Técnicas de Multiplexação

Embora pareçam ser somente o espelho uma da outra as operações de multiplexação em domínio óptico são relativamente mais simples do que a de demultiplexação. Antes mesmo de sistemas WDM, já existiam acopladores do tipo combinadores (combiners) e divisores (spliters) – de fibra fundida ou lentes GRIN – que combinavam a luz de várias fibras em uma ou ainda dividiam o sinal de uma fibra em várias outras. A dificuldade é implementar a seletividade dos comprimentos de onda no DEMUX, já que os receptores ópticos (diodos PIN ou APDs) são dispositivos que atuam em uma banda larga.

Prisma

Um princípio ótico como de um simples prisma é uma abordagem possível para um DEMUX, porém pouco prática. No interior do prisma, os diferentes comprimentos de onda são refratados a ângulos diferentes, causando o “efeito arco-iris”. Lentes focariam os comprimentos de onda separados nas fibras.

Esquema de De-Multiplexação com Prisma

Redes de Difração

Outro método um pouco mais usado, são as redes de difração, que são sulcos ou linhas paralelas em uma superfície, que, por um efeito interferométrico óptico que não abordaremos em detalhes aqui, causam um efeito similar a um prisma, espalhando a luz incidente de acordo com o comprimento de onda. Tal efeito pode ser verificado olhando para a luz refletida em um CD; onde os pequenos sulcos onde os dados foram gravados funcionam como redes de difração, espalhando espacialmente o espectro como um prisma. Um arranjo simples usa lentes GRIN para focar a entrada no sulco e para focar os diferentes comprimentos de onda nas fibras de saída.

Esse sistema funciona para poucos canais e com espaçamentos bem largos, mas não pode chegar a cumprir as exigências dos novos padrões. No entanto, como ele espalha uniformemente no espaço o espectro, é extremamente vantajoso em instrumentação óptica, onde medir continuamente ao longo do espectro é mais importante do que separar um comprimento de onda específico.

Redes de difração com lentes GRIN

Moduladores externos

Moduladores externos são usados para evitar o transiente do laser, que podem ser problema a taxas maiores do que 2,5Gbps. O transiente de amplitude é um problema a medida que exista um alto grau de reflexões retrógradas (backreflections), como vemos na figura, a reflexão da oscilação de relaxamento pode ser um fator complicante a medida que aumentamos a taxa de transmissão.

GLSR Relaxado

Mas não é só isso. O laser sofre um desvio na frequência (wavelength chirp) durante o pulso de corrente, pois o comprimento de onda varia com a corrente, inclusive segundo curvas diferentes ao ligar ou desligar. Isto aumenta a banda efetiva do laser e agrava os problemas de dispersão na fibra.

GLSR - Variação do comprimento de onda com a corrente

A solução adotada foram os moduladores externos. Mantendo-se o laser constantemente ligado, pode haver um controle mais preciso de amplitude e freqüência, e o modulador externo tem a função bloquear ou deixar passar o laser. Um dos tipos mais usados de modulador externo são os de cristais Lithium Niobate (LiNbO3), que tem alto coeficiente eletro-optico, ou seja, sofrem do efeito eletro-optico, efeito esse que consiste na variação do índice de refração do cristal pelo campo elétrico aplicado.

Modulador externo de LiNbO3

Untitled DocumentA luz é dividida no divisor (splitter) em duas fibras. A luz na fibra de baixo experimenta um atraso fixo enquanto a de cima pode ter seu atraso controlado variando o índice de refração do cristal, aplicando um campo ao mesmo, ou seja, variando a velocidade em que a luz trafega pelo cristal. Desta forma, no acoplador na saída teremos interferências construtivas ou destrutivas, dependendo do campo elétrico aplicado no cristal.

Compensadores de Dispersão

Na medida que as taxas de transmissão aumentam de 2,5Gbps, para 10Gbps ou 40Gbps, problemas de dispersão tornam-se mais graves e soluções para compensar a dispersão sem necessidade de regeneradores passam a ser extremamente necessárias. Uma das tentativas para compensar a dispersão foi o desenvolvimento das fibras DSF, porém essa tentaiva foi frustrada porque essa fibra apresentava efeitos não-lineares, como o FWM, severamente agravados. Essa foi seguida pelas fibras NZ-DSF, que é a preferência para sistemas DWDM, caso vá se instalar novas fibras.

Outra abordagem que descarta a instalação de novas fibras consiste em módulos que podem ser inseridos no enlace (DCM – Dispersion Compensation Modules).

