Rede de Óptica Passiva (PON)
Saiba mais sobre redes ópticas passivas, incluindo os diferentes tipos de PON, as várias aplicações de PON, os benefícios de PON, a arquitetura PON, etc.
O que é uma Rede Óptica Passiva?
Uma rede óptica passiva (PON) é uma rede de fibra óptica que utiliza uma topologia ponto-multiponto (P2MP) e divisores ópticos para fornecer dados de um único ponto de transmissão para múltiplos pontos finais de utilizadores. Passivo, neste contexto, refere-se à condição não alimentada da fibra e dos componentes de divisão/combinação.
Em contraste com uma rede óptica ativa, a energia elétrica só é necessária nos pontos de envio e receção, tornando uma PON inerentemente eficiente do ponto de vista dos custos operacionais. As redes ópticas passivas são utilizadas para transmitir simultaneamente sinais nas direções ascendente e descendente para e a partir dos pontos finais do utilizador.
Componentes e Dispositivos de Rede Óptica Passiva
A fibra óptica e os divisores são os verdadeiros blocos de construção “passivos” da PON, sem necessidade de alimentação elétrica. Os divisores ópticos (Planar Lightwave Circuit) não são seletivos por comprimento de onda e simplesmente dividem quaisquer comprimentos de onda ópticos na direção descendente, claro que a divisão de um sinal óptico incorre numa perda de potência que depende do número de formas como um sinal é dividido. Os divisores não requerem qualquer arrefecimento ou outra manutenção contínua inerente aos componentes de rede ativos (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. Está ligado a um comutador central através de pluggables Ethernet. A função principal do OLT é converter, enquadrar e transmitir sinais para a rede PON e coordenar a multiplexagem do terminal de rede óptica (ONT) para a transmissão ascendente partilhada.
Dicas:
Também pode ver os dispositivos do utilizador final referidos como unidade de rede óptica (ONU), esta é simplesmente uma diferença de terminologia entre os dois principais organismos de normas, a ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) que utiliza ONT e a IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) que utiliza ONU, os dois termos são efetivamente intercambiáveis, mas dependem do serviço e da norma PON que está a ser utilizada.
O ONT é o dispositivo alimentado do sistema de rede óptica passiva na extremidade oposta (utilizador) da rede e inclui portas Ethernet para conectividade de dispositivos ou rede doméstica.
Arquitetura de Rede Óptica Passiva
As redes PON adotam uma arquitetura ponto-multiponto (P2MP) que utiliza divisores ópticos para dividir o sinal descendente de um único OLT em múltiplos caminhos descendentes para os utilizadores finais, os mesmos divisores combinam os múltiplos caminhos ascendentes dos utilizadores finais de volta para o OLT.
Ponto-multiponto foi selecionado como a arquitetura PON mais viável para redes de acesso óptico com as eficiências inerentes de partilha de fibra e baixo consumo de energia. Esta arquitetura foi normalizada em 1998 através da especificação ATM-PON G.983.1.
Atualmente, a norma ITU-T G.984 para G-PON substituiu a norma ATM, uma vez que o Modo de Transferência Assíncrona (ATM) já não é utilizado.
Mecanismo TDM Descendente PON
Os utilizadores são alocados em intervalos de tempo, durante estes tempos, podem transmitir os seus dados a partir de terminais remotos.
Mecanismo TDM Ascendente PON
Uma rede PON começa com o terminal de linha óptica (OLT) na localização da fonte do fornecedor de serviços, normalmente conhecida como Local ou CO (Central Office), ou por vezes referida como central 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 backup, se for utilizada. As fibras de distribuição ligam-se então do divisor a um terminal de queda, que pode estar localizado num armário de rua ou numa caixa robusta montada numa fossa, num poste telegráfico ou mesmo na lateral de edifícios. As fibras de queda fornecem então a ligação final um-para-um da porta do terminal de queda para um ONT/ONU do utilizador final. Em alguns casos, mais do que um divisor é utilizado em série, isto é referido como uma arquitetura de divisor em cascata.
Os sinais transportados na fibra de alimentação podem ser divididos para fornecer serviço a até 128 utilizadores com uma ONU ou ONT a converter os sinais e a fornecer aos utilizadores acesso à Internet. O número de formas como o sinal OLT descendente é dividido ou repartido antes de chegar ao utilizador final é conhecido como a razão de divisão ou divisão (ex. 1:32 ou 1:64).
Em configurações mais complexas, onde o vídeo RF está a ser transmitido em paralelo com o serviço de dados PON ou serviços PON adicionais estão a coexistir na mesma rede PON, os combinadores passivos (MUX) são utilizados na central/escritório local para fundir o comprimento de onda de sobreposição de vídeo e comprimentos de onda de serviço PON adicionais na fibra de alimentação OLT de saída.
Operação de Rede Óptica Passiva
Uma inovação que é parte integrante da operação PON é a multiplexagem por divisão de comprimento de onda (WDM), utilizada para separar fluxos de dados com base no comprimento de onda (cor) da luz laser. Um comprimento de onda pode ser utilizado para transmitir dados descendentes, enquanto outro é utilizado para transportar dados ascendentes. Estes comprimentos de onda dedicados variam dependendo da norma PON em uso e podem estar presentes simultaneamente na mesma fibra.
O acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) é outra tecnologia utilizada para alocar a largura de banda ascendente a cada utilizador final durante um período de tempo específico, que é gerido pelo OLT, impedindo colisões de comprimento de onda/dados nos divisores PON ou OLT devido a múltiplos ONT/ONU a transmitir dados ascendