Rede Óptica Passiva (PON)

Passive Optical Network Components and Devices

A fibra óptica e os divisores são os blocos de construção verdadeiramente “passivos” da PON, sem necessidade de energia elétrica. Os divisores ópticos não são seletivos de comprimento de onda e simplesmente dividem qualquer comprimento de onda óptica na direção a jusante, é claro que a divisão de um sinal óptico incorre em uma perda de energia que depende do número de maneiras que um sinal é dividido. Os divisores não necessitam de refrigeração ou outra manutenção contínua inerente aos componentes ativos da rede (tais como amplificadores ópticos) e podem durar décadas se não forem perturbados. Além dos componentes passivos, são necessários dispositivos finais ativos para criar totalmente a rede PON.

O terminal de linha óptica (OLT) é o ponto de partida para a rede óptica passiva. Ele é conectado a um switch principal através de pluggables Ethernet. A função principal do OLT é converter, enquadrar e transmitir sinais para a rede PON e coordenar a multiplexação do terminal de rede óptica (ONT) para a transmissão a montante partilhada. Você também pode ver os dispositivos do usuário final referidos como unidade de rede óptica (ONU), isto é simplesmente uma diferença na terminologia entre os dois principais órgãos de normas, a ITU-T que usam ONT e o IEEE que usam ONU, os dois termos são efetivamente intercambiáveis, mas dependem do serviço e do padrão PON sendo utilizado (ver abaixo).

O ONT é o dispositivo alimentado do sistema de rede óptica passiva na extremidade oposta (do usuário) da rede e inclui portas Ethernet para em dispositivo doméstico ou conectividade de rede.

Arquitetura de rede óptica passiva

As redes PON adotam uma arquitetura ponto-multiponto (P2MP) que utiliza divisores ópticos para dividir o sinal downstream de um único OLT em múltiplos caminhos downstream para os usuários finais, os mesmos divisores combinam os múltiplos caminhos upstream dos usuários finais de volta para o OLT.

Ponto-a-multiponto foi selecionado como a arquitetura PON mais viável para redes de acesso óptico com a eficiência inerente de compartilhamento de fibra e baixo consumo de energia. Essa arquitetura foi padronizada em 1998 através da especificação ATM-PON G.983.1.

Hoje, o padrão ITU-T G.984 para G-PON tem suplantado o padrão ATM, uma vez que o Modo de Transferência Assíncrona (ATM) não é mais utilizado.

Uma rede PON começa com o terminal de linha óptica (OLT) no local de origem do provedor de serviços tipicamente conhecido como Local ou Central Office, ou às vezes referido como uma troca ou headend. A partir daí, o cabo de alimentação de fibra óptica (ou fibra de alimentação) é encaminhado para um divisor passivo, juntamente com uma fibra de reserva, se for usado um. As fibras de distribuição são então conectadas do divisor a um terminal de queda, que pode ser localizado em um armário de rua ou em uma caixa robusta montada em um poço, em um poste de telégrafo ou até mesmo na lateral de edifícios. As fibras de gota então fornecem a conexão final um-a-um da porta do terminal de gota a um usuário final ONT/ONU. Em alguns casos, mais de um divisor é usado em série, isto é referido como uma arquitetura de divisor em cascata.

Os sinais transportados na fibra do alimentador podem ser divididos para fornecer serviço a até 256 usuários com uma ONU ou ONT convertendo os sinais e fornecendo aos usuários acesso à Internet. O número de formas em que o sinal OLT a jusante é dividido ou dividido antes de chegar ao utilizador final é conhecido como separador ou razão de divisão (por exemplo, 1:32 ou 1:64).

Em configurações mais complexas onde o vídeo de RF está sendo transmitido em paralelo ao serviço de dados PON ou serviços PON adicionais estão coexistindo na mesma rede PON, combinadores passivos (MUX) são usados no escritório central/local para fundir o comprimento de onda de sobreposição do vídeo e comprimentos de onda adicionais do serviço PON na fibra de alimentação OLT de saída.

Passive Optical Network Operation

Uma inovação integral da operação PON é a multiplexação por divisão de onda (WDM), usada para separar fluxos de dados com base no comprimento de onda (cor) da luz laser. Um comprimento de onda pode ser usado para transmitir dados a jusante enquanto outro é usado para transportar dados a montante. Estes comprimentos de onda dedicados variam dependendo do padrão PON em uso e podem estar presentes simultaneamente sobre a mesma fibra.

Acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) é outra tecnologia usada para alocar a largura de banda a montante para cada usuário final por um período de tempo específico, que é gerenciado pelo OLT, evitando colisões de comprimento de onda/dados nos divisores PON ou OLT devido à transmissão múltipla de dados ONT/ONU a montante ao mesmo tempo. Isto também é referido como transmissão em modo de explosão para o PON upstream.

