ETEP FACULDADES

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA

EM REDES DE COMPUTADORES

WESLLEY RICHARD FORNARI

TECNOLOGIA GPON EM REDES DE FIBRA PTICA

MONOGRAFIA

Jacare

2015

2

ETEP FACULDADES

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA

EM REDES DE COMPUTADORES

WESLLEY RICHARD FORNARI

TECNOLOGIA GPON EM REDES DE FIBRA PTICA

Monografia apresentada ao Curso Superior em

Redes de Computadores da ETEP Faculdades como

parte dos requisitos para a aprovao na disciplina

de Projeto Integrador.

Orientador: Prof. Vitor Machado

Jacare

2015

3

RESUMO

FORNARI, Weslley Richard. Tecnologia GPON em Redes de Fibra ptica. 2015. 51p.

Monografia (Tecnlogo em Redes de Computadores) Programa de Graduao em Tecnologia,

ETEP Faculdades, 2015.

O propsito desta monografia elaborar um estudo da rede passiva GPON. Sero apresentadas

as vantagens desta tecnologia em comparao as redes existentes, como uma das melhores

solues para entrega dos servios de voz, dados e vdeo. Para que esses objetivos sejam

alcanados, sero abordados o conceito de fibra ptica e rede GPON, sua topologia, tcnicas de

multiplexao, seus protocolos, componentes da rede, equipamentos utilizados na implantao

e manuteno, assim como uma anlise terica para validao e aceitao da rede. Alm disso,

ser demonstrado de forma simplificada um estudo de caso na cidade de So Jos dos Campos,

onde a tecnologia foi implantada.

Palavras-chave: GPON. Rede ptica Passiva. OLT, ONU. Servios Triple Play.

4

ABSTRACT

FORNARI, Weslley Richard. GPON technology in fiber-optic networks. 2015. 56p.

Monograph (Technologist in Software) - Graduate Program in Technology, ETEP Colleges,

2015.

The purpose of this thesis is to conduct a study of GPON passive network. They will be

presented the advantages of this technology compared to existing networks, as one of the best

solutions for delivery of voice, data and video. For these objectives to be achieved, GPON will

discuss the concept of fiber optic and network, its topology, multiplexing techniques, its

protocols, network components, equipment used in the implementation and maintenance as well

as a theoretical analysis to validation and acceptance network. It will also be shown in

simplified form a case study in So Jos dos Campos, where the technology was deployed.

Keywords: GPON. Passive Optical Network. OLT, ONU. Triple Play services.

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LISTA DE ILUSTRAES

Figura 4.1 - Insero de luz em uma fibra........................................................................................15

Figura 4.2 - Reflexo da luz......................................................................................................15

Figura 4.3 - Comparao entre tipos de fibras...........................................................................16

Figura 4.4 - Disperso Modal....................................................................................................17

Figura 4.5 - Disperso Cromtica..........................................................................................................17

Figura 5.1 Exemplo de uma rede GPON...............................................................................19

Figura 5.2 Representao dos comprimentos de Onda para Tx e Rx na rede PON...............20

Figura 5.3 - Trfego downstream.......................................................................................................20

Figura 5.4 - Trfego upstream...................................................................................................21

Figura 5.4 Multiplexao do T-CONT..................................................................................24

Figure 5.5: G-PON downstream frame.25

Figure 5.6: Upstream frame and overheads..26

Figura 5.7: Camada do protocolo GTC.....................................................................................27

Figura 6.1 Multiplexao utilizando tecnologia WDM.........................................................28

Figura 6.2 Transmisso TDM................................................................................................29

Figura 6.3 Transmisso TDMA.............................................................................................29

Figura 6.4 Multiplexao de uma Rede GPON.....................................................................30

Figura 7.1 - Topologia em Barra..............................................................................................31

Figura 7.2 Topologia em rvore...........................................................................................32

Figura 7.3 Topologia em Anel...............................................................................................32

Figura 7.4 - Proteo Tipo B.....................................................................................................33

Figura 8.1 OLT......................................................................................................................34

Figura 8.2 ONU / ONT..........................................................................................................35

Figura 8.3 - Divisores pticos................................................................................................35

Figura 8.4 Transmissor ptico de LASER............................................................................36

6

Figura 8.5 Conectores mais comuns......................................................................................38

Figura 9.1 - OTDR em funcionamento..................................................................................39

Figura 9.2 Exemplo de Medio........................................................................................39

Figura 9.3 Multifunction Tester e resultado de testes............................................................40

Figura 9.4 Power Metter e resultado de teste.........................................................................40

Figura 9.5: Kit de limpeza de fibras.......................................................................................41

Figura 10.1 Rede GPON........................................................................................................42

Figura 11.1 Proteo Tipo-B..................................................................................................46

Figura 11.2 Localizao do Ponto Central e dos Armrios de Distribuio..........................47

Figura 11.3 Distribuio da Rede...........................................................................................49

7

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 - Requerimento de banda para servios IP...............................................................13

Tabela 3.2 - Lista de algumas caractersticas e padres de cada PON.....................................14

Tabela 8.1 Perda em divisores pticos balanceados..............................................................36

Tabela 8.2 - Classe de LASERS...............................................................................................37

Tabela 10.2 - Perda de divisores pticos balanceados..............................................................43

Tabela 10.3 - Valores de atenuao por Km de fibras pticas..................................................43

Tabela 10.4 - Valores de perda de retorno por conectores........................................................44

Tabela 10.5 Parmetros GPON..............................................................................................44

8

SUMRIO 1. INTRODUO ............................................................................................................ 10

1.1. MOTIVAO .............................................................................................................. 10

1.2. JUSTIFICATIVA ......................................................................................................... 11

1.3. OBJETIVO ................................................................................................................... 11

1.4. OBJETIVOS ESPECFICOS ........................................................................................ 11

2. METODOLOGIA ......................................................................................................... 12

3. HISTRICO PON ........................................................................................................ 13

4. FIBRAS PTICAS ....................................................................................................... 15

4.1. FIBRA MULTIMODO ................................................................................................. 16

4.2. FIBRA MONOMODO .................................................................................................. 16

