Vamos falar de FTTX

Estamos vivendo um momento que as operadoras estão expandindo de uma forma intensa, a expectativa por maiores velocidades e a fibra em si geram grande curiosidade. Alguns poucos felizardos possuem fibra aqui no Brasil, as operadoras teimam no cobre insistindo no vdsl, de qualquer forma é importante entendermos como funciona a composição de rede na fibra.

Impossível falar em Fibra sem falar diretamente de Passive Optical Network (PON)

Mas o que seria PON?

É uma arquitetura de rede ponto-multiponto, na qual spliters ópticos passivos (sem necessidade de alimentação eléctrica) são usados para possibilitar que uma simples fibra óptica sirva múltiplos locais.

Não existem equipamentos ativos entre o equipamento do operador (equipamento terminal optico) OLT e o CPE/ONU (equipamento instalado junto do cliente).

BPON – (Broadband Passive Optical Network)

Standard baseado no APON. Acrescentou-lhe no entanto capacidade para WDM (Wavelenth Division Multiplex), possibilitando uma alocação de upstream mais dinâmica mas com largura de banda muito limitada.

G-PON (Gigabit Passive Optical Network)

G.PON (Gigabit Passive Optical Networking) rede óptica passiva com capacidade gigabit. Esta tecnologia permite ter internet, imagem em alta definição e telefone, com uma capacidade de 2,6 gigabit por segundo.

A rede GPON é composta por fibras ópticas e diversos dispositivos ópticos e sistemas, como ONUs, OLTs, filtros, divisores passivos e lasers. Os principais componentes ópticos e sistemas serão descritos mais abaixo.

” Caracteristicas GPON
– Taxa de transmissao 2,5 Gbits downstream 1,2 upstream
– Lógicas de instalação acima de 60 Km
– Splitter ratios 1:32 e 1:64
– Eficiência upstream 93% e downstream 94%

Estrutura G-Pon

E-PON – (Ethernet Passive Optical Network)

No padrão IEEE 802.3ah, a rede ótica passiva PON é baseada no Ethernet, ao invés de outras tecnologias de PON baseadas em ATM. Daí ser chamada esta rede de EPON (Ethernet PON).

Na topologia EPON, identificada pela ilustração mais abaixo da Figura 2, uma fibra ótica sai do CO e é dividida para outras fibras individuais, que então caminham para os usuários, através de um splitter ótico passivo (ou seja, que não contém nenhum dispositivo eletrônico ativo para manusear os sinais óticos). Aqui, o número de transceivers será de 1 para cada usuário e 1 para o CO, uma vez que o splitter não faz conversão de sinal óticoeletrônico. Um total, portanto, de 33 transceivers, o que representa uma economia em relação às duas configurações anteriores.

A velocidade disponível em cada fibra individual pode ser a mesma da fibra-mestre, ligada ao CO. O padrão IEEE 802.3ah EPON especifica duas subcamadas PMD, usando comprimentos de onda para a luz de 1490 e 1310nm, para distâncias de até 10Km e de até 20Km.

” Características EPON
– Taxa de transmissao1,25 Gbits simetrico
– Lógicas de instalação acima de 20 Km
– Splitters ratios 1:16 e 1:32
– Eficiencia upstream 61% e downstream 73%

Ponto-a-multiponto EPON

10G-EPON – (10 Gbit/s Ethernet Passive Optical Network)

Esta tecnologia foi desenvolvida para garantir compatibilidade com a EPON já existente em diversos países e possibilitar altas taxas de transferência, podendo alcançar 10 Gb/s.

WDM-PON – (Wavelength Division Multiplexing)

O rápido crescimento do número de usuários e de serviços providos pela Internet levou as operadoras de telecomunicações a instalar sistemas ópticos que utilizam a técnica de multiplexação por comprimento de onda.

Diferentemente da E-PON e da G-PON, o conceito utilizado pela WDM-PON é dividir por assinante o domínio da freqüência, e não o do tempo. Na WDM-PON cada cliente tem um comprimento de onda reservado para se comunicar com o OLT (equipamento que fica no servidor), como ilustrado ilustrado abaixo:

Esquema Básico WDM-PON

Equipamentos Utilizados na Rede PON

OLT: Terminal de linha óptica. Está localizada na central da operadora de serviços, conectando a rede de acesso à rede metropolitana. A OLT transmite sinal óptico, que é distribuído para os diversos usuários através dos divisores ópticos passivos. Uma OLT é formada por diversos servidores que fornecem serviços, como VoiP, HDTV e Internet. Toda a transmissão da rede é gerenciada pela OLT.