Tipos do serviço PON

Desde a sua introdução nos anos 90, a tecnologia PON tem continuado a evoluir e múltiplas iterações da topologia da rede PON têm tomado forma. Os padrões originais de rede óptica passiva, APON e BPON, têm gradualmente dado lugar à largura de banda e aos benefícios de desempenho geral das versões mais recentes.

• G-PON

  Gigabit-capable PON, ou G-PON, desenvolvido pela ITU-T utiliza protocolos baseados em IP e é reconhecido pela sua excelente flexibilidade em relação aos tipos de tráfego, incluindo aplicações “triple-play” para voz, internet e televisão. O método genérico de encapsulamento G-PON é capaz de empacotar IP, Ethernet, VoIP e muitos outros tipos de dados.

  G-PON é considerado o padrão de fato PON em uso atualmente, com redes cobrindo distâncias entre 20 a 40 km, dependendo da razão de divisão adotada, sobre fibra monomodo. O comprimento de onda a jusante está configurado para 1490 nm com comprimento de onda a montante a 1310 nm, com uma velocidade a jusante de 2,4 Gbps e 1,2 Gbps a montante.

• E-PON

  Um padrão adicional de rede óptica passiva do IEEE é o Ethernet PON, ou E-PON, que foi desenvolvido para uma compatibilidade perfeita com dispositivos Ethernet. Baseado no padrão IEEE 802.3, E-PON não precisa de encapsulamento adicional ou protocolos de conversão para se conectar a redes baseadas em Ethernet. Isto aplica-se tanto à transferência de dados a montante como a jusante.

  Conventional E-PON pode suportar velocidades simétricas de até 1,25 Gbps a montante e a jusante. Assim como o G-PON, o E-PON fornece um alcance entre 20 a 40km, mais uma vez dependendo da razão de divisão, e utiliza comprimentos de onda similares de 1310 nm a montante e 1490 nm a jusante, devido a este E-PON e G-PON não podem ser implantados na mesma rede PON.

• 10G-EPON

  O padrão mais avançado 10G-EPON aumenta a velocidade para 10 Gbps simétricos a montante e a jusante, além de operar em comprimentos de onda diferentes para E-PON usando 1577nm a jusante e 1270nm a montante, isto permite que o mesmo PON seja usado simultaneamente para E-PON e 10G-EPON como um mecanismo para permitir um upgrade de serviço sem falhas e aumentos de capacidade em uma rede PON existente.

• XG(S)-PON

  A versão 10G do G-PON é conhecida como XG-PON. Este novo protocolo suporta velocidades de 10 Gbps a jusante e 2,5 Gbps a montante. Embora as convenções de fibra física e formatação de dados sejam idênticas ao G-PON original, os comprimentos de onda mudaram, muito parecido com 10G-EPON, para 1577 nm para downstream e 1270 nm para upstream. Mais uma vez, este ajuste permite que a mesma rede PON seja usada para G-PON e XG-PON simultaneamente. A versão melhorada do XG-PON é XGS-PON que utiliza os mesmos comprimentos de onda que o XG-PON e fornece uma simétrica 10 Gbps tanto a montante como a jusante.

• NG-PON2

  Acima do XG(S) está o NG-PON2 que utiliza WDM com múltiplos comprimentos de onda de 10G, tanto a montante como a jusante, para fornecer um serviço simétrico de 40 Gbps. Novamente o NG-PON2 usa comprimentos de onda diferentes para G-PON e XG/XGS-PON para permitir a coexistência dos três serviços na mesma rede PON.

  As demandas de velocidade continuam a aumentar ano após ano, XG-PON, XGS-PON e NG-PON2 fornecerão um caminho de atualização que deve ser especialmente benéfico em grandes configurações multi-tenant ou cliente empresarial e como parte de redes sem fio 5G.

• Sobreposição de vídeo de RF

  Os sinais de TV de RF (analógicos ou digitais) podem ser transmitidos sobre um PON sendo modulados em um único comprimento de onda de luz, tipicamente usando um comprimento de onda de 1550nm, isto é chamado de sobreposição de vídeo de RF.

PON Aplicações

A PON é às vezes referida como a “última milha” entre o provedor e o usuário, ou a Fibra para o X (FTTX) com “X” significando a casa (FTTH), edifício (FTTB), local (FTTP) ou outro local, dependendo de onde a fibra óptica é terminada. Até agora, a fibra até a casa (FTTH) tem sido a principal aplicação do PON.

A infraestrutura de cabeamento reduzida (sem elementos ativos) e os atributos flexíveis de transmissão de mídia das redes ópticas passivas a tornaram ideal para aplicações domésticas de Internet, voz e vídeo. Como a tecnologia PON continuou a melhorar, as aplicações potenciais também se expandiram.

O lançamento de 5G continua, e as redes PON encontraram uma nova aplicação com 5G fronthaul. O fronthaul é a conexão entre o controlador de banda de base e o cabeçote de rádio remoto no local da célula.