4.3. ATENUAO ............................................................................................................. 16

4.4. DISPERSO MODAL ................................................................................................. 17

4.5. DISPERSO CROMTICA ........................................................................................ 17

4.6. ORL .............................................................................................................................. 18

5. GPON ........................................................................................................................... 19

5.1. PROTOCOLOS ............................................................................................................ 22

5.1.1. DBA - DINAMIC BANDWIDTH ALLOCATION ................................................ 23

5.1.2. GEM - MTODO DE ENCAPSULAMENTO GPON ........................................... 23

5.1.3. FORMATO DO QUADRO GPON DOWNSTREAM ........................................... 25

5.1.4. FORMATO DO QUADRO GPON UPSTREAM .................................................. 25

5.1.5. GTC - CONVERGNCIA DE TRANSMISSO GPON ......................................... 26

6. MULTIPLEXAO ..................................................................................................... 28

6.1. WDM ............................................................................................................................ 28

6.2. TDM ............................................................................................................................. 28

6.3. TDMA .......................................................................................................................... 29

7. TOPOLOGIAS ............................................................................................................. 31

7.1. BARRA ........................................................................................................................ 31

7.2. RVORE ..................................................................................................................... 31

7.3. ANEL ........................................................................................................................... 32

8. COMPONENTES DA REDE ....................................................................................... 34

8.1. OLT .............................................................................................................................. 34

8.2. ONU / ONT .................................................................................................................. 35

8.3. SPLITTER .................................................................................................................... 35

8.4. TRANSMISSORES PTICOS ..................................................................................... 36

9

8.5. CONECTORES ............................................................................................................ 38

9. EQUIPAMENTOS PTICOS....................................................................................... 39

9.1. OTDR ........................................................................................................................... 39

9.2. MULTIFUNCTION LOSS TESTER ............................................................................ 40

9.3. POWER METTER ....................................................................................................... 40

9.4. KIT DE LIMPEZA ....................................................................................................... 41

10. ANALISE TERICA DE UMA REDE GPON ............................................................. 42

10.1. PERDA POR DIVISOR PTICO .......................................................................... 43

10.2. PERDA POR FIBRA ............................................................................................. 43

10.3. PERDA POR CONECTOR ................................................................................... 44

10.4. PERDA POR FUSO............................................................................................ 44

10.5. PARAMETROS GPON ......................................................................................... 44

10.6. PERDA TOTAL .................................................................................................... 45

11. ESTUDO DE CASO ..................................................................................................... 46

12. CONSIDERAES FINAIS ........................................................................................ 50

13. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................... 51

10

1. INTRODUO

A atual demanda por banda no mercado faz com que Empresas de Telecomunicaes

desenvolvam novas tecnologias. Porm, algumas dessas tecnologias apresentam mau

planejamento da rede e nos lanamentos de cabos pticos, gerando desperdcio, alm

necessidade de ter uma gama de equipamentos eltricos espalhados pela rede metropolitana,

dificultando a sua manuteno e elevando custos.

Os novos servios disponibilizados no mercado exigem a substituio de algumas dessas

tecnologias, empregando fibras pticas no conceito FTTx, utilizando-se de elementos passivos,

os divisores pticos sem necessidade de alimentao eltrica, numa topologia ponto-

multiponto, a tecnologia GPON une a grande largura de banda disponvel com a alta

disponibilidade dos servios, agregando os servios de voz, dados e vdeos em um nico meio,

so as redes convergentes hoje disponveis no mercado.

1.1. MOTIVAO

A tecnologia GPON uma das melhores solues no mercado, pois atravs de uma

nica porta PON podemos fornecer servios para at 128 clientes sem a necessidade de

equipamento eltricos entre o transmissor e o receptor. Sendo assim, somente com a

necessidade dos armrios pticos de distribuio e os terminais pticos nos clientes,

conseguimos facilitar a manuteno da rede, diminuir custos com equipamentos e lanamento

de fibras com um maior aproveitamento.

A motivao surge pelo fato da tecnologia usar o meio fsico em fibra ptica,

considerada hoje a melhor soluo para fornecer servios de banda larga, links dedicados e

servios agregados, alm de acreditar que existam poucos profissionais qualificados no

mercado e a tecnologia tende a ser predominante no mercado mundial para redes FTTx como

soluo para redes convergentes.

11

1.2. JUSTIFICATIVA

Devido ao constante aumento no consumo de banda, a rede de fibra ptica aliada a

tecnologia GPON vem a sanar essas necessidades e inovar a rede de acesso para entregar os

servios de voz, vdeo e dados de forma eficiente. Um projeto onde visa uma melhor

distribuio e aproveitamento dos cabos pticos.

Demonstrar que podemos agregar mais clientes em menos equipamentos, mostrar as

alternativas da rede e suas solues de baixo custo.

1.3. OBJETIVO

Este trabalho tem como objetivo fazer um estudo sobre redes de fibra ptica FTTH

utilizando tecnologia GPON, seus equipamentos, seu funcionamento, principais caractersticas,

suas vantagens em relao as outras tecnologias existentes, sendo uma das melhores solues

no mercado para entrega de servios agregados em redes metropolitanas.

1.4. OBJETIVOS ESPECFICOS

Descrever de forma bsica o conceito de fibra ptica multimodo e monomodo, os tipos

de multiplexao e suas topologias utilizando GPON, os equipamentos utilizados durante a

implantao: pticos, passivos e de medio. Abordar o conceito de GPON, seus protocolos,

equipamentos e seus fabricantes.

12

2. METODOLOGIA

Os mtodos adotados durante todo processo desta pesquisa sero realizados atravs de

dissertaes, fruns, artigos cientficos, monografias, sites de internet e manuais das fabricantes

sobre a tecnologia GPON, onde sero abordados os elementos de uma rede ptica FTTH

baseado em GPON. No sero abordadas outras arquiteturas FTTx.

Um estudo de caso baseado no projeto executado na cidade de So Jos dos Campos,

material cedido pela prestadora de servios que por questes de confidencialidade, no sero

descritas as configuraes dos equipamentos.