FTTH GPON/GEPON OLT

ONU: Unidade de rede óptica. Está localizada próxima do assinante. A ONU concentra o tráfego até que possa ser transmitido para a OLT. Além disso, quando a OLT envia as mensagens em broadcast, as ONUs reconhecem apenas as mensagens destinadas à ela e ignoram as demais. Outra funcionalidade importante é a conversão do sinal óptico em elétrico para os dispositivos padrões, como telefones, computadores, TV e outros equipamentos de aplicação do usuário final.

ONU FTTH

Divisor Passivo (Splitter): Este dispositivo está localizado entre a OLT e a ONU, sendo responsável por dividir ou combinar o sinal óptico da fibra. No sentido downstream, o sinal de entrada é dividido e enviado para todas as portas de saída. No sentido upstream, o sinal de todas as ONUs é combinado e transmitido à OLT.

Divisor Passivo

Resized Image Clique aqui para ver a imagem no tamanho real.

Equipamentos utilizados pelas operadoras para montar a rede de Fibra

Tipos de Fibras

Existem dois tipos de fibras ópticas: as fibras multimodo e as monomodo. A escolha de um destes tipos dependerá da aplicação à qual se destinará o uso da fibra. As fibras multimodo são mais utilizadas em aplicações de rede locais (LAN), enquanto as fibras monomodo são mais utilizadas para aplicações de redes de longa distância (WAN).

Fibras Multimodo (MMF MultiMode Fiber)

São fibras que possuem vários modos de propagação, o que faz com que os raios de luz percorram por diversos caminhos o interior da fibra. Devido a esta característica, elas se classificam de duas formas: fibras multimodo de índice degrau ou de índice gradual.

Multimodo de Índice Degrau

Possuem um núcleo composto por um material homogêneo de índice de refração constante e sempre superior ao da casca. As fibras de índice degrau possuem mais simplicidade em sua fabricação e, por isto, possuem características inferiores aos outros tipos de fibras, sendo que uma das deficiências que podemos enumerar é a banda passante que é muito estreita, o que restringe a capacidade de transmissão da fibra. A atenuação é bastante alta quando comparada com as fibras monomodo, o que restringe as aplicações com fibras multimodo com relação à distância e à capacidade de transmissão.

Multimodo de Índice Gradual

Possuem um núcleo composto de um índice de refração variável. Esta variação permite a redução do alargamento do impulso luminoso. São fibras mais utilizadas que as de índice degrau. Sua fabricação é mais complexa porque somente conseguimos o índice de refração gradual dopando com doses diferentes o núcleo da fibra, o que faz com que o índice de refração diminua gradualmente do centro do núcleo até a casca. Mas, na prática, esse índice faz com que os raios de luz percorram caminhos diferentes, com velocidades diferentes, e cheguem à outra extremidade da fibra ao mesmo tempo praticamente, aumentando a banda passante e, conseqüentemente, a capacidade de transmissão da fibra óptica.

Fibras Monomodo (SMF – Single Mode Fiber)

As fibras monomodo possuem um único mode de propagação, ou seja, os raios de luz percorrem o interior da fibra por um só caminho. Também se diferenciam pela variação do índice de refração do núcleo em relação à casca, e se classificam em índice degrau standard, dispersão deslocada (dispersion shifted) ou non-zero dispersion.

Por possuírem suas dimensões mais reduzidas que as fibras multimodos, as fibras monomodais têm a fabricação mais complexa. Contudo, as características destas fibras são muito superiores às multimodos, principalmente no que diz respeito àbanda passante, mais larga, o que aumenta a capacidade de transmissão. Apresentam atenuação mais baixa, aumentando, com isto, a distância entre as transmissões sem o uso de repetidores. Os enlaces com fibras monomodo, geralmente, ultrapassam 50 km entre os repetidores, dependendo da qualidade da fibra óptica.

As fibras monomodo do tipo dispersão deslocada (dispersion shifted) têm concepção mais moderna que as anteriores e apresentam características com muitas vantagens, como baixíssima atenuação e largura de banda bastante larga. Contudo, apresentam desvantagem quanto à fabricação, que exige técnicas avançadas e de difícil manuseio (instalação, emendas), com custo muito superior quando comparadas com as fibras do tipo multimodo.

Tipos de fibras

Perdas na Rede PON (Passive Optical Network)

Os elementos de uma rede PON (Passive Optical Network) que causam perdas são basicamente:

1. Cabos de fibras ópticas;
2. Splitters;
3. Emendas (por fusão ou mecânicas);
4. Conexões.

1 – Perdas em Cabos de Fibra Óptica [dB/km]

A tabela abaixo apresenta os valores de atenuação típica das fibras ópticas em dB/km. A atenuação da fibra pode ser calculada multiplicando-se o comprimento da fibra (km) pelos valores abaixo:

2 – Perdas nos Splitters

3 – Perdas por Emendas

O método usual para realizar emendas em fibras ópticas é por fusão. As perdas por fusões, de acordo com a norma ANSI/TIA 568, devem ter um valor máximo de 0,30 dB.

4 – Perdas nas Conexões

Uma conexão é definida pelo acoplamento óptico entre dois conectores similares através deum adaptador. As perdas em conexões, de acordo com a norma ANSI/TIA 568, devem ter um valor máximo de 0,75 dB.

5 – Perdas Totais

As perdas totais numa rede PON correspondem a soma das perdas parciais:

Ptot = Pfib + Pspl + Pem + Pcon

Onde:

Ptot = perda total
Pfib = perda da fibra (tabela 1)
Pspl = perda nos splitters (tabela 2)
Pem = perda por emendas (0,30 x Nº emendas)
Pcon = perda por conexões (0,75 x Nº conexões)

Observações:

” A placa OLT tem potência de saída aproximada de +5 dbm e a ONU tem sensibilidade de -9 até -27 dbm.

” Nunca se deve conectar diretamente uma OLT em uma ONU através de um cordão óptico, sempre atenuar o sinal por meio de
um splitter ou atenuador, de forma que a potência na entrada da ONU seja menor que -9 dBm.

” Instrumento de medição: Power-meter óptico convencional (1 porta óptica) calibrado no comprimento de onda de 1490nm
(para medição da potência óptica da OLT- sinal doswntream) ou power meter PON (2 portas ópticas) para medição simultânea do
sinal óptico da OLT (1490 nm/downstream) e ONU (1310 nm/upstream).

Atualização 23/06/2012

Anéis Ópticos (Topologia)

Topologia ANEL:

Em uma topologia de rede em anel, duas ONUs são conectadas a uma OLT criando dois segmentos PONs: PON-A e PON-B. A partir da primeira ONU do segmento PON (A ou B) são conectadas as outras ONUs de maneira serial formando um barramento óptico. Então cada ONU do barramento funciona como um derivador ótico ativo (splitter 1:1) ou um elemento passante como no SDH. Ao final dos barramentos as ultimas ONUs da topologia são conectadas entre si e então fecham um anel óptico a partir de dois segmentos PONs (barramentos). As grandes vantagens desta topologia são: a redundância da rede e a possibilidade de configuração do custo métrico de tráfego, onde é possível indicar a direção mais rápida para o tráfego, seja ela no sentido leste ou oeste.

Anéis

Topologia ÄRVORE:

Em uma topologia de rede em árvore as ONUs são conectadas a uma OLT por um único segmento PON. A partir dessa OLT conecta-se um segmento de fibra óptica denominado ´Deep Fiber´, que então recebe um derivador passivo (splitter). O primeiro derivador deve ter, no mínimo, um fator de derivação de 1:2 ou seja um ´splitter´ cria dois sub-segmentos de fibra. Na figura ao lado o fator de derivação é de 1:3, ou seja, um ´splitter´ criou três sub-segmentos de fibra.

A maior vantagem desta topologia é quando as ONUs estão relativamente distantes da OLT e/ou estão concentradas a partir de uma certa distancia onde não existem ONUs intermediarias. Neste caso podemos lançar, por exemplo, 15 km de segmento de fibra ´deep fiber´ e somente começar a derivação deste segmento a partir desta distância de 15km.

Arvore

Topologia BARRAMENTO:

Em uma topologia de rede em barramento (BUS) as ONUs são conectadas a uma OLT através de um segmento de fibra óptica ´deep fiber´, que então recebe vários derivadores passivos com o fator de derivação de 1:2, ou seja, um ´splitter´ cria dois sub-segmentos de fibra como na figura ao lado. Um dos sub-segmentos obtidos serve de conexão para a ONU e o outro serve como caminho passante para o próximo ´spliter´.

A utilização desta topologia se aplica de forma contrária a topologia em árvore, já que entre a OLT e a ultima ONU existem varias outras ONUs com distância relativamente curta entre uma e outra ONU. Esta topologia é útil para aplicações de abordagem nas ruas (‘Fiber To The Curb’), onde cria-se o segmento ´deep fiber´ e então instala-se pequenos gabinetes de distribuição nas calçadas ou postes onde estarão os derivadores e/ou ONUs distribuindo conectividade via fibra óptica, cabo coaxial ou wireless para os usuários finais.

BUS

Uma planta típica de uma rede PON em operação contempla um misto de topologias de acordo com a estratégia de implantação e com grande flexibilidade de arquitetura.