Devido às exigências de largura de banda e latência impostas pelo 5G, utilizando redes PON para completar as conexões do fronthaul pode reduzir a contagem de fibras e melhorar a eficiência sem comprometer o desempenho. Da mesma forma que o sinal da fonte é dividido entre os usuários para FTTH, o sinal das unidades de banda base pode ser distribuído para um conjunto de cabeças de rádio remotas.

Aplicações adicionais que são bem adequadas para redes ópticas passivas incluem campus universitários e ambientes empresariais. Para aplicações em campus, as redes PON produzem vantagens discerníveis com respeito à velocidade, consumo de energia, confiabilidade e distâncias de acesso, mas principalmente o custo de construção/desenvolvimento e operação contínua.

PON permite a integração das funções do campus, tais como gestão de edifícios, segurança e estacionamento com equipamento dedicado reduzido, cabeamento e sistemas de gestão. Da mesma forma, os complexos empresariais de médio e grande porte podem colher benefícios imediatos da implementação da PON, com os reduzidos custos de instalação e manutenção impactando diretamente no resultado final.

Benefícios das Redes Ópticas Passivas

• Uso Eficiente de Energia

  As vantagens inerentes à implementação da PON são abundantes. O mais fundamental destes benefícios é a falta de energia necessária para a rede de acesso. Com a energia necessária apenas na fonte e nas extremidades receptoras do sinal, há menos componentes elétricos no sistema, reduzindo os requisitos de manutenção e menos oportunidades para falhas nos equipamentos energizados.

• Infra-estrutura simplificada e facilidade de atualização

  A arquitetura passiva também elimina a necessidade de armários de fiação, infraestrutura de resfriamento ou eletrônica de médio alcance. Conforme a tecnologia evolui, apenas os dispositivos endpoint (OLT, ONT/ONU) requerem atualização ou substituição, já que a infra-estrutura de fibra óptica e divisores permanece constante.

• Uso eficiente da infra-estrutura

  Todos os operadores precisam obter o máximo que puderem da infra-estrutura nova ou existente e ganhar capacidade de serviço sobre um footprint de rede existente. Os vários padrões PON combinados com serviços como RF over Glass (RFoG) ou RF video overlay podem coexistir no mesmo PON para oferecer vários serviços (triple play) e ganhar mais largura de banda sobre a mesma fibra.

• Facilidade de Manutenção

  Redes de cobre que estão sendo substituídas por PON são muito vulneráveis à interferência eletromagnética e ao ruído. Sendo ópticas, as redes PON não são susceptíveis a tais interferências e preservam bem a integridade do sinal ao longo da distância planeada. Em uma rede PON, precisamos nos preocupar principalmente se os dispositivos ativos (ONT, ONU e OLT) estão gerenciando corretamente o tempo e a transmissão do sinal e se os componentes passivos não estão causando muita perda de sinal (atenuação ótica). A perda é fácil de ver, e é fácil identificar a causa nos elementos PON, tornando estas redes fáceis de manter e solucionar problemas.

Limitações das redes ópticas passivas

• Distância

  Embora os numerosos benefícios, existem potenciais inconvenientes para as redes ópticas passivas quando comparadas com as redes ópticas activas. O alcance para PON é limitado entre 20 a 40 km, enquanto uma rede óptica ativa pode alcançar até 100 km.

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• Teste de Acesso

  Resolução de problemas pode ser desafiador sob algumas condições, uma vez que o acesso de teste pode ser esquecido ou ignorado ao projetar uma PON e as ferramentas de teste devem permitir a resolução de problemas em serviço sem interromper o serviço para outros usuários finais na mesma PON. Se o acesso de teste existir, então o teste pode ser realizado com uma solução de teste portátil ou centralizada usando um comprimento de onda fora da banda, como 1650 nm, para evitar qualquer conflito com os comprimentos de onda PON existentes. Onde o acesso de teste não estiver planejado, o acesso deve ser obtido de um ou outro ponto final no OLT ou ONT, ou uma seção do PON deve ser retirada temporariamente.

• Alta Vulnerabilidade à ruptura na linha de alimentação ou no OLT

  Devido à arquitetura P2MP, à linha de alimentação e ao serviço OLT múltiplos usuários finais (potencialmente até 256). Há pouca redundância e neste caso de um corte acidental de fibra ou um OLT defeituoso, a interrupção do serviço pode ser extensa.

Overtudo, os benefícios inerentes das redes ópticas passivas superam substancialmente estas limitações.

As tecnologias PON continuam a melhorar, as vantagens estratégicas e econômicas da implantação PON se tornam mais convincentes. Os desafios enfrentados pelos projetistas das gerações futuras incluem uma maior capacidade de alcance e maiores proporções de divisores para reduzir ainda mais o gasto de cabos. Estas melhorias, combinadas com velocidades que agora atingem 10 Gbps e mais, ajudarão a continuar a expansão das redes ópticas passivas para as cidades inteligentes, universidades, hospitais e corporações que compõem o mundo conectado de amanhã.