Rede óptica passiva (rede PON)
Uma rede óptica passiva (rede PON) é uma rede de fibra óptica que utiliza topologia de ponto a multiponto e splitters ópticos para fornecer dados de um único ponto de transmissão a múltiplos pontos para usuários finais. Passivo, neste contexto, refere-se à condição sem energia na fibra e nos componentes de divisão/combinação.
Diferentemente de uma rede óptica ativa, a energia elétrica é necessária somente nos pontos de transmissão e de recepção, tornando a rede PON inerentemente eficiente do ponto de vista de custo operacional. Redes ópticas passivas são utilizadas para transmitir sinais simultaneamente nas direções upstream e downstream para e de pontos finais de usuários.
Componentes e dispositivos de rede PON
A fibra óptica e os splitters são os verdadeiros blocos de construção “passivos” da rede PON, que não necessitam de energia elétrica. Os splitters ópticos não são seletivos de comprimento de onda e simplesmente dividem quaisquer comprimentos de onda ópticos na direção downstream. Naturalmente, a divisão de um sinal óptico incorre em uma perda de potência que depende do número de maneiras pelas quais um sinal é dividido. Splitters não requerem resfriamento ou outro tipo de manutenção contínua, típica de componentes de redes ativas (como amplificadores ópticos), e podem durar décadas se forem deixados intocados. Além dos componentes passivos, dispositivos finais ativos são necessários para completar a rede PON.
O terminal de linha óptica (OLT) é o ponto de partida de uma rede óptica passiva. Ele é conectado a um core de comutação por meio de dispositivos Ethernet plugáveis. A função primária do OLT é converter, enquadrar e transmitir sinais para a rede PON e coordenar a multiplexação do terminal de rede óptico (ONT) para a transmissão upstream compartilhada. O ONT é o dispositivo energizado do sistema da rede óptica passiva na extremidade oposta (do usuário) da rede e inclui portas Ethernet para conectividade no dispositivo da residência ou na rede.
Esses dispositivos de usuário final também são chamados de unidades de rede óptica (ONUs) pelo IEEE, enquanto a ITU-T normalmente usa o acrônimo ONT. Essa diferença sutil na terminologia também indica qual serviço e norma de rede PON está sendo utilizado (veja abaixo).
Arquitetura de rede PON
As redes PON adotam uma arquitetura de ponto a multiponto (P2MP) que utiliza splitters ópticos para dividir o sinal de um único OLT em múltiplos caminhos downstream até os usuários finais. Os mesmos splitters combinam os múltiplos caminhos upstream dos usuários finais de volta ao OLT.
A arquitetura de ponto a multiponto foi selecionada como a arquitetura de rede PON mais viável para redes de acesso óptico devido às eficiências inerentes do compartilhamento de fibra e baixo consumo de energia. Essa arquitetura foi padronizada em 1998 por meio da especificação ATM-PON G.983.1.
Atualmente, a norma ITU-T G.984 para G-PON substituiu a norma ATM, pois o modo de transferência assíncrono (ATM) não é mais utilizado.
Uma rede PON começa com o terminal de linha óptico (OLT) no local da fonte do provedor de serviço, tipicamente conhecido como escritório local ou central, ou algumas vezes denominado como Exchange ou headend. Deste ponto, o cabo alimentador de fibra óptica (ou alimentador de fibra) é roteado para um splitter passivo, junto com uma fibra reserva, se utilizada. Fibras de distribuição são conectadas dos splitters a um terminal de derivação, que pode estar localizado em um armário de rua, em um alojamento reforçado montado em uma vala, em um poste telegráfico ou mesmo na lateral de um edifício. Fibras drop fornecem a conexão final, ponto a ponto, de uma porta do terminal de derivação para uma ONT/ONU de usuário. Em alguns casos, mais de um splitter é usado em série. Isto é chamado de arquitetura splitter em cascata.
Os sinais transportados na fibra do alimentador podem ser divididos em até 256 usuários para fornecer serviço, com uma ONU ou ONT convertendo os sinais e dando acesso à internet aos usuários finais. O número de vias do sinal OLT downstream que é dividido antes de atingir o usuário final é denominado de razão do splitter ou razão de divisão (por exemplo, 1:32 ou 1:64).