Fibra Compensadora (DCF – Dispersion Compensating Fiber)

O efeito de dispersão cromática pode ser compensado através de segmentos de fibras compensadores (DCF – Dispersion Compensation Fiber). Geralmente estes segmentos têm uma dispersão negativa várias vezes maior do que a do segmento de fibra de transmissão a ser compensado. Como a fibra com dispersão negativa tem atenuação maior, isto é vantajoso a medida que reduz o comprimento necessário do segmento compensador.

DCF

Porém, como a derivada da dispersão cromática varia com o comprimento de onda, a dispersão se acumula nos extremos do espectro. Ou seja, o efeito de um DCF para a banda C, por exemplo, vai ser mais eficiente em volta da freqüência central, porém os primeiros e os últimos canais ainda terão níveis consideráveis de dispersão acumulados, a não ser que se use compensadores individuais para diferentes canais ou grupo de canais, o que se torna uma desvantagem.

http://www.invocom.et.put.poznan.pl/~invocom/C/P1-9/swiatlowody_en/swf/5R_Dyspersja_DCF.swf

Compensador com FBG

Através de configurações de redes de Bragg com espaçamentos aumentando gradualmente, e circuladores ópticos, pode-se fazer um compensador de dispersão. Os comprimentos de onda que chegam primeiro na rede de Bragg serão os últimos a serem refletidos, dessa forma compensando a dispersão; como na figura, l4 chega primeiro e l1 por último, e l1 será refletido primeiro e l4 por último, de forma que no sinal refletido teremos todas os comprimentos de onda trafegando mais próximos entre si.

FBG

As fibras de Bragg são excelentes soluções para compensadores de dispersão, pois pode-se medir a dispersão do enlace em questão, compensando inclusive efeitos não tão previsíveis – um valor intermediário de PMD, por exemplo, ou mesmo efeitos não-lineares como auto-modulação em fase. Pode-se ainda, compensar a dispersão nos próprios OADMs, ou seja, faz-se um OADM que ao mesmo tempo compensa dispersão no canal, ao direcioná-lo para a porta drop.

http://www.invocom.et.put.poznan.pl/~invocom/C/P1-9/swiatlowody_en/swf/6R_Dyspersja_Bragg.swf

Compensadores em desenvolvimento

Várias possíveis soluções para o problema da dispersão estão em desenvolvimento. Algumas abordagens tentam mitigar um problema de cada vez, o que pode resultar em equipamentos de diferentes fabricantes não interagirem corretamente. As futuras soluções apresentadas pleos fabricantes serão DCMs complementares para atacar todos os problemas de uma só vez (dispersão cromática, PMD, slope mismatch, efeitos não-lineares). Essas novas soluções deverão incluir vantagens como:

• Capacidade Multicanal

  - O ideal é que não haja necessidade de separação de canais na compensação de dispersão.

• Sintonizabilidade:

  • Fixa – Os DCMs são sintonizados na instalação.
  • Remota - Os DCMs são sintonizados remotamente via software de gerenciamento de falhas da rede.
  • Adaptativa – Os DCMs monitorarão os níveis de dispersão e terão algum tipo de óptica adaptativa para acompanhar mudanças no tempo.

A PMD é um grande desafio para as novas taxas de 40Gbps, e a necessidade de óptica adaptativa é imperativa neste desfio, já que a PMD é um fenômeno dinâmico. Uma abordagem possível para a PMD seria um dispositivo mecânico que exercesse pressão na fibra de forma a causar uma PMD contrária compensante. A desvantagem desta abordagem obviamente é que dispositivos mecânicos estão sujeitos a falhas a longo prazo e requerem freqüentes manutenções.

PMD Adaptativo

Evolução dos Sistemas WDM

WDM 1a geração

Os WDM de primeira geração surgiram no intuito de dobrar a capacidade da fibra ótica, colocando dois comprimentos de onda na mesma fibra. A princípio, utilizou-se a 2ª janela nos sistemas que já operavam na 1a janela. Posteriormente, com o desenvolvimento de lasers operando na 3a janela, surgiram também sistemas operando simultaneamente na 2ª e 3ª janela.

Desse modo, possibilitou-se a transmissão de dois canais unidirecionais na mesma fibra. Onde havia um par de fibras para comunicação bidirecional, pôde-se colocar 2 canais bidirecionais. No início a multiplexação era feita com simples acopladores 2×1 de fibra fundida ou lentes GRIN. Com o advento dos MUX/DEMUX no mesmo dispositivo, pôde-se converter fibras antes usadas para comunicação unidirecionais para bidirecionais.

Estes eram os sistemas usados nas chamadas Redes Ópticas Passivas (Passive Optical Networks – PONs).

 

Pré-DWM

 

CWDM e DWDM – histórico

No início dos anos 80 já estavam sendo comercializados sistemas de 4 canais separados por 25nm na 1a janela, mas eram, por falta de padrões, chamados simplesmente de sistemas WDM.