13

3. HISTRICO PON

Com a popularizao da internet nos anos 90, a crescente demanda por banda, devido

ao crescimento da utilizao dos servios de dados, voz, jogos online, trafego P2P, VoD entre

outras aplicaes conforme (Tabela 3.1), motivou as empresas de telecomunicaes a

desenvolver tecnologias de rede de acesso banda larga cada vez mais eficientes para os usurios,

como por exemplo xDSL.

Tabela 3.1 - Requerimento de banda para servios IP

APLICAO BANDA

Vdeo (HDTV) 15Mbps

Voz 64Kbps

Fonte: Lam, 2007

O rpido crescimento dos servios, aumentaram a oportunidade de negcios. Isso fez

que as empresas desenvolvessem novas tecnologias para fornecimento dos servios, o que traria

um aumento das receitas, porem tinham que criar algo que fosse com um custo que viabilizasse

o negcio, neste perodo foram criadas as redes HFC, sistema hibrido de cabo coaxial e fibra.

Essas redes apesar de eficientes geram um alto custo de implantao e manuteno, pelo

fato de existir uma gama de equipamentos eltricos nos postes, entre o cliente e o centro de

distribuio, dificultando a manuteno e aumentando o custo.

Com a criao da rede de dados convergentes, que no somente prove transporte de

dados, mas tambm fornecimento de voz e vdeo (triple play), o qual definimos como a

integrao de todos os servios, fez com que em 1995, um grupo de sete operadoras de

telecomunicaes cria-se a FSAN, como o objetivo de criar padres e normas para os servios

de acesso ptico.

Estas recomendaes tinham como foco criar um modelo econmico de grande escala e

Vdeo (SDTV) 3.5Mbps

Vdeo games 10Mbps

Peer-to-peer download 100 Kbps 100Mbps

14

baratear o custo das redes FTTx e facilitar sua manuteno. Em 1998, os primeiros padres

foram adotados pela ITU, dando origem a recomendao ITU-T G.982. Em 1999, a ITU-T

aprovou as novas especificaes como o sistema PON 155 Mbits/s, recomendao ITU-T

G.983, o APON ou ATM-PON, por ser baseado em modo de transferncia assncrona.

Melhorias nesta tecnologia criaram BPON ou Banda Larga PON, com a capacidade de

prove 622 Mbits/s de downstream e 155Mbps/s de upstream.

Enquanto a FSAN e ITU-T foram melhorando o BPON, a ETHERNET foi ganhando

popularidade, tanto que em 2001, a IEEE (Instituto de Engenheiros de Eletrnica e Eltrica)

criou o padro IEEE 802.3ah, onde surgiu o EPON ou Ethernet PON, com taxas de 1Gbit/s

simtrica. O trabalho foi finalizado em 2004 sendo a primeira verso do padro a transportar os

dados no meio ptico em OLT e ONU. Este ganhou popularidade em pases como Coreia e

Japo, sendo escolhida como o padro que se propagou em larga escala do servio FTTH.

Durante este perodo, a ITU-T e a FSAN estavam trabalhando para desenvolver a nova

gerao PON, chamado de GPON ou Gigabit PON, com velocidades de 2.5 Gbits/s de

downstream e 1.25 Gbits/s de upstream, este estudo culminou o padro ITU-T G.984, projeto

finalizado em 2007.

Em 2008, a Verizon Communications j havia instalado mais de 800000 linhas GPON

nos EUA e pases da Europa, e hoje a tecnologia GPON vista como uma das melhores

solues do mercado para entrega de servios triple play das redes convergentes. A tabela 3.2

faz a comparao entre as tecnologias PON:

Tabela 3.2: Lista de algumas caractersticas e padres de cada PON

Caractersticas APON BPON EPON GPON

Recomendaes ITU-T G.983 ITU-T G.983 IEEE 802.3ah ITU-T G.984

Protocolo ATM ATM Ethernet Ethernet, TDM

Velocidade de

Transmisso

155 Upstream

155

Downstream

155 Upstream

622

Downstream

1244 Upstream

1244

Downstream

1244 Upstream

2488

Downstream

Distncia (km) 20 20 10 20 - 60

Divisores pticos

16 32 16 / 32 64

Fonte: Teleco, 2008

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4. FIBRAS PTICAS

Uma fibra ptica uma longa estrutura cilndrica, formada por um material dieltrico

(slica ou plstico) em duas camadas, o ncleo e a casca, com ndices de refrao diferentes,

permitindo a propagao da luz por reflexes consecutivas. As principais vantagens da

transmisso de informao utilizando fibras pticas so:

Capacidade de transportar grandes quantidades de informao;

Baixa atenuao, imunidade interferncia eletromagntica;

O sinal pode ser transmitido por longas distncias sem necessitar ser regenerado;

Cabo de fibra ptico mais leve e menor que cabos metlicos;

Vida-til de mais de 25 anos;

Figura 4.1 - Insero de luz em uma fibra. Fonte: JSDU, 2011.

Quando a luz entra na fibra ela sofre o efeito da reflexo total e transmitida at a

outra extremidade da fibra atravs de mltiplas reflexes (Figura 3).

Figura 4.2 - Reflexo da luz. Fonte: JSDU, 2011.

16

4.1. FIBRA MULTIMODO

Com um maior dimetro do ncleo, facilita o acoplamento de fontes luminosas,

necessitando de pouca preciso nos conectores. utilizada para curtas distncias.

4.2. FIBRA MONOMODO

Por possuir uma menor dimenso de ncleo, a luz sofre menor disperso, alcanando

distncias maiores de transmisso. Normalmente utilizado um laser como fonte de gerao de

sinal (Figura 4.3).

Figura 4.3 - Comparao entre tipos de fibras. Fonte: Rodriguez, 20112.

Dentro da transmisso em fibra tica, existem alguns aspectos que devem ser levados

em conta: Atenuao, Disperso e Perda por Reflexo (ORL).

4.3. ATENUAO

Ao atravessar a fibra, o nvel de potncia cai conforme a distncia. Essa perda expressa

em dB/km. A atenuao causada por vrios fatores: o primeiro devido a impurezas no

material da fibra, a luz absorvida e sua energia convertida em calor; outro fato importante a

Disperso, causada pela incidncia da luz nas impurezas do material onde ela est se

propagando. Essa disperso varia conforme o comprimento de onda da luz transmitida.

