Rede óptica passiva (PON)

O que é uma rede óptica passiva?

Uma rede óptica passiva (PON) é uma rede de fibra óptica que utiliza topologia de ponto a multiponto e divisores 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 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 redes ópticas passivas

A fibra óptica e os divisores são os verdadeiros blocos de construção “passivos” da PON, que não necessitam de energia elétrica. Divisores ópticos não são seletivos em termos de comprimento de onda e simplesmente dividem os comprimentos de quaisquer ondas ópticas na direção downstream e, claro, a divisão de um sinal óptico não implica em perda de energia dependendo do número de vias em que o sinal é dividido. Divisores não requerem resfriamento ou outro tipo de manutenção contínua, típica de componentes de redes ativas (como amplificadores ópticos), e podem durar por décadas se forem deixados intocados. Além dos componentes passivos, dispositivos finais ativos são necessários para criar integralmente 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. Você também pode ver os dispositivos de usuário final denominados como unidade de rede óptica (ONU), simplesmente uma terminologia diferente entre as duas principais entidades normativas, a ITU-T que utiliza ONT e a IEEE que utiliza ONU. Os dois termos são efetivamente intercambiáveis, porém dependem do serviço de PON e da norma que está sendo utilizada (veja abaixo).

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.

Arquitetura da rede óptica passiva

Redes PON adotam uma arquitetura P2MP (de um ponto a múltiplos pontos) que utiliza divisores ópticos para dividir o sinal de um único OLT em múltiplos caminhos downstream até os usuários finais. Os mesmos divisores combinam os múltiplos caminhos upstream dos usuários finais de volta ao OLT.

A arquitetura de um ponto a múltiplos pontos foi selecionada como a arquitetura PON mais viável para redes de acesso óptico com as 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 divisor passivo, junto com uma fibra reserva, se utilizada. Fibras de distribuição são conectadas dos divisores a um terminal de derivação, que pode estar localizado em um armário de rua ou em um alojamento reforçado, montado em uma vala, ou em um poste telegráfico ou mesmo na lateral de um edifício. Fibras drop fornecem a conexão final, ponto a ponto, da porta do terminal de derivação para um ONT/ONU de usuário. Em alguns casos, são utilizados mais de um divisor em série; isto é denominado de arquitetura de divisores em cascata.

Os sinais transportados na fibra do alimentador podem ser divididos em até 256 usuários para fornecer serviço, com um ONU ou ONT convertendo os sinais e fornecendo 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 divisor ou razão de divisão (p.ex. 1:32 ou 1:64). 

Em configurações mais complexas em que o vídeo está sendo transmitido via RF, em paralelo ao serviço de dados PON, ou serviços PON adicionais coexistem na mesma rede PON, são usados combinadores passivos (MUX) no escritório central/local para unir o comprimento de onda da camada de vídeo e os comprimentos de onda do serviço PON adicional no OLT de saída da fibra alimentadora.

Operação de rede óptica passiva

Uma inovação integral à operação da 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 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 PON em uso e podem estar presentes simultaneamente na mesma fibra. 

O acesso à múltipla divisão de tempo (TDMA) é outra tecnologia utilizada para alocar a largura de banda upstream até cada usuário final durante um tempo específico, que é gerenciado pelo OLT, prevenindo colisões de comprimento de onda/dados nos divisores da PON ou no OLT devido à múltiplos ONT/ONU transmitindo dados na direção upstream ao mesmo tempo. Isto também é conhecido como transmissão em modo de rajada para a PON upstream. 

Tipos de serviço de PON

Desde a sua introdução na década de 1990, a tecnologia 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 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.

• 10G-E-E-PON

  A norma 10G-EPON mais avançada aumenta as velocidades para um fluxo simétrico de 10 Gbps upstream e downstream, além disso ela opera em diferentes comprimentos de onda para E-PON usando 1577 nm para downstream e 1270 nm para upstream, habilitando a mesma PON para ser usada em E-PON e 10G-EPON simultaneamente como um mecanismo para permitir uma atualização de serviço perfeita e a capacidade aumenta 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 incrementada 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.