No começo dos anos 90 surgiu uma nova geração algumas vezes chamada de WDM banda estreita (narrowband WDM) com até 8 canais espaçados de 400GHz (3.2nm), somente usando a 3ª janela (ou banda C). Em meados dos anos 90 surgiu a denominação DWDM (Dense WDM), que utilizava espaçamento entre canais de 100 ou 200GHz. e conseqüentemente maior número de canais, de 16 a 40, ainda na mesma banda. Essa tecnologia foi preferida para aplicações de longa distância (long haul), já que oferecia alta capacidade na banda C, que tem a menor atenuação, e também pela disponibilidade dos então novos EFDAs operando nessa banda.

Com o DWDM, nasceu o termo CWDM (Course WDM) para diferenciar o DWDM dos sistemas de 4-8 canais (1ª e/ou 2ª janela) e também dos WDM de primeira geração, pois ainda havia muita confusão no uso dos termos. O termo Course WDM tem o sentido próximo a WDM “excursionável”, visto que este tolera desvios de freqüência maiores no laser, ou seja, há uma “excursão” em freqüência permitida.

Ainda em meados de 90, continuava sendo usado o CWDM na janela de 850nm, porém os então novos diodos laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emiting Laser) vieram a baratear ainda mais o custo dessa tecnologia. O CWDM estava então sendo cogitado pelo grupo de estudos sobre alta velocidade do IEEE 802.3 para as redes Ethernet de 10 Gigabit, usando 4 canais de 2.5Gbps na 1ª ou 2ª janela, prolongando o uso das fibras multímodo já instaladas em prédios e campus universitários. Esse mesmo grupo chamou a tecnologia de 4 canais na 2ª janela de WWDM (Wide WDM), para diferenciar do CWDM na 1a janela. Veja na figura o resumo dos padrões existentes antes de 2000. Há uma certa confusão de termos na medida em que soluções proprietárias também chamaram de WWDM implementações de 4 canais separados de aproximadamente 8nm na banda C.

No final dos anos 90, com o aumento do tráfego de dados, as redes metropolitanas precisavam também expandir sua capacidade usando C/D/WDM. No entanto essas redes possuíam diferentes características; havia mais fibra disponível e menos disposição para pagar caro pela banda passante, além de as distâncias serem menores. Surge então o conceito de “Metro DWDM“.

Os equipamentos Metro DWDM eram simplesmente versões mais “relaxadas”. Com espaçamentos de 200 ou 400GHz (1.6 e 3.2nm, respectivamente). Os compensadores de dispersão foram eliminados, por serem desnecessários a distâncias menores, baixando o custo. Os EFDAs eram opcionais, no caso de redes completamente em domínio óptico (All Optical Networks – AONs), para compensar as perdas nos nós da rede.

No entanto, esses equipamentos ainda eram caros, de fabricação complexa, e exigiam controle de corrente e temperatura precisos, embora menos exigentes que os DWDM de espaçamento de 100 ou 50GHz. A tecnologia WWDM e CDWM usada em redes locais (LANs) era muito mais barata, mas precisava ser re-projetada para as aplicações metropolitanas, o que culminou em maio/junho de 2002 no padrão ITU G.694. O G694.2 especifica a tecnologia “Metro CDWM“, ou seja, CWDM para aplicações em redes metropolitanas, enquanto o G694.1 especifica o DWDM.

 

 CWDM e DWDM hoje

O padrão ITU G.694.2 especifica 18 comprimentos de onda espaçados de 20nm entre 1270nm e 1610nm, inclusive, como mostra a figura.

Janelas WDM

Como vemos, cinco canais caem na Banda E e comumente são descartados. Embora a atenuação seja de 0.5dB/km, que não é tão alta, pode chegar a 2dB/km dependendo de fatores ambientais e outros, como a idade da fibra, por exemplo. Os primeiros produtos a implementar o padrão concentraram-se nas bandas O, S, C e L; e alguns somente implementavam oito canais nas bandas S, C e L, deixando a Banda O intocada para as fibras que já tinham implementado serviços de transporte nessa banda, tipicamente SONET/SDH ou até os novos IEEE 802.3ae 10 Gigabit Ethernet. No entanto, para os novos sistemas implementados, pode-se adotar a fibra do tipo LWP (ITU G.652.C) e utilizar o CWDM em todo o espectro (Full Spectrum CWDM).

Ambos (CWDM e DWDM) usam, mais comumente, os lasers do tipo DFB (Distributed Feedback), que têm a vantagem de ter uma banda estreita com modos laterais suprimidos, o que minimiza o efeito da dispersão, embora esta não seja o problema nos sistemas CWDM, devido a menores taxas e menores distâncias. Ambos (CWDM e DWDM) usam também como receptores diodos PIN ou APD, que têm com banda larga, cobrindo todo o espectro óptico especificado (bandas O, E, S, C e L), sendo que a seletividade de comprimentos de onda é implementada nos filtros DEMUX C/D/WDM.