Em configurações mais complexas em que o vídeo está sendo transmitido via RF, em paralelo ao serviço de dados da rede PON, ou serviços de rede PON adicionais coexistem na mesma rede PON, são usados multiplexadores passivos (MUX) no escritório central/local para unir o comprimento de onda da camada de vídeo e os comprimentos de onda do serviço da rede PON adicional no OLT de saída da fibra alimentadora.
Operação de rede óptica passiva
Uma inovação integral à operação da rede PON é a multiplexação da divisão de onda (WDM), usada para separar os fluxos de dados com base no comprimento de onda (cor) da luz a laser. Um comprimento de onda pode ser utilizado para transmitir dados downstream enquanto outro é utilizado para transportar dados na direção upstream. Esses comprimentos de onda dedicados variam dependendo da norma da rede PON em uso e podem estar presentes simultaneamente na mesma fibra.
A tecnologia de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) gerenciada pelo OLT é usada para alocar largura de banda upstream para cada usuário final por um período de tempo específico. Isto evita colisões de comprimento de onda/dados nos splitters da rede PON ou OLT enquanto várias ONTs/ONUs estão transmitindo dados upstream ao mesmo tempo. Isto também é conhecido como transmissão em modo de rajada para a rede PON upstream.
Tipos de serviço de rede PON
Desde a sua introdução na década de 1990, a tecnologia de rede PON continuou a evoluir e múltiplas variações da topologia de rede PON ganharam forma. As normas originais para rede óptica passiva, APON e BPON, deram lugar gradualmente aos benefícios da largura de banda e de desempenho geral das versões mais novas.
G-PON
A PON com capacidade de Gigabit ou G-PON, desenvolvida pela ITU-T utiliza protocolos IP e é reconhecida pela excelente flexibilidade em relação aos tipos de tráfegos, incluindo aplicações “triple-play” para voz, internet e televisão. O método de encapsulamento genérico da G-PON é capaz de formar pacotes IP, Ethernet, VoIP e vários outros tipos de dados.
A G-PON é considerada a norma da rede PON de fato em uso atualmente, com redes cobrindo distâncias entre 20 a 40 km, dependendo da razão de divisão adotada, em uma fibra monomodo. O comprimento de onda downstream é configurado em 1490 nm com comprimento de onda na direção upstream em 1310 nm, com velocidade downstream de 2,4 Gbps e upstream de 1,2 Gbps.
E-PON
Uma norma adicional para rede óptica passiva da IEEE é a Ethernet PON, ou E-PON, que foi desenvolvida para conectividade perfeita com dispositivos Ethernet. Baseado na norma IEEE 802.3, a E-PON não necessita de encapsulamento adicional ou protocolos de conversão para se conectar em redes Ethernet. Isto se aplica a ambas as direções de transferência de dados, upstream e downstream.
Uma E-PON convencional pode suportar velocidades simétricas de até 1,25 Gbps upstream e downstream. Como a G-PON, a E-PON fornece um alcance entre 20 a 40 km, também dependendo da razão de divisão, e utiliza comprimentos de onda similares de 1310 nm upstream e 1490 nm downstream, porque tanto E-PON quanto G-PON não podem ser implementadas na mesma rede PON. Uma nova emenda à norma IEEE E-PON foi introduzida em 2020 para suportar a operação E-PON de 25 Gbps e 50 Gbps em um único fio de fibra óptica.
10G-EPON
A norma 10G-EPON mais avançada aumenta as velocidades para um fluxo simétrico de 10 Gbps upstream e downstream, além de operar em diferentes comprimentos de onda para E-PON usando 1577 nm para downstream e 1270 nm para upstream, habilitando a mesma rede PON para ser usada em E-PON e 10G-EPON simultaneamente como um mecanismo para permitir atualização de serviço perfeita e aumento de capacidade em uma rede PON existente.
