.1837e-011 1.1704e-011 3.2454e-011 3.2326e-011

Tal como sucedia para o caso do esquema TDM DL + TDMA UL, o APD é o tipo de

fotodetector que deve ser utilizado no sentido descendente da rede. A justificação para este

facto segue a mesma linha da que foi enunciada na secção E.1.

107

Anexo F – Parâmetros De Cálculo

Tab. F.1: Dimensionamento físico da rede PON de grande cobe rtura.

Parâmetro Símbolo Valor Número de RNs j 4 Número de ONUs por RN k 32 Comprimento do troço de fibra que interliga RNs t D®�E 20 Comprimento do troço de fibra de alimentação tu D®�E 20 Comprimento do troço de fibra de distribuição tf D®�E 20

Tab. F.2: Caracterização dos amplificadores (final) e dos filtros ópticos.

Parâmetro Símbolo Upstream Service Downstream Service #1 #2 #3 #4 #1 #2 #3 #4

Ganho do amplificador �0 D��E 34 14.5 14.5 14.5 14.5 14.5 14.5 34

Potência de saturação do amplificador �� D��E 18 17 17 17 17 17 17 18

Ganho do amplificador do conversor

��h��D��E 34 34 34 34

Potência de saturação do amplificador do conversor

��h�� D��E 0 0 0 0

Factor de ruído do amplificador

°�,��] D��E 8

Largura de banda do amplificador

�0,��] D��E 30

Largura de banda do filtro óptico �0 D��E 1

Tab. F.3: Comprimentos de onda (nm) utilizados na r ede PON de grande cobertura e respectivos valores d e

dispersão (ps/nm/km), de atenuação na fibra (dB/km) , e de respostividade (A/W).

Parâmetro Upstream Downstream

#1 #2 Central #3 #4 #1 #2 Central #3 #4 Comprimento de onda e

1302.5 1307.5 1310 1312.5 1317.5 1482.5 1487.5 1490 1492.5 1497.5

Parâmetro de dispersão m¥

0.2 0.7 0.9 1.1 1.6 13.9 14.3 14.4 14.6 14.9

Respostividade «¥ 0.994 0.998 1 1.002 1.006 0.995 0.998 1 1.002 1.005 Coeficiente de atenuação �� 0.35 0.24

108

Tab. F.4: Outras características importantes dos re ceptores ópticos.

Parâmetro Símbolo Valor Débito binário de transmissão mn D�Â]�E 1.25, 2.5 e 10 Largura de banda eléctrica ��,¢ DÃÄE 0.80 Å mI Resistência de polarização «i D®ΩE 1 Factor de ruído do receptor °¢ D��E 2 Temperatura ¯ DkE 290 Coeficiente de ionização ®� 0.35

Ganho óptimo do APD (Ç È 7.0345) �Ó��l¨� 20.0 a 1.25 Gbps 16.8 a 2.5 Gbps 11.9 a 10 Gbps

Tab. F.5: Perdas de potência (em dB) nos elementos ópticos.

Parâmetro Símbolo Valor Perdas na junta �Ê 0.1 Perdas no conector �§ 0.3 Perdas no filtro �°�Ë�© 1 Perdas no duplexor �Ìm� 1 Perdas no comutador ��Í�§� 1

Tab. F.6: Outros parâmetros importantes: penalidade s e margens (em dB).

Parâmetro Símbolo Valor Penalidade de potência devida à dispersão ∆�v 2 Penalidade de sensibilidade burst-mode ∆�v~� 0.3 Margem de funcionamento ou de segurança �µ 2

109

Referências

[1] J. Pires, “Sistemas e Redes de Telecomunicações”, Departamento de Engenharia

Electrotécnica e de Computadores, Instituto Superior Técnico, 2006.

[2] K. Grobe, J.-P. Elbers, “PON Evolution from TDMA to WDM-PON”, Optical Fiber

communication/National Fiber Optic Engineers Conference, 2008 (OFC/NFOEC 2008),

24-28 Feb. 2008, NthD6 pp. 1-7.

[3] J. Santos, O. Quadros, “Análise e Planeamento de uma Rede de Acesso baseada na

Tecnologia PON”, Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Instituto

Superior Técnico, Outubro 2008.

[4] L. Hutcheson, “FTTx: Current Status and the Future”, IEEE Communications Magazine,

Vol. 46, No. 7, July 2008, pp. 90-95.

[5] http://www.teleco.com.br/emdebate/foad01.asp

[6] R. Lin, “Next Generation PON in Emerging Networks”, Optical Fiber communication/National

Fiber Optic Engineers Conference, 2008 (OFC/NFOEC 2008), 24-28 Feb. 2008, OWH1 pp. 1-3.

[7] J. Santos, J. Pedro, J. Pires, “Long-Reach 10 Gbps Ethernet Passive Optical Network based

on a Protected Ring Architecture”, Optical Fiber communication/National Fiber Optic Engineers

Conference, 2008 (OFC/NFOEC 2008), 24-28 Feb. 2008, OTuI2 pp. 1-3.