Nos equipamentos CWDM, os lasers são modulados diretamente, o que limita a taxa em pouco mais de 2,5Gbps . Sua potência de saída óptica típica é de 1mW (0dBm). As redes CWDM utilizam regeneradores a cada intervalo de 60-80km, em fibras SM comum (ITU G.652). Amplificadores ópticos não costumam ser usados pois não são baratos e seu custo não compensa, sendo muitas vezes também desnecessários, devido às pequenas distâncias envolvidas.

Os lasers CWDM não possuem resfriamento, e, logo, sofrem desvio de sua freqüência com a temperatura, o que não é problema devido ao espaçamento entre os canais. Os filtros CWDM tem uma banda de guarda de 1/3 do espaçamento de canal, de forma que a tolerância na acurácia do comprimento de onda na fabricação do laser e o seu desvio com a temperatura seja menor do que a banda do filtro. Ou seja, de 20nm de espaçamento, o lambda não pode variar mais do que ±6,5nm de seu valor nominal. Como os lasers variam com a temperatura a uma taxa de 0.08nm/oC a 0.12nm/oC, dependendo do lote, em uma faixa de operação de 0 a 70oC, que é a faixa de temperatura geralmente especificada para equipamentos de telecomunicações, o laser varia ± 4.2nm, o que nos deixa margem para uma tolerância de ± 2,3nm na acurácia de fabricação, que não é tão pequena quanto a exigida nos lasers DWDM.

Por conta disso, colocando todos os custos no papel, o CWDM pode sair pela metade do preço, porém não menos confiável e nem de menor qualidade, do que o DWDM, atendendo a redes metropolitanas com distâncias menores do que 80km e taxas de até 2,5Gbps por lambda, onde a economia é mais importante do que a capacidade.

CWDM-x-DWDM

Já nos equipamentos DWDM são usados moduladores externos, de forma a evitar o transiente do laser, para atingir altas taxas (10Gbps ou 40Gbps). Os lasers DWDM tem grandes dissipadores de calor, circuitos TEC (Thermo-Eletric Coolers) acoplados e também circuitos de controle preciso de corrente, que não são necessários no CWDM. Como o DWDM visa atingir altas taxas e grandes distâncias, outros recursos adicionais tem de ser utilizados, como os compensadores de dispersão, amplificadores ópticos como EFDAs, Raman, etc.

Redes otimizadas para DWDM utilizam as fibras de dispersão deslocada não-nula, NZ DSF (non-zero dispersion shifted fiber), padrão ITU G.655. Essas fibras têm o propósito de conter baixa dispersão na banda C.

Atualmente temos o padrão ITU G.694.1 (também existe o G.692) que define os comprimentos de onda DWDM, espaçados de 100GHz ou até 50GHz. Este padrão define 50 lambdas (freqüências) na banda C espaçados de 0.8nm (100GHz), embora comumente os equipamentos comerciais usem somente 40 para minimizar a interferência entre canais (crosstalk). Como a banda C tem a menor atenuação, é preferida para longas distâncias, onde o DWDM é usado, porém, o padrão ITU G.694.1 define ainda mais 100 canais, espaçados de 100GHz, 50 na banda L e 50 na banda S. Muitos equipamentos comerciais já implantam 80 canais usando as bandas C+L, porém o potencial da banda S ainda não foi explorado pelo DWDM, primariamente porque os EFDAs só estão disponíveis nas bandas C e L. No caso de canais espaçados em 50GHz ou menores, temos um aumento significativo na intermodulação, e conseqüentemente uma piora na relação sinal-ruído, o que não impediu sistemas totalizando 1,6Tbps (160 canais a 10Gbps) se tornarem realidade.

No entanto, apesar até da dificuldade no problema da estabilidade dos lasers, parece não haver limites no que um projeto otimizado (fibras, compensadores de dispersão, Amplificadores ópticos, etc) para tráfego DWDM é capaz. Na última ECOC (European Community Optical Communications Conference), realizada em Munique, Alemanha, a NEC do Japão, anunciou um recorde, para equipamentos comerciais DWDM (e parece que já está surgindo a denominação de U(Ultra)DWDM), de 6,4 Tbps (Terabits por segundo), transmitido 160 Canais, com Taxas de 40 Gbps, com espaçamento de 50 GHz á uma distância de 186 km. Fabricantes estão desenvolvendo filtros com espaçamentos menores, como 25 ou 12.5GHz, porém ainda não está claro se ou quando esta tecnologia vai se tornar comercial. Em Maio de 2.002, uma empresa norte-americana, anunciou um equipamento com 640 canais espaçados de apenas 6,25 GHz, o qual chamou de WDM Hiperfino, transmitindo em taxas de 2,5Gbps, para reaproveitar fibras antigas instaladas que por ter alta dispersão não chegariam a taxas de 10Gbps.