XG(S)-PON
A versão 10G da G-PON é conhecida como XG-PON. Este novo protocolo suporta velocidades de 10 Gbps downstream e 2,5 Gbps upstream. Embora a fibra física e as convenções de formatação de dados sejam idênticas à G-PON original, os comprimentos de onda mudaram, como a 10G-EPON, para 1577 nm na direção downstream e 1270 nm para upstream. Novamente, esse ajuste permite que a mesma rede PON seja usada para ambas G-PON e XG-PON simultaneamente. A versão aprimorada da XG-PON é a XGS-PON que utiliza os mesmos comprimentos de onda da XG-PON e fornece um serviço simétrico de 10 Gbps nas direções upstream e downstream.
NG-PON2
Além da XG(S) temos a NG-PON2 que utiliza WDM com múltiplos comprimentos de onda de 10G, nas direções upstream e downstream, para proporcionar um serviço simétrico de 40 Gbps. Repetindo, a NG-PON2 usa comprimentos de onda diferentes para G-PON e XG/XGS-PON para permitir a coexistência dos serviços de todas as três na mesma rede PON.
Conforme as demandas por velocidade continuam a aumentar ano após ano, as XG-PON, XGS-PON e NG-PON2 proporcionarão um caminho de atualização que deve se comprovar especialmente benéfico em grandes instalações com múltiplos usuários ou clientes comerciais e como parte de redes 5G wireless.
50G-PON
A ITU-T selecionou uma taxa de linha de 50 Gbps para a próxima geração de G-PON, com a primeira norma para 50G-PON assimétrica (50 Gbps/12,5 Gbps, 50 Gbps/25 Gbps) publicada em 2021, e uma emenda definindo o serviço simétrico de 50 Gbps após 2022. Ao operar em comprimentos de onda de 1286 nm upstream e 1342 nm downstream, a nova norma deve coexistir com G-PON e XG(S)-PON.
A norma 50G-PON representa um passo importante para atender aos exigentes requisitos residenciais e de fronthaul 5G. Embora totalmente apoiada pelos principais fornecedores de equipamentos, dispositivos e chips de rede PON, a primeira implantação comercial de 50G-PON é esperada em 2024.
Video RF Overlay
Sinais de TV em RF (analógicos ou digitais) podem ser transmitidos em uma rede PON sendo modulados em um único comprimento de onda de luz, usando tipicamente um comprimento de onda de 1550 nm, denominado como Video RF Overlay.
Aplicações de rede PON
Uma rede PON é denominada algumas vezes como o “último quilômetro” entre o provedor e o usuário ou a fibra ao X (FTTX), sendo que o “X” representa residência (FTTH), edifício (FTTB), instalações (FTTP) ou outro local, dependendo de onde a fibra óptica é terminada. Até o momento, fibra até a residência (FTTH) é a principal aplicação para a rede PON.
A infraestrutura reduzida de cabeamento (sem elementos ativos) e transmissão de mídia flexível das redes ópticas passivas fizeram dela a opção ideal para internet doméstica e aplicações de voz e vídeo. A tecnologia de rede PON continua a melhorar e as aplicações em potencial também expandiram.
A implementação de 5G continua e as redes PON encontraram uma nova aplicação na fronthaul 5G. Fronthaul é a conexão entre o controlador de banda base e a cabeça de rádio remota na rede móvel. Devido às demandas de largura de banda e latência impostas pelo 5G, utilizar redes PON para concluir as conexões fronthaul pode reduzir a contagem de fibras e melhorar a eficiência sem comprometer o desempenho.
Da mesma forma que o sinal de origem é dividido entre os usuários para FTTH, o sinal das unidades de banda base pode ser distribuído para uma matriz de unidades de rádio remotas. O contrato de várias fontes 25GS-PON (MSA) reuniu as principais operadoras e fornecedores de 5G com o objetivo de fornecer serviço simétrico de 25 Gbps para atender aos requisitos de alta velocidade das redes 5G.
Aplicações adicionais, bem adequadas às redes ópticas passivas, incluem campi universitários e ambientes comerciais. Para aplicações em campi universitários, as redes PON oferecem vantagens em relação a velocidade, consumo de energia, confiabilidade e distâncias de acesso. Os custos associados à construção/implantação e operação contínua também são reduzidos.