[8] S. Pato, P. Monteiro, H. Silva, “All-Optical Remote Node for Cost-Effective Metro-Access

Convergence”, Proc Conf. On Telecommunications – ConfTele, May 2009.

[9] C.-H. Lee, W. V. Sorinm, B. Y. Kim, “Fiber to the Home Using a PON Infrastructure”, Journal

of Lightwave Technology, Vol. 24, No. 12, Dec. 2006, pp. 4568-4583.

[10] J. Santos, “Receptor Óptico Burst-Mode com Ajuste por Preâmbulo”, Departamento de

Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Instituto Superior Técnico, 2006.

[11] http://www.meofibra.pt/Pages/Homepage.aspx

[12] F. Effenberger, D. Cleary, O. Haran, G. Kramer, R. Ding Li, M. Oron, T. Pfeiffer, “An

Introduction to PON Technologies”, IEEE Communications Magazine, Vol. 45, No. 3, March

2007, pp. S17-S25.

110

[13] A. Banerjee, Y. Park, F. Clarke, H. Song, S. Yang, G. Kramer, K. Kim, B. Mukherjee,

“Wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM-PON) technologies for

broadband access: a review”, Journal of Optical Networking, Vol. 4, No. 11, Nov. 2005,

pp. 737-758.

[14] “Verizon's FTTP Broadband Architecture and Perspective on NG Optical Access”, Optical

Access ’08 a LIGHTWAVE e-conference.

[15] T. Durhuus, B. Mikkelsen, C. Joergensen, S. L. Danielsen, K. E. Stubkjaer, “All-Optical

Wavelength Conversion by Semiconductor Optical Amplifiers”, Journal of Lightwave

Technology, Vol. 14, No. 6, June 1996, pp. 942-954.

[16] G. P. Agrawal, “Fiber-Optic Communication Systems”, John Wiley & Sons, 1992.

[17] D. Wolfson, T. Fjelde, A. Kloch, “Technologies for all-optical wavelength conversion in

DWDM networks”, The 4th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics 2001

(CLEO/Pacific Rim 2001), Vol. 2, 15-19 July 2001, pp. 574-575.

[18] S. J. B. Yoo, “Wavelength Conversion Technologies for WDM Network Applications”,

Journal of Lightwave Technology, Vol. 14, No. 6, June 1996, pp. 955-966.

[19] M. M. de la Corte, J. M. H. Elrnirgharni, “Accurate noise characterization of wavelength

converters based on XGM in SOAs”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 21, No. 1,

Jan. 2003, pp. 182-197.

[20] M.-J. Li, M. J. Soulliere, D. J. Tebben, L. Nederlof, M. D. Vaughn, R. E. Wagner,

“Transparent Optical Protection Ring Architectures and Applications”, Journal of Lightwave

Technology, Vol. 23, No. 10, Oct. 2005, pp. 3388-3403.

[21] A. Cartaxo, “Transmissão por Fibra Óptica”, Departamento de Engenharia Electrotécnica e

de Computadores, Instituto Superior Técnico, Março 2004.

[22] D. Mestdagh, C. Martin, “The Super-PON Concept and its Technical Challenges”,

Broadband Communications, 1996, pp. 333-344.

[23] ITU-T Recommendations G.984 Series, 2003.

[24] IEEE Standards 802.3ahTM, 2004.

[25] F. Chang, “10G EPON Optical Budget Considerations”, Vitesse, July 2006.

111

[26] ITU-T Recommendations G.652, 2000.

[27] J. Santos, “Receptor Óptico Burst-Mode com Ajuste por Preâmbulo”, Departamento de

Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Instituto Superior Técnico, 2005/2006.

[28] P. Urquhart, O. G. Lopez, G. Boyen, A. Bruckmann, “Optical Amplifiers for

Telecommunications”, IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing

(WISP 2007), Oct. 2007, pp. 1-6.

[29] htttp://pt.wikipedia.org/wiki/Heur%C%ADstica.

[30] http://en.wikipedia.org/wiki/Genetic_algorithm.

[31] http://www.obtiko.com/tutorials/genetic-algorithms/portuguese/index.php.

[32] http://www.dca.ufrn.br/~estefane/metaheuristicas/index.html.

[33] www.ica.ele.puc-rio.br

[34] J. A. Lazaro, J. Prat, P. Chanclou, G. M. Tosi Beleffi, A. Teixeira, I. Tomkos, R. Soila, V.

Koratzinos, “Scalable Extended Reach PON”, Optical Fiber communication/National Fiber Optic

Engineers Conference 2008 (OFC/NFOEC 2008), 24-28 Feb. 2008, OThL2 pp. 1-3.

ULisboa€¦ · iii Agradecimentos Serve o seguinte texto para agradecer às várias pessoas que me...

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