Tanto a tecnologia CWDM quanto a DWDM têm incorporado bem a necessidade crescente de funções de Add/Drop ópticas (OADMs), cross connects, e em alguns casos, quando necessário, também algum tipo de gerenciamento de rede e/ou códigos corretores de erro (FECs) embutidos na camada WDM, ou ainda chaves completamente ópticas (all-optical switch). Há um dedo de um possível futuro apontando para redes DWDM completamente em domínio óptico (AONs – All-Optical Networks), na medida em que os Amplificadores ópticos reduziram a necessidade de regeneradores; embora não haja discussão se switches O-E-O (convertem para elétrico depois novamente para óptico) devam ceder seu lugar as O-O-O (all-optical switches), e sim como otimizar as redes usando os dois tipos de tecnologia.

Atualmente já existem equipamentos e operadoras de telecomunicações adotando soluções híbridas CWDM e DWDM. Isto porque há espaço para as duas tecnologias. Na parte mais próxima a rede de acesso usa-se o CWDM enquanto no “núcleo” da rede metro usa-se DWDM. Equipamentos híbridos economizariam espaço ao re-alocar de um para outro o tráfego, ou ainda, onde os limites entre o acesso e o “núcleo” da rede não são tão claros, podemos ter os dois trafegando na mesma fibra, sendo o CWDM usado nas bandas O, E e S e o DWDM na banda C e L, por exemplo.

	CWDM	DWDM
Canais	Comumente 4 ou 8, 12 também disponível, chegando a 18 com fibra LWP	16-32 (metro), 40-160*
Bandas	O+E+S+C+L	C+L (potencial na S)
Espaçamento	20nm	0,8 ou 1.6nm (100 e 200GHz)
Laser	DFB s/ resfriamento, Modulado diretamente	DFB c/ resfriamento (TECs), Moduladores externos, Controle de corrente preciso
Técnicas de DEMUX	Filtro Dielétrico, Redes de Bragg	Filtro Dielétrico, redes de Bragg, AWGs
Capacidade do canal	<2.5Gbps	10Gbps ou mais
Capacidade da Fibra	Comumente 20Gbps, chegando a 45Gbps	400 Gbps – 1.6 Tbps ou mais
Amplificação	Não compensa a relação custo-benefício.	EFDAs, Raman
Distância entre repetidores	< 80km	600 – 1500km (ou mais)
Custo	Baixo	Alto*
*custo-benefício compensa somente a grandes distâncias com alta capacidade

Tipos de Fibra Monomodo

As fibras monomodo atuais mais utilizadas são as enumeradas abaixo:

 

DSF F.O. Monomodo

 

SM – ITU G62:

• Fibra monomodo comum (standard SM), padrão ITU G652, chamada também de NDSF (non-dispersion-shifted fiber). Esta fibra foi padronizada na época para uso na 2a janela, possuindo então valor de dispersão cromática próximo a zero na região dos 1300nm, porém dispersão alta na região dos 1550nm.

 

DSF – ITU G653:

• Fibra com dispersão deslocada (DSF – dispersion shifted fiber), padrão ITU G653. Esta fibra foi uma tentativa de fabricar fibras otimizadas para a 3a janela, com dispersão cromática zero em 1550nm, para suprir a necessidade dos sistemas DWDM. Esta tentativa, porém, se revelou um equívoco pois os efeitos não lineares como a geração de harmônicos (four-wave mixing) aumentam proibitivamente nas proximidades do ponto de dispersão zero.

 

NZ-DSF – ITU G655:

• Fibra com dispersão deslocada não nula (NZ-DSF – non-zero dispersion shifted fiber), padrão ITU G655. Este é o tipo realmente otimizado para sistemas DWDM. A dispersão é baixa, porém não nula em 1550, e este pequeno valor controlado de dispersão resolve o problema dos efeitos não lineares da fibra DSF.

 

LWP – TU G652.C

• Fibra com baixa concentração de íons hidroxila (LWP – Low water peak), padrão ITU G652.C. São fibras otimizadas para as aplicações CWDM em toda a faixa (FS-CWDM – Full Spectum CWDM), eliminando através de novos processos de fabricação o pico de atenuação causado por íons hidroxila (OH) na região dos 1400nm, liberando a banda E para transmissão.