17

4.4. DISPERSO MODAL

Ocorre principalmente em fibras multimodos, onde o sinal acaba sofrendo diferentes

atrasos devido a ter percorrido diferentes caminhos pticos (Figura 4.4).

Figura 4.4 - Disperso Modal. Fonte: JDSU, 2011.

4.5. DISPERSO CROMTICA

Ocorre principalmente em fibras monomodo, o atraso diferencial que as vrias

componentes espectrais do sinal sofrem (Figura 4.5).

Figura 4.5 - Disperso Cromtica. Fonte: JDSU, 2011

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4.6. ORL

a perda de potncia resultante da reflexo causada por descontinuidade numa fibra

ptica, causada por conectores, terminaes, equipamentos ou descontinuidades na prpria

fibra. Ocorre devido descontinuidade no ndice de refrao, por exemplo, nas interfaces ar-

vidro, onde ocorre a reflexo do sinal. Esse fenmeno conhecido como Reflexo de Fresnel.

O valor de ORL medido em dB, quanto maior o valor de ORL, menor a potncia refletida,

o que uma caracterstica de bons acoplamentos. Grandes reflexes podem causar:

Aumento do rudo de transmisso, piorando o SNR (relao sinal-rudo) e

Aumentando o BER (erros por bits).

Aumento da interferncia na fonte de luz, influenciando na potncia e at mesmo no

comprimento de onda.

Danos no transmissor.

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5. GPON

uma tecnologia de camada de acesso baseada na norma ITU-T G.984 que utiliza

dispositivos passivos para transportar a informao entre o transmissor e o receptor sem a

necessidade de equipamentos eltricos nos postes. O princpio compartilhar uma porta PON

da OLT (Central de Linha ptica) atravs de uma fibra alimentadora para vrias unidades de

rede ptica (ONU), com o menor custo possvel, no caso, para at 128 clientes (Figura 5.1).

Figura 5.1 Exemplo de uma rede GPON Fonte: PadTech, 2010.

Esta tecnologia trabalha com taxas de transmisso de 2.5 Gbits/s para downstream com

comprimento de onda de 1490nm e taxas de 1.25 Gbits/s para upstream em comprimentos de

1390nm. Para vdeo trabalha em um comprimento de onda reservado em 1550nm, seu alcance

mximo entre transmissor e receptor de 60km, e para o funcionamento do protocolo GTC a

distncia entre ONUs de 20km.

O fluxo das informaes feito utilizando-se da tecnologia WDM para que a

informaes seja feita de forma bidirecional. Os elementos passivos so utilizados ao longo do

enlace como os acopladores WDM e Splitters. (Figura 5.2).

20

Figura 5.2 Representao dos comprimentos de Onda para Tx e Rx na rede PON

Fonte: Huawei, 2009.

O trfego downstream transmitido atravs de TDM em modo broadcasting, a OLT

transmite as informaes para todas as unidades de rede ptica (ONU), ou seja, a informao

chega para todos os usurios, por isso ela utiliza a criptografia do tipo AES de 128 bits para

manter a privacidade das informaes (Figura 5.3).

Figura 5.3 - Trfego downstream Fonte: Alcatel, 2011.

O trfego downstream recebido por todas as ONUs. A ONU filtra os dados

descartando aqueles que no so destinados a ela.

J no sentido de upstream, o mtodo utilizado o TDMA (Figura 5.4).

21

Figura 5.4 - Trfego upstream. Fonte: Alcatel, 2011.

O OLT controla o espao de tempo de acesso de cada ONU, evitando colises de

pacotes.

22

5.1. PROTOCOLOS

O protocolo GPON dotado de alguns elementos chave para que possa ocorrer a

transmisso e recepo dos dados corretamente. Isso necessrio, devido principalmente

natureza ponto-multiponto das arquiteturas e topologias empregadas nessa tecnologia. Esses

elementos so listados a seguir:

ONU-ID: um identificador de 8 bits que cada ONU recebe da OLT durante a ativao

da ONU. O ONU-ID uma sequncia nica que no se repete em nenhuma ONU ligada

mesma OLT.

ALLOC_ID: um nmero de 12 bits que a OLT designa para a ONU para identificar

uma entidade portadora de trfego que receptora de alocaes de largura de banda no

sentido upstream (ONU para OLT) dentro da mesma ONU. Cada ONU recebe um

ALLOC_ID padro, que igual ao ONU-ID daquela ONU.

T-CONT: um objeto da ONU que representa um grupo de conexes lgicas que

serve para atribuio da largura de banda e transmisso no sentido upstream. Para uma

determinada ONU, o nmero de T-CONTs fixo, e a ONU cria automaticamente o

nmero de T-CONTs necessrios durante sua ativao (dependendo dos servios conectados

s suas portas). Os T-CONTs podem tambm ser criados manualmente na configurao da

ONU. A OLT descobre automaticamente a quantidade de T-CONTs em cada ONU.

Para ativar um T-CONT que carregar o trfego da ONU para a OLT, necessrio que

a OLT estabelea uma tabela ligando o T-CONT e o ALLOC_ID de cada ONU. Cada

ALLOC_ID pode ser associado com um nico T-CONT. H cinco tipos de T-CONTs, que

so:

Tipo 1: Largura de banda fixa, utilizado para servios sensveis ao atraso, como VoIP.

Tipo 2 e 3: Largura de banda garantida, usado para vdeo chamadas e servios de

Dados de alta prioridade, como jogos e aplicativos de interao.

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Tipo 4: do tipo melhor esforo (Best-Effort), utilizado para servios de internet e

Baixa prioridade, que no requerem alta largura de banda.

Tipo 5: misturado, suportando vrias larguras de banda e diversas aplicaes.