A rede PON habilita a integração das funções do campus como gestão predial, segurança e estacionamento, com poucos equipamentos, cabeamento e sistemas administrativos dedicados. Da mesma forma, complexos empresariais de médio e grande porte podem usufruir os benefícios imediatos da implementação da rede PON, com custos reduzidos de instalação e manutenção afetando diretamente os resultados financeiros.
Benefícios da rede PON
Uso eficiente da energia
São muitas as vantagens inerentes à implantação da rede PON. O mais fundamental desses benefícios é que a energia não é necessária para a rede de acesso. Com energia requerida somente nas extremidades de transmissão e recepção, há menos componentes elétricos no sistema, reduzindo os requisitos de manutenção e as oportunidades de falhas de equipamentos energizados.
Infraestrutura simplificada e facilidade de atualização
A arquitetura passiva também elimina a necessidade de armários de cabeamento, infraestrutura de refrigeração ou equipamentos eletrônicos em trechos intermediários. Conforme a tecnologia de rede PON evolui, somente os dispositivos das extremidades (OLT, ONT/ONU) necessitarão de atualização ou troca, pois a fibra óptica e a infraestrutura de splitter permanece a mesma.
Uso eficiente da infraestrutura
Os operadores precisam obter o máximo possível de infraestrutura nova ou existente encontrando formas de ganhar capacidade de serviço em relação à área ocupada de uma rede existente. As várias normas da rede PON combinadas com serviços como RF em fibra (RFoG) ou Video RF Overlay podem coexistir na mesma rede PON para oferecer múltiplos serviços (triple play) e ganhar mais largura de banda na mesma fibra.
Facilidade de manutenção
Redes de cobre, que estão sendo substituídas por rede PON, são vulneráveis à interferência eletromagnética e a ruídos. Sendo ópticas, as redes PON não são susceptíveis a tal interferência e preservam bem a integridade do sinal ao longo de sua distância planejada. Nas redes PON, precisamos verificar principalmente se os dispositivos ativos (ONT, ONU e OLT) estão gerenciando o sincronismo e a transmissão de sinal corretamente e se os componentes ópticos passivos não estão causando muita perda de sinal (atenuação óptica). Como é fácil ver e identificar as fontes de perda nos elementos da rede PON, é mais simples fazer a manutenção e o troubleshooting dessas redes.
Limitações da rede PON
Distância
Apesar dos inúmeros benefícios, há desvantagens em potencial para as redes ópticas passivas em comparação com redes ópticas ativas. O range de uma rede PON fica limitado entre 20 e 40 km, ao passo que uma rede óptica ativa pode atingir até 100 km.
Acesso a teste
O troubleshooting pode ser desafiador em algumas condições, pois o acesso a teste pode ser esquecido ou ignorado no projeto de uma rede PON e as ferramentas de teste devem permitir o troubleshooting em redes ativas sem interromper o serviço de outros usuários finais na mesma rede PON. Se houver acesso a pontos de testes, ele deve ser feito com uma solução de teste portátil ou centralizada usando comprimentos de onda fora da banda, como 1650 nm, para evitar colisões com os comprimentos de onda de rede PON existentes. Onde não houver acesso planejado para testes, o acesso deve ser obtido a partir das extremidades no OLT ou ONT, ou uma seção da rede PON deve ser retirada de operação temporariamente.
Alta vulnerabilidade a problemas na linha alimentadora ou no OLT
Com a arquitetura P2MP, linha alimentadora e múltiplos usuários finais do serviço OLT (potencialmente até 256). Como há pouca redundância no caso de um corte acidental da fibra ou de um OLT com defeito, a interrupção do serviço pode ser prolongada.
Em geral, os benefícios inerentes das redes ópticas passivas superam substancialmente essas limitações.
Conforme a tecnologia continua a melhorar, as vantagens estratégicas e econômicas da implantação da rede PON tornam-se mais atraentes. Os desafios estão sendo tratados pelos projetistas das futuras gerações, incluindo maior capacidade de range e razão de splitter mais elevada para reduzir ainda mais os gastos com cabos. Essas melhorias, combinadas com velocidades que agora chegam a 10 Gbps e logo atingirão 50 Gbps e até mais, vão ajudar a continuar a expansão de redes ópticas passivas em cidades, universidades, hospitais e corporações inteligentes que formam o mundo conectado do futuro.
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