 

Bibliografia

[1]	Jeff Hecht, Understanding Fiber Optics, Prentice Hall PTR, 2002
[2]	www.fiber-optics.info - http://www.fiber-optics.info
[3]	Tutorial Cisco - http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/product/mels/cm1500/dwdm/index.htm
[4]	Tutorial RBN - http://www.rbni.com/rbn_cwdm_tech_paper-1_20sep02.pdf
[5]	Tutorial IEC1 - http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialrwdm/pagina_2.asp
[6]	Tutorial IEC2 - http://www.iec.org/online/tutorials/polar_mode/

1a janela, 2a janela, 3a janela

As “janelas” são regiões do espectro que se encontram entre os picos de atenuação por íons hidroxila (OH) – também chamados erroneamente “picos d’água” (water peaks). Esses picos foram mitigados ao longo do tempo conforme novos processos industriais foram sendo desenvolvidos no intuito de diminuir a incidência de íons hidroxila na fibra, culminando no desenvolvimento das fibras LWP (Low water peak) – padrão ITU G652.C.

GLSR Janelas

 

Atenuação da fibra segundo o ano de fabricação e as janelas.

1ª janela

A 1ª janela fica na região dos 850nm, e foi usada a princípio devido ao fato de que já existia a tecnologia para produzir LEDs nesta região.

2a janela

A 2a janela fica na região de 1310nm.

3a janela

A 3a janela fica na região de 1550nm, apresenta a menor atenuação e é a preferência em aplicações de longa distância DWDM, que utilizam lasers DFB precisos.

Bandas O, E, S, C, L e U

A denominação em janelas ficou obsoleta (principalmente depois do desenvolvimento das fibras LWP) e foi substituída pela denominação em bandas:

Banda O (Original)	- 1260 a 1360nm (equivale a 2a janela)
Banda E (Expanded)	- 1360 a 1460nm (fibras LWP)
Banda S (Short)	- 1460 a 1530nm
Banda C (Conventional)	- 1530 a 1565nm (equivale a 3a janela)
Banda L (Long)	- 1565 a 1625nm
Banda U (Ultra Long)	- 1625 a 1675nm

 

Bibliografia

[1]	Jeff Hecht, Understanding Fiber Optics, Prentice Hall PTR, 2002
[2]	www.fiber-optics.info - http://www.fiber-optics.info
[3]	Tutorial Cisco - http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/product/mels/cm1500/dwdm/index.htm
[4]	Tutorial RBN - http://www.rbni.com/rbn_cwdm_tech_paper-1_20sep02.pdf
[5]	Tutorial IEC1 - http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialrwdm/pagina_2.asp
[6]	Tutorial IEC2 - http://www.iec.org/online/tutorials/polar_mode/

Aplicações SDH / SONeT

Aplicações para SDH

Armários ópticos

São armários ópticos com equipamentos SDH embutidos. Esses armários funcionam como um concentrador de assinantes: em vez de um par de fios sair da casa de cada assinante e ir até a central telefônica, ele se estenderá apenas até um armário próximo que fica instalado numa rua do bairro. Do armário até a central, o sinal segue multiplexado, através de uma fibra óptica, com uma estrutura STM-1. Esta medida economiza fibras e, especialmente, cabos metálicos, porque a distância a ser percorrida por eles é menor. Também, os armários podem ser ligados em anel e facilmente interconectados com a rede da operadora, sendo possível até que ele execute algumas funções de encaminhamento que seriam executadas pela central, aliviando o tráfego.

RDSI

Centrais telefônicas que oferecem acesso RDSI precisam, para funcionar bem, de uma rede de transporte de informações como as de SDH. As redes SDH possibilitam que cada vez mais empresas e pessoas usem, facilmente, enlaces privados a altas taxas. Enlaces privados de 2 Mbps, ou até de 8 Mbps. No equipamento PDH, esse tipo de enlace tornar-se-ia tão complexo, que é inviável; já as redes SDH, com sua flexibilidade, permitem o fornecimento de um ou mais enlaces de forma muito simples. Os softwares dos equipamentos têm avançado em direção tal que dentro em breve será possível até que o próprio usuário faça alterações na rota de seu enlace, usando seu equipamento.

WDM

Esses multiplexadores, usando transponders, modulam os sinais ópticos, fazendo com que cada um dos sinais ocupem uma freqüência de luz diferente, e todos os sinais são transmitidos pela mesma fibra óptica. Já existem WDM que reúnem 32 sinais STM-16, totalizando 80 Gbps numa única fibra. Vários fabricantes oferecem sistemas OADM que funcionam no domínio da luz, ou seja, sinais STM-16 são extraídos ou inseridos sem que seja necessário a conversão para sinais elétricos.