5.1.1. DBA - DINAMIC BANDWIDTH ALLOCATION

A OLT responsvel por alocar a largura de banda entre as ONUs. Como a rede de

acesso dividida, o trfego entre as ONUs poderia colidir ao chegar OLT. Alm disso, todas

as ONUs ficam a distncias diferentes da OLT, e cada uma tem um tempo de atraso nico. A

OLT registra todos esses detalhes, e envia uma mensagem a cada uma das ONUs via

PLOAM, e faz a equalizao do tempo de atraso de cada uma das ONUs. Esse processo

chamado Ranging. Uma vez registrado o atraso da ONU, a OLT transmite uma

autorizao de transmisso em uma janela especfica de tempo denominada grants, para

cada ONU. Esse mapeamento feito constantemente com intervalo de milisegundos, para

que cada ONU receba a largura de banda necessria, de acordo com suas necessidades.

A metodologia DBA permite que a largura de banda de cada ONU cresa ou

encolha baseada no trfego e na demanda upstream do momento. As funes do DBA so

aplicadas nos T-CONTs, que so timeslots no sentido upstream. A maioria das ONUs possui

mais de um T-CONT, cada um com sua prioridade ou classe de trfego, e cada um

corresponde a um timeslot.

5.1.2. GEM - MTODO DE ENCAPSULAMENTO GPON

Este mtodo de encapsulamento destinado ao transporte de circuito e comutao de

pacotes de dados em r e d e s G-PON. Os quadros de G-PON podem levar tambm trfego

ATM, o T-CONT suporta cinco classes de prioridade e atualizado para suportar

multiplexao com ATM e o servio GEM. Uma ONU pode suportar um ou ambos regimes

de servio de multiplexao e um tipo T-CONT deve ser atribudo a cada sistema de

multiplexao e classe de prioridade (Figura 5.4).

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Figura 5.4 Multiplexao do T-CONT. Fonte: Transport Concept, 2008.

Os dados so encapsulados para serem distribudos pela rede. O GEM baseado no

protocolo GFP - Protocolo Genrico baseado em Frame, este usado para interoperabilidade

com redes SONET/ SDH com algumas pequenas alteraes para torn-lo mais otimizado

topologia GPON. Ele prov um mecanismo genrico adaptativo para trfego com uma maior

variedade de servios na rede. Uma vez que o GEM fornece um mecanismo genrico para o

transporte de diferentes servios de maneira simples e eficiente atravs de uma rede de

transportes sncrona, ele roda em cima do protocolo GTC Convergncia de Transmisso

GPON, de forma transparente utilizando o padro estrutural do SONET 8 kHz (125 s),

permitindo o suporte a servios TDM.

O GEM suporta o transporte nativo de voz, vdeo, e dados sem a adio de

camadas de encapsulamento ATM e IP. No sentido downstream, os quadros so transmitidos

da OLT para as ONUs utilizando a parte da carga til do GEM. A OLT pode atribuir toda a

durao necessria no sentido downstream, at preencher quase todo o quadro downstream.

A subcamada do quadro da ONU filtra os quadros recebidos com base no Port-ID (Port

Identifier), e os entrega adequadamente ao cliente GEM da ONU.

No sentido upstream, os quadros so transmitidos das ONUs para a OLT utilizando a

atribuio de tempo GEM configurada. A ONU armazena na memria os quadros GEM

conforme eles chegam, e os transmite em rajadas, durante os tempos atribudos para eles, pela

OLT, ela recebe os quadros e os multiplexa junto com as rajadas provenientes das outras

ONUs, repassando-os ao cliente GEM da OLT.

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5.1.3. FORMATO DO QUADRO GPON DOWNSTREAM

Um quadro GPON tem a durao de 125us e tem 38880 bytes, o que corresponde a

uma taxa de 2.48832 Gbps. A Figura 5.5 mostra o quadro de downstream em detalhe:

Figure 5.5: G-PON downstream frame. Fonte: Transports Concepts, 2008.

5.1.4. FORMATO DO QUADRO GPON UPSTREAM

Cada quadro upstream contm um nmero de bursts de transmisso provenientes de

uma ou mais ONUs. Cada burst contm uma sesso de PLOu cabealho de camada fsica e

uma sesso com um ou mais intervalos de alocao de banda associados com ALLOC_IDs. O

mapa da OLT quem organiza o arranjo dos quadros em cada burst, e a alocao de intervalo

entre os bursts, conforme a Figura 5.6.

26

Figure 5.6: Upstream frame and overheads. Fonte: Transports Concepts, 2008.

5.1.5. GTC - CONVERGNCIA DE TRANSMISSO GPON

A Recomendao ITU-T G.984.3 descreve a quadro TC como sendo o equivalente a

camada de enlace de dados do modelo OSI. Ela especifica o formato do frame GPON, o

protocolo de controle de acesso ao meio, processos OAM e o mtodo de criptografia das

informaes.

A Figura 5.7 mostra a estrutura de quadro do GTC nas direes downstream e

upstream. No sentido downstream o quadro GTC consiste no Physical Control Block

downstream, e na sesso de payload, alm de fornecer a referncia de tempo para o GPON e

o controle de sinalizao upstream.

No sentido upstream, contm vrios bursts de transmisso, e cada um composto

pelo Physical Layer Overhead upstream (PLCu) e um ou mais intervalos de alocao de

banda, relacionados com um ALLOC_ID especfico.

27

Figura 5.7: Camada do protocolo GTC. Fonte: Transports Concepts, 2008.

28

6. MULTIPLEXAO

O conceito de multiplexao nada mais que, a capacidade de transmitir uma variedade

de sinais (informao), em um nico meio de transmisso (fibra). A tecnologia abordada neste

estudo adota trs tipos de multiplexao: WDM Multiplexao por comprimento de onda,

TDM Multiplexao por diviso de tempo e TDMA Diviso de tempo com mltiplos

acessos.

6.1. WDM

Tecnologia capaz de multiplexar vrios sinais em comprimento de ondas diferentes,

formando canais de cores distintas em uma nica fibra. A tecnologia utiliza multiplexao

ptica para compartilhar diversos sinais de diferente comprimento de ondas, denominados

canais de cores. (Figura 6.1).

Figura 6.1 Multiplexao utilizando tecnologia WDM. Fonte: Huawei, 2009.