A figura abaixo ilustra uma aplicação típica de ganho de escala no atendimento e mix de portifolio com topologia flexível em redes PONs.

Modelo Metroanéis

Atualização 24/06/2012

Estrutura de rede GVT (Anél óptico)

Do pdf de implantação de redes da GVT:

A nossa solução de rede de acesso é única no mercado brasileiro, é baseada em topologia FTTN, combinando anéis metropolitanos de fibra ótica e cabos de cobre de curta distância, com o máximo de 1,5 quilômetros e média de 400 metros de comprimento. Essa proximidade do cliente permitenos prestar serviços com mais qualidade e velocidade de transmissão de até 20 Mbps com a atual tecnologia ADSL2+, 50 Mbps com tecnologia VDSL2 (limitada a 800 metros) e 100Mbps com EFM (Ethernet First Mile Ethernet Ativa usando última milha de fibra do armário de rua às dependências do cliente). Com o aumento da receita de serviços SNG e da demanda por aplicações de
banda larga como IPTV e vídeo pela internet, acreditamos estar melhor posicionados do que nossos principais competidores para nos beneficiar desse novo mercado. A rede já está preparada para suportar tráfego IPTV (para oferecer IPTV precisamos investir somente em equipamentos de vídeo headend, conversores de vídeo e servidores de vídeo).”

Atualização 29/06/2012

Tabela Gpon x Epon

Detalhes FTTH em um prédio

Fibra = Perda nas Curvas

Vantagens da Fibras insensíveis as curvas

Atualização 01/09/2012

Como é o processo de “emenda de uma fibra ótica” e por que ele é complexo, às vezes demorado?

1) Emenda por Fusão

Basicamente, como o próprio nome diz, este processo consiste em “fundir” uma fibra óptica à outra. Este processo não é exatamente simples ou rápido, como se pode ver abaixo.

Para que seja possível a fusão das fibras é necessária a utilização de uma “Máquina de Emenda Óptica” na qual as duas fibras são alinhadas frente a frente, mantendo-se uma pequena distância entre as mesmas. No local onde existe esta pequena distância encontram-se, de forma perpendicular com as fibras, dois “pólos” também alinhados frente a frente um com o outro, todavia, com uma certa distância entre os mesmos. Faz-se necessário passar energia elétrica de um pólo para o outro e devido à distância que existe entre os mesmos são formados arcos voltaicos que aquecem as fibras a temperaturas altíssimas, que provocam a fusão entre as mesmas. Ou seja, a fibra é introduzida na máquina de fusão, limpa e clivada, para, após o delicado alinhamento apropriado, ser submetida à um arco voltaico que eleva a temperatura nas faces das fibras, provocando o seu derretimento e a sua soldagem.

Após o término do processo de fusão, é necessário fazer a cobertura das fibras ópticas nos pontos em que foram feitas as emendas. Para tanto existe um protetor de emenda feito de tubo cilíndrico termocontrátil transparente contendo um elemento metálico em aço inoxidável, o qual tem a finalidade de garantir o reforço mecânico das emendas, protegendo-a contra quebras e fraturas. Após a proteção, a fibra emendada é acomodada em recipientes chamados caixa de emendas. As caixas de emendas podem ser de vários tipos, de acordo com a aplicação e o número de fibras. Umas, por exemplo, são pressurizáveis ou impermeáveis, já outras são resistentes ao sol, para instalação aérea.
O custo de todo o material necessário para este tipo de emenda é alto, pois o processo de “Emenda Óptica por Fusão” exige um custo alto de investimento nos equipamentos para a sua operação. Entretanto, este processo agiliza as instalações e garante uma grande confiabilidade no sistema.

A clivagem, acima citada, é o processo de corte da ponta da fibra óptica. É efetuada a partir de um pequeno ferimento na casca da fibra óptica (risco), a fibra é tracionada e curvada sob o risco, assim o ferimento se propaga pela estrutura cristalina da fibra. A qualidade de uma clivagem deve ser observada com microscópio.

2) Emenda Mecânica

Este processo consiste em alinhar duas fibras através do uso de um tipo de “luva” especialmente desenvolvida para tal finalidade, a qual mantém estas fibras posicionadas frente a frente, sem uni-las definitivamente. O custo de investimento em materiais para a operação deste tipo de processo é relativamente reduzido, porém não é aconselhável em sistemas que exijam uma grande confiabilidade.