Rede PDH

Uma Rede de Transporte baseada em tecnologia TDM aplicada a sinais digitais plesiócronos. Esta constitui uma tecnologia padrão para transmissão de dados de maneira quase assíncrona. Nas redes existentes, a tecnologia de transmissão ponto-a-ponto é utilizada para suportar a comunicação entre redes de comutação ou entre estas e localidades de clientes. Neste tipo de rede um sinal a 64Kbit/s é inicialmente multiplexado na taxa de 2Mbit/s e, após o estágio de multiplexação de 8Mbit/s, pode chegar a ser transmitido na taxa de 34Mbit/s. Estas taxas de multiplexação definem a hierarquia plesiócrona. Para que este sinal seja recuperado para comutação no seu destino, todo o sinal de 34Mbit/s deve ser demultiplexado. Assim, os outros sinais de 64kbit/s que eventualmente tenham destino diferente também devem ser demultiplexados. Desta forma, caracteriza-se o que se chama de rede ponto-a-ponto, onde todo sinal que compartilhe o canal comum de transporte tem que ser demultiplexado mesmo que esteja “de passagem” neste ponto da rede. A figura a seguir apresenta a estrutura básica de multiplexação para a PDH .

Extrutura básica de multiplexação de uma rede PDH

As redes PDH podem ser modeladas a partir de uma estrutura em camadas. Esta estrutura define entidades de rede e de transporte comuns a todas as redes de transporte e permite que a concepção de gerência destas redes seja única. Uma entidade de transporte definida por esta estrutura é o Trail.

A figura a seguir mostra os Trails (vias de Di e RS D4) criados entre os equipamentos multiplexadores da rede PDH, no caso particular de uma cadeia de multiplexadores de 2Mbit/s até 140Mbit/s.

Trails (vias de Di e RS D4) criados entre os equipamentos multiplexadores da PDH.

Elementos da Rede PDH

Terminal Multiplex

É o elemento que incorpora as funções de terminal de linha e multiplexação síncrona. Apresenta uma direção de transmissão PDH (agregado) e um lado de tributários, PDH de hierarquia inferior entre outros.

REG

Dispositivo que realiza a regeneração do sinal. Em sistemas ópticos corresponde ao processo pelo qual os sinais digitais são re-amplificados, re-formatados e re-sincronizados (RRR) para retransmissão no cabo óptico.

DXC

É o elemento que permite, o estabelecimento de interconexões entre diferentes canais, suporta roteamentos no nível dos tributários PDH de 64kbit/s. O DXC 4/0 aceita entradas de 140Mbit/s e faz roteamento de sinais de 64 kbit/s.

TEORIA PDH (HIERARQUIA DIGITAL PLESIÓCRONA)

Os sistemas de transmissão PDH são oriundos da técnica PCM, que significa Modulação por Código de Pulsos. Como o próprio nome diz, a informação é transmitida por meio de um código binário, que representa um valor discreto aproximado para cada amostra do sinal que contém a informação.

A técnica PCM é, na realidade, o agrupamento de outras técnicas para canais de voz anlógicos, que são:

• Amostragem de um sinal analógico;
• Quantização de amostras;
• Codificação para gerar um sinal digital que represente estas amostras quantizadas.

Após esta etapas ocorre a multiplexação por divisão de tempo (TDM) das amostras do sinal de um canal, ou de suas representações digitais, e assim formamos a configuração multicanal, composta de 30 destes canais, cada canal com 64kbps, dando origem então ao feixe E1 de 2048kbps, sendo este a base do sistema PDH. Detalharemos adiante como é composto este feixe e com obtemos esta taxa de 2048kbps.

A amostragem do sinal foi definida pelo Teorema de Nyquist, também chamado de teorema da amostragem, teorema este que diz que se um sinal contínuo f(t) não contém freqüências maiores que f Hertz, o sinal pode ser completamente descrito pelas amplitudes de suas amostras feitas em intervalos não inferiores a 1/2f segundos. Isto significa que a amostragem do sinal deve ser no mínimo 2f, e de acordo com o teorema, nenhuma informação é perdida. Logo como a faixa de voz fica ao redor de 300 à 3400Hz, padronizou-se que a freqüência do sinal amostrado seria de 8kHz.

Na figura a seguir, mostramos um exemplo de sinal analógico, que está amostrado e logo após foi quantizado e codificado. Observamos que após este processo já temos um sinal digital a ser transmitido.

 A codificação binária para cada amostra do sinal analógico utiliza 8 bits, e padronizou-se que um quadro PCM completo teria 32 intervalos de tempo (IT) multiplexados, logo obtemos a seguinte taxa para um quadro PCM, que é a primeira hierarquia do PDH, chamada E1:

Taxa = 8000Hz * 8bits * 32IT = 2048kbps.