6.2. TDM

Mtodo de multiplexao onde vrios sinais trafegam em um nico canal, dado que para

cada sinal determinado um intervalo de tempo, denominados Time-Slot, fixo para cada um na

transmisso de um grupo de bits. A transferncia feita de forma sncrona onde os sinais dos

dados so emitidos em intervalos precisos que so regulados pelo clock da OLT, todos os slots

de tempo so de igual tamanho. O primeiro byte do primeiro sinal passa primeiro em um

intervalo de tempo, em seguida, o primeiro byte do segundo sinal vai em segundo noutro

intervalo de tempo. O processo continua at que todos os dados tenham sido transmitidos

(Figura 6.2).

29

Figura 6.2 Transmisso TDM. Fonte: INFOCELLAR, 2011.

6.3. TDMA

o inverso do TDM, a transmisso feita de vrios transmissores para um nico

receptor. A OLT reserva um intervalo de tempo para cada cliente transmitir as informaes,

evitando a coliso dos pacotes recebidos (Figura 6.3).

Figura 6.3 Transmisso TDMA. Fonte: INFOCELLAR, 2011.

30

Na Figura 6.4, exemplo de uma rede GPON utilizando multiplexao WDM para

comunicao bidirecional, e TDM / TDMA para transmitir informao entre a OLT e as ONUs:

Figura 6.4 Multiplexao de uma Rede GPON. Fonte: FIBERSTORE, 2010.

31

7. TOPOLOGIAS

Existem trs topologias comuns, utilizadas para redes PON, conhecidas como:

anel, rvore e barramento. A proposta ideal para a diviso de potncia inclui a busca

pela melhor eficincia na distribuio da largura de banda entre OLT e ONUs e a reduo

dos gastos com instalao de novas fibras. Todas as transmisses dentro de uma rede GPON

so realizadas entre a OLT e as ONUs.

7.1. BARRA

A Topologia prov uma conectividade ponto-multiponto entre OLT e ONU, mas

qualquer falha no enlace principal causa a desconexo dos usurios (Figura 7.1).

Figura 7.1 - Topologia em Barra. Fonte: OLIVEIRA, 2010

7.2. RVORE

A topologia uma arquitetura ponto-multiponto que oferece a vantagem de

infraestrutura compartilhada entre todos os usurios, possuindo assim uma importante reduo

nos custos de implementao e manuteno na rede de acesso. a topologia mais utilizada

em redes de acesso e utiliza uma nica fibra da OLT a um ponto de diviso intermedirio

(Splitter). A partir deste ponto de separao, h uma fibra para cada ONU. A principal

vantagem da topologia em rvore que a diviso se concentra em um nico ponto, tornando

mais simples a deteco de algum problema na rede (Figura 7.2).

32

Figura 7.2 Topologia em rvore. Fonte: OLIVEIRA, 2010

7.3. ANEL

A topologia utilizada principalmente em redes metropolitanas porque ela oferece

uma alta capacidade com um nmero mnimo de enlaces. Como existem dois caminhos

possveis para transmisso de dados pela OLT, ainda ser possvel mant-la funcionando

caso uma das fibras seja interrompida. Entretanto, ser necessrio o uso de duas fibras capazes

de enviar e receber sinais nos dois sentidos do anel (Figura 7.3).

Figura 7.3 Topologia em Anel. Fonte: OLIVEIRA, 2010.

33

A Topologia em Anel oferece a vantagem ponto-multiponto da OLT para a ONU,

permitindo facilmente a implementao de mecanismos de proteo (Figura 7.4), enlace com

redundncia.

Figura 7.4 - Proteo Tipo B. Fonte: ITU-T, 2003.

A segunda configurao possvel tambm duplica as fibras at o Divisor ptico,

porm o hardware do lado da OLT tambm duplicado. Desta forma, duas portas PON

em placas de linha diferentes so responsveis por iluminar um nico divisor ptico 2xN.

No caso de alguma falha na rede ptica entre a OLT e o Divisor ptico, a OLT (LT(0))

identifica esta falha e comuta automaticamente para a outra porta protegida (LT(1)).

34

8. COMPONENTES DA REDE

Uma rede ptica passiva composta por trs elementos principais: A Central de Linha

ptica (OLT) o equipamento localizado no armrio ptico da empresa de telecomunicaes.

J a Unidade de Rede ptica (ONU ou ONT), o equipamento instalado no cliente, e o

Splitter o elemento passivo que inserido na rede de acesso ptico, entre a OLT e ONU e

que permite que mais de um usurio utilize a rede de distribuio primria de forma

compartilhada.

8.1. OLT

Esse equipamento possui as funes de efetuar a conexo dos usurios das redes de acesso

rede de transporte, transmitir os dados no sentido operadora-usurio, para todos os usurios

conectados na rede, gerenciar a comunicao de dados no sentido usurios-central, controlar

a largura de banda alocada para cada usurio e caso seja necessrio, controlar a alocao

dinmica de largura de banda. Alm disso, responsvel por processar os sinais GPON,

realizar a sincronia entre as ONUs, e realizar as verificaes de segurana.

Possui interfaces para comunicao com switches em direo ao core da rede, e interfaces

pticas GPON para comunicao com os assinantes (Figura 8.1).

Figura 8.1 OLT Fonte: Alcatel, 2011.

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8.2. ONU / ONT

Uma ONU usada para encerrar o circuito no interior de um cenrio FTTH, situado nas

instalaes do cliente, servindo de interface entre a fibra ptica e o cobre (Figura 8.2).

Figura 8.2 ONU / ONT Fonte: Alcatel, 2011.

8.3. SPLITTER

O elemento passivo a ser inserido em uma rede PON o Splitter. Sua principal funo efetuar

a diviso do sinal ptico recebido do OLT para todos os equipamentos de usurios alocados

na rede, as ONUs.

Figura 8.3 - Divisores pticos. Fonte: Furukawa, 2008.

O Divisor ptico Passivo situa-se no circuito local, entre o OLT e a ONU. O Splitter divide

o sinal de downstream, que parte do OLT, em vrios outros sinais. Splitters pticos

normalmente so desenvolvidos utilizando mltiplos divisores de potncia cascateados

na razo 1:2, onde o sinal de entrada dividido em duas sadas, introduzindo assim uma

perda de diviso de 3,0dB por derivao.

36

Desta forma, podemos calcular a tabela de perda terica em funo do nmero de divises:

8.4. TRANSMISSORES PTICOS

O transmissor ptico composto por um dispositivo emissor de luz, um modulador e um

acoplador. O dispositivo emissor de luz o responsvel pela tarefa de converso eletro-ptica

dos sinais. A capacidade de transmisso assim como a potncia a sua principal funo, sendo

que os com LASERS geralmente so superiores aos de LEDs (Figura 8.4).

Figura 8.4 Transmissor ptico de LASER Fonte: Alcatel, 2012.

37

Para operar em taxas de Gigabit/s e ainda cobrir a rea total da rede, os lasers utilizados

devem ser mais sensveis e potentes. Com a evoluo dos lasers, maiores distncias puderam

ser alcanadas (Tabela 8.2).

Esta informao importante para realizar o projeto da rede GPON. Os fatores que devem

ser levados em conta:

1. Distncia mxima de fibra entre OLT e ONU.

2. Divises ticas necessrias.

3. Tipo de laser que ser utilizado.

Com a primeira informao, a distncia mxima entre OLT e ONU, podemos saber a perda de

potncia que teremos neste trecho. Com o restante da potncia, podemos balancear a escolha

do Divisor ptico que ser utilizado e o tipo de laser.

Na norma GPON, o nvel mximo de divises que podem ser feitas de 128. Supondo o cenrio

de queremos atender 64 clientes por porta PON (perda terica de 18dB e real de 21,3dB),

utilizando um laser Classe B+ (oramento de potncia de 28dB), temos: 28dB 21,3dB =

6,7dB. Considerando uma perda de 0,4dB/km na fibra ptica, temos: 6,7dB/0,4dB/km =

16,75km.

Desta forma, ao usar um laser Classe B+ com um Divisor ptico Balanceado de 64 divises,

nossa distncia mxima entre OLT e ONU de 16,85km.

38

8.5. CONECTORES

Para cada tipo de fibra, h um tipo de transmissor / receptor e um tipo de conector, conforme

(Figura 8.5), os conectores mais utilizados em redes GPON:

Figura 8.5 Conectores mais comuns.

39

9. EQUIPAMENTOS PTICOS

Os equipamentos estudados para medies e manuteno so descritos a seguir.

9.1. OTDR

Utilizado para construo e verificao da rede tica. Utilizado principalmente

na fase construtiva e na manuteno para identificao de rompimentos, atenuaes e

reflexes.

Figura 9.1 - OTDR em funcionamento. Fonte: EXFO, 2011.

O resultado do OTDR deve ser analisado caso a caso, identificando o

comprimento total do enlace, a perda no enlace, nos conectores, nas fuses e divisores

pticos, caracterizando e validando todo o enlace. A figura abaixo explica como entender o

trao exibido pelo OTDR (Figura 9.2).

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9.2. MULTIFUNCTION LOSS TESTER

Utilizado para certificao de links de fibra ptica. Para o teste, necessrio que

tenhamos um equipamento na ponta A e outro na ponta B do trecho a ser testado. Os

resultados da medio so exibidos diretamente na tela do equipamento. A facilidade de uso

que ambos os equipamentos mostram o resultado A->B, B->A e a mdia destes valores,

com cores indicando se o valor est fora do Threshold definido (Figura 9.3).

FIGURA 9.3 Multifunction Tester e resultado de testes.

9.3. POWER METTER

Utilizado para verificar nveis de potncia nos comprimentos de onda utilizados na

rede GPON: 1310nm, 1490nm e 1550nm.

Na Figura 9.4, temos uma medio realizada do lado do cliente. Recebemos

2.7dBm da ONU, -27,6dBm da OLT, e para o comprimento de 1550nm, para operaes

de vdeo, como no possumos este servio na rede, apresenta o valor LO.

Figura 9.4 Power Metter e resultado de teste.

41

9.4. KIT DE LIMPEZA

O procedimento de limpeza de conectores extremamente importante e deve ser

o primeiro ponto a ser validado antes de qualquer certificao. O procedimento de

limpeza de fibras deve ser feito antes de qualquer conectorizao de equipamentos.

O kit de limpeza de fibras contm equipamentos necessrios para a limpeza dos

conectores e cordes (Figura 9.5).

Figura 9.5: Kit de limpeza de fibras. Fonte: EXFO, 2011

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10. ANALISE TERICA DE UMA REDE GPON

A anlise da qualidade do sinal ptico feita levando em conta a perda de potncia de

diversos elementos que formam a rede ptica:

Conectores;

Cordes internos;

Atenuadores;

Divisores pticos;

Fibras e cabos externos (fuses, emendas, etc).

Com base nos valores de potncia medidos em cada extremidade e nos valores

padres de fbrica dos elementos que compem a rede, podemos calcular o valor da atenuao

por km de cada trecho de comunicao entre POP e Cliente, seja qual for a tecnologia

(Figura 10.1).

Figura 10.1 Rede GPON.

O valor calculado com base na seguinte frmula:

Os valores de P_OLT, P_ONU/CLIENTE, so mensurados atravs de equipamentos de

medies pticas (OTDR e Power Meter). O valor D obtido atravs do OTDR ou conforme

o projeto da rede.

Os valores de P_SPLITTER, P_CONECTORES e P_ATENUADORES so baseados nos valores

informados pelos fabricantes.

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10.1. PERDA POR DIVISOR PTICO

A atenuao de cada Divisor ptico funo do nvel de divises que este executa, a cada

diviso por 2, a potncia em dB diminui em 3. Desta forma, podemos consultar o datasheet

fornecido pelo fabricante para conferir a perda mxima aceitvel (Tabela 10.2).

10.2. PERDA POR FIBRA

A atenuao nas fibras varia conforme o comprimento de onda e os valores so

informados por km (Tabela 10.3).

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10.3. PERDA POR CONECTOR

Devido aos conectores, alm da perda por insero, devemos nos atentar a perda

de retorno / reflexo devido troca de meios e angulao do conector (Tabela 10.4).