• Video RF Overlay

  Sinais de TV em RF (analógicos ou digitais) podem ser transmitidos em uma PON sendo modulados em um único comprimento de onda de luz, usando tipicamente um comprimento de onda de 1550 nm, denominado como sobreposição de vídeo em RF.

Aplicações PON

Uma 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 PON. 

A infraestrutura reduzida de cabeamento (sem elementos ativos) e os atributos de transmissão de mídia flexível das redes ópticas passivas fizeram dela a opção ideal para internet doméstica e aplicações de voz e vídeo. A tecnologia PON continua a melhorar e as aplicações em potencial também expandiram.

A implementação de 5G continua e as redes PON encontraram uma nova aplicação com a fronthaul 5G. Fronthaul é a conexão entre o controlador da banda base e a unidade de rádio remota na rede móvel. 

Devido às demandas de largura de banda e latência impostas pela 5G, utilizar redes PON para concluir as conexões fronthaul pode reduzir a quantidade de fibras e melhorar a eficiência sem abrir mão do 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.

Aplicações adicionais, bem adequadas às redes ópticas passivas, incluem campi universitários e ambientes comerciais. Para aplicações em campi universitários, as redes PON produzem vantagens perceptíveis em relação a velocidade, consumo de energia, confiabilidade e distâncias de acesso, mas principalmente de custo de construção/implementação e operação contínua. 

A 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 PON, com custos reduzidos de instalação e manutenção afetando diretamente os resultados financeiros.

Aplicações de redes ópticas passivas

• Uso eficiente da energia

  As vantagens inerentes à implantação da PON são muitas. 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 evolui, somente os dispositivos das extremidades (OLT, ONT/ONU) necessitarão de atualização ou troca, pois a fibra óptica e a infraestrutura de divisão permanece a mesma.

• Uso eficiente da infraestrutura

  Todos os operadores precisam obter o máximo possível de infraestrutura nova ou existente e ganhar capacidade de serviço em relação à área ocupada de uma rede existente. As várias normas PON combinadas com serviços como RF em fibra (RFoG) ou sobreposição de vídeo em RF podem coexistir na mesma 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 PON, são muito 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 da distância planejada. Em uma rede 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 ativos não estão causando muita perda de sinal (atenuação óptica). A perda é fácil de se ver, e é fácil identificar a causa nos elementos da PON, facilitando a manutenção e o troubleshooting dessas redes.

Limitações das redes ópticas passivas

• Distância

  Apesar dos inúmeros benefícios, há desvantagens em potencial para as redes ópticas passivas em comparação com redes ópticas ativas. O range de uma PON é limitado de 20 a 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 PON e as ferramentas de teste devem permitir o troubleshooting on-line sem interromper o serviço de outros usuários finais na mesma PON. Se houver acesso a pontos de teste, ele deve ser feito com uma solução de teste portátil ou centralizada usando comprimento de onda fora da banda, como 1650 nm para evitar colisões com os comprimentos de onda PON existentes. Onde não houver acesso planejado para testes, o acesso deve ser obtido a partir de uma ou outra extremidade no OLT ou ONT, ou uma seção da PON deve ser retirada de operação temporariamente.

• Alta vulnerabilidade a problemas na linha alimentadora ou no OLT

  Deve-se à arquitetura P2MP, à linha alimentadora e aos múltiplos usuários finais do serviço OLT (potencialmente até 256). Há pouca redundância e 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 PON tornam-se mais atraentes. Os desafios estão sendo tratados pelos projetistas das futuras gerações, incluindo maior capacidade de range e razão de divisão mais elevada para reduzir ainda mais os gastos com cabos. Essas melhorias, combinadas com velocidades que agora chegam a 10 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.