3) Emenda por Acoplamento de Conectores

Este processo é bem semelhante ao processo de Emenda Mecânica, onde duas fibras devem ser alinhadas. Entretanto, em cada fibra é colocado um conector óptico e estes dois conectores são encaixados em um acoplador óptico de modo a tornar possível o alinhamento entre as fibras, sem uni-las definitivamente. Este processo é o menos aconselhável de todos, já que apesar do custo mais reduzido é o que demanda maior tempo para realização.

Atualização 26/10/2013

O que pode provocar perdas nas fibras ópticas?

As características de transmissão em uma fibra óptica podem ser descritas pelas suas propriedades de atenuação e dispersão. Existem alguns fatores que influenciam negativamente a propagação do sinal pela fibra, como absorção, espalhamento, curvaturas e características do projeto de guia de onda. No enlace óptico também existem alguns elementos que contribuem para perdas, devido a sua própria característica construtiva, são: acopladores de entrada do canal, emendas, conectores, a própria característica da fibra, regeneradores e todo elemento passivo quanto ativo na rede.

As fibras de plástico possuem maiores atenuações que as fibras de vidro, devido a características do material, por isso as fibras de vidro são mais utilizadas em longos enlaces.

Os enlaces estão limitados em comprimento pela atenuação do sinal e em capacidade de transmissão pela distorção do sinal.

Existe a atenuação devido à limitação da distância entre a origem e o fim da transmissão, a mesma define características de aprovação do enlace ou realização de novo estudo. A atenuação do sinal em potencia ao longo da fibra é medida em dB/km.

As principais causas de atenuação na fibra definem-se por: absorção, espalhamento e curvaturas.

Define-se como Perda por Absorção Total (Pat) a somatória das Perdas por Absorção Intrínseca (Pai), Extrínseca (Pae) e, por Alteração Atômica (Paa). A Perda por Absorção Intrínseca ocorre devido à qualidade do material utilizado na fabricação da Fibra Óptica, geralmente sílica, em torno de 0,003 dB por km. A Perda por Absorção Extrínseca relacionada com a impureza do material onde pode ter a presença de íons hidroxila (água dissolvida no vidro) e Perda por Absorção por Alteração Atômica (normalmente é desprezível, porém exposto à radiação, o material da fibra pode sofrer alterações atômicas e significativas).

A Perda por Espalhamento é a dispersão de parte da energia luminosa guiada pelos vários modos de propagação em várias direções no interior da fibra, conhecidos por espalhamento de Rayleigh, Raman estimulado e Brillouin estimulado. O mais conhecido espalhamento de Rayleigh ocorre pela não linearidade do sinal devido a defeitos na estrutura física do material construtivo da Fibra Óptica provocando irradiação da potencia do feixe luminoso.

Outro tipo de atenuação que se apresenta na Fibra Óptica está relacionado com as deformações mecânicas que a mesma sofre no enlace conhecido como Macrocurvaturas e Microcurvaturas. A Macrocurvatura ocorre quando a fibra sofre um raio de curvatura muito acentuado e o sinal de luz tende a se irradiar para fora da fibra, a Microcurvatura são pequenas irregularidades no raio de curvatura da fibra, que podem se originar no processo de fabricação da Fibra Óptica ou por pressões laterais no processo de cabeamento da fibra, podendo ter danos irreversíveis que impedem o seu uso. Por isso para cabeamento de fibra óptica é importante se ter mão de obra especializada para que ocorram menos danos na implantação da Fibra e na atenuação do sinal devido à macrocurvaturas e emendas mal feitas. (Grande problema no Brasil e no mundo, a maldita terceirização de pessoas não capacitadas)

É importante que num projeto óptico, todas as perdas do enlace sejam somadas, como as citadas acima e também dos elementos ópticos (transmissor e receptor), emendas, conectores, componentes passivos e ativos, e que o estudo do resultado final seja viável a implantação do enlace atendendo os critérios de parâmetros do sistema como normas ITU-T e também a necessidade da operadora/cliente.

Sabendo quais equipamentos serão instalados nas pontas (Tx-Rx), quantas emendas o enlace irá possuir, a atenuação dos elementos passivos do enlace, pode-se usar o OTDR (Refletômetro Óptico por Domínio de Tempo Optical Time Domain Reflectometer). O OTDR é um instrumento de medida, o qual detecta luz refletida em emendas ou conectores e luz retro-refletida devido ao fenômeno de Espalhamento Rayleigh. Assim, localização de eventos (falhas, emendas e conectores) e medidas de perdas de transmissão a partir de um extremo da fibra óptica é possível de se efetuar de modo eficiente. Assim com este valor basta somar a atenuação dos elementos e conectores instalados em Tx e Rx para se conseguir a atenuação total do enlace.

**Agradecimentos ao belo material do site Teleco.

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