10.4. PERDA POR FUSO

A valor mximo aceito por fuso de 0,1dB.

10.5. PARAMETROS GPON

Abaixo os parmetros GPON que devem ser considerados para projeto e validao dos links

(Tabela 10.5).

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10.6. PERDA TOTAL

Todo valor superior a 0,4dB/km um indicativo de problema e no deve ser aceito.

Para clculo do valor terico deve ser considerado 0,3dB/km como perda da fibra e mais 0,1dB

por fuso.

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11. ESTUDO DE CASO

O estudo de caso foi baseado na aplicao da tecnologia GPON em uma rede

metropolitana na cidade de So Jos dos Campos, que por questes de confidencialidade, no

sero descritos detalhes da rede, assim como os equipamentos utilizados e suas configuraes.

O seguinte projeto foi todo idealizado pela HORIZONS TELECOMUNICAES

E TECNOLOGIA, que uma empresa de servios de comunicao multimdia com sede em

Curitiba que prove servios aos clientes comercias em uma rede constituda de 100% fibra

ptica provendo servios de altssima qualidade, e de tecnologia de ponta para atendimento aos

usurios.

O projeto inicial foi para prover acesso de internet e dados a prefeitura de So Jos dos

Campos, somando um total de 319 unidades, 541 cmeras do COI e 70 Semforos inteligentes

espalhados pela cidade. Interligando-as atravs de uma nica rede ptica, aumentando a

velocidade de trfego e diminuindo drasticamente o custo da prefeitura que utiliza de links

privativos da TELEFONICA com velocidades de 256, 512Kbps e 1 Mega.

A arquitetura escolhida para o projeto da rede foi a FTTH associado a tecnologia GPON,

por ser a mais utilizada e por ter a melhor relao custo benefcio.

Pela rede ptica ser essencialmente area, ela est susceptvel a danos causados

por acidentes de trnsito, caminhes com carga alta que enroscam nos fios, vandalismo,

danos causados por meios naturais, etc. Desta forma, para garantir um melhor atendimento,

toda a rede GPON utilizou-se da proteo do Tipo-B citada nesta monografia, como

mostra a Figura 11.1, oferecendo um melhor SLA ao cliente e menor tempo para manuteno.

47

Esta topologia muito pouco usada em outras redes GPON, pois necessita do dobro

de portas para atender a mesma quantidade de clientes, alm disso, o tamanho do anel

entre a OLT e o Divisor ptico acrescenta dificuldades por conta de sua assimetria nas

distncias.

Todos os detalhes do projeto, desde a topologia da rede at os materiais utilizados,

devem levar em considerao, alm dos custos, os tempos envolvidos para a instalao,

manuteno e operao desta rede. Esta rede deve proporcionar uma reduo significativa

dos custos operacionais em relao rede de cabo metlico, j que redes GPON no contm

elementos ativos.

A definio da area geogrfica foi elaborada de forma minuciosa, pois consiste em

determinar a melhor localizao do Ponto Central e os Armrios de Distribuio Optica,

como mostra a Figura 11.2, levando-se em considerao tanto os aspectos econmicos

envolvidos na implantao da rede em relao central, e os aspectos tcnicos.

Figura 11.2 - Localizao do Ponto Central e dos Armrios de Distribuio da Rede.

POP Ponto Central da Rede. AOD Armrio de Distribuio ptica.

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A rede ptica foi constituda de cabos pticos de 24, 36 e 72 fibras, primrio e

secundrio, caixas de emenda onde so alocados os Splitters. Sua funo na Rede GPON

permitir que os dados oriundos de vrios usurios possam ser trafegados em uma nica fibra

ptica. Para isso, os splitters desempenham um papel importante, multiplexando os sinais

entre a OLT e os ONTs.

Para uma maior qualidade da rede foi utilizado a topologia do tipo ANEL, sendo

divididos em anis de CORE entre o Ponto Central e os Armrios de Distribuio, e anis

secundrios em cada ponto de distribuio para atender todas as regies da Cidade de So Jos

dos Campos.

Foram utilizados 890km de cabos pticos distribudos por toda a cidade, divisores

pticos de 2:4 no primeiro nvel da rede e divisores de 2:8 e 2:16 no segundo nvel, sendo

possvel uma distribuio para at 128 ONUs em uma fibra na OLT.

Nas unidades foram utilizados de cabos Drops contendo 4 fibras, com distncia mxima

de 1000 metros at a rede secundaria, onde so feitas as fuses, utilizando equipamentos

apropriados.

A Figura 11.3 demonstra a Rede Secundaria, os Drops e as Unidade e Cmeras

distribudas pela cidade de So Jos dos Campos.

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Figura 11.3 Distribuio da Rede.

Com a tecnologia GPON implantada na cidade, so ofertados links dedicados de

5Mbps at 500Mbps, por opo da operadora, velocidades acima de 500Mb devem ser

feitas em rede ponto--ponto, garantindo assim banda garantida para crescimento da rede.

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12. CONSIDERAES FINAIS

A tecnologia GPON aparece como uma grande opo no mercado como soluo em

redes metropolitanas, fornecendo os servios de voz, dados e vdeo em um nico meio. Sua

tecnologia diferenciada, distribuindo servios uma grande gama de clientes atravs de apenas

uma porta fsica e no se utilizando de elementos eltricos entre os armrios de distribuio e

os clientes, barateando o custo da rede e simplificando sua manuteno.

A tecnologia majoritria em pases de primeiro mundo e uma realidade no mercado

brasileiro, adotado por empresas como GVT, TIM e Vivo Fibra.

51

13. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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Sul de Santa Catarina UNISUL. Publicado em 2011. Disponvel: <

Http://busca.unisul.br/pdf/105267_Leonardo.pdf >.

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projeto de redes GPON. Universidade de So Carlos UFSCAR. Publicado em 2011.

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LOEPPER, Luiz Gustavo Villela. GPON: uma abordagem prtica. 2013. Trabalho de

Concluso de Curso (Especializao) Universidade Tecnolgica Federal do Paran,

Curitiba, 2013. Disponvel em: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3243