Intervalo de Tempo:
Um IT contém 8 dígitos binários, contados de 1 à 8.

1 ! 2 ! 3 ! 4 ! 5 ! 6 ! 7 ! 8 

Repetição do Intervalo de tempo:
A freqüência de repetição de um Intervalo de tempo é de 256kHz.

t=3.9μs

Quadro:
Um quadro PCM contém 32 intervalos de tempo, numerados de 0 à 31.
O número de dígitos binários por quadro é 256.

0 ! 1 ! 2 !…..29 ! 30 ! 31

Periodo:
A freqüência de repetição do quadro é 8Khz.

Período = 125μs

Na verdade, no quadro PCM não utilizamos todos os intervalos de tempo para voz, mas utilizamos apenas 30, que são os intervalos de 1 à 15 e 17 à 31.

Como observamos anteriormente, temos dois IT que não foram citados por serem especiais, que são o IT 0 e o IT 16. O IT 16 é utilizado para transferir dados, pois o equipamento e o próprio sistema de transmissão trabalha com sinalização por canal comum. Como havíamos mencionado acima, cada IT contém 8 bits podendo sinalizar mais de 30 canais. Esta configuração é padronizada pela ITU (Iternational Telecomunication Union).

Por fim temos de analisar o IT 0, que apresenta fundamental importância no quadro PCM. Este IT caracteriza-se por apresentar alternadamente os chamados Sinais de Alinhamento de Quadro (SAQ). Tais sinais são de extrema importância, pois sem ele não teríamos o sincronismo do nosso feixe PCM entre o equipamento transmissor e o receptor. Analisemos o sinal deste IT na tabela abaixo:

IT0(bits)	1	2	3	4	5	6	7	8
Quadros que contém SAQ	Si 1	0 0	0 0	1 1	1 1	0 0	1 1	1 1
Quadros que não contém SAQ	Si 1	1* 1	A A	Sn 1	Sn 1	Sn 1	Sn 1	Sn 1

Si = bit reserva de uso internacional. Quando não utilizado deve ser fixado em “1”.

1* = Este bit é fixado em “1” para evitar simulação de sinal de alinhamento de quadro.

A = Bit usado para sinal de indicação de alarme remoto (AIS):

A = 0 – Operação Normal

A = 1 – Condição de Alarme

Sn = Bit de reserva nacional. Quando não utilizados devem ser fixados em “1”.

Os bits mostrados em negrito são as situações mais comumente utilizadas. O SAQ é mostrado nos quadros pares, e nos ímpares mostramos a sinalização de alarme remoto, ficando esta alternância sempre ocorrendo. Portanto, em 1 segundo, teremos 4000 quadros de SAQ. O sinal de 2048kbps deve apresentar um desvio máximo de 50 ppm.

Ainda temos, quanto a polaridade do sinal binário, a chamada codificação HDB3, que basicamente coloca os valores de bit “1” como um sinal bipolar que alterna-se, ou seja para dois bits “1” seguidos, teríamos um valor positivo e um negativo. Então, quando de uma seqüência de zeros um sinal de violação é inserido, que serve para que não ocorra perda de sincronismo. A partir da montagem do feixe E1, que é o sinal básico do sistema PDH com taxa de 2048kbps, foram surgindo os demais níveis da hierarquia, sempre padronizados, conforme tabela a seguir: 

Nível da Hierarquia	Taxa de bits em Kbps
E1	2.048
E2	8.448
E3	34.368
E4	139.264

 Chegou a ser utilizada a taxa de 565 Mbps, porém esta não foi padronizada pela ITU-T. Alguns autores denominam o sinal com taxa de 64Kbps de E0, porém esta definição não tem uma padronização. Cada nível é formado da composição de 4 feixes do nível imediatamente anterior da hierarquia, e até por isso a taxa de 64kbps como sinal E0 não seguiria esta lógica de formação. Na figura a seguir, mostramos como é feita a composição destas hierarquias:

 

Como podemos observar, o sistema vai subindo de hierarquia agrupando quatro feixes do nível anterior. A principal dificuldade do sistema PDH consiste no fato de que para obtermos um tributário E1, de 2Mbps, a partir de um sistema E4, de 140Mbps, temos de implementar todas as etapas de multiplexação e demultiplexação, obrigando-nos a implementar os “hardwares” necessários para todas as etapas, o que torna o processo oneroso e na maioria das vezes não muito prático.

É importante salientarmos, ainda, que estas taxas acima apresentadas são padronizações da ITU, porém não são utilizadas em todos os países. Os Estados Unidos, por exemplo, utilizam outras taxas para a padronização de seus sistemas PDH, o que causa dificuldades em conexões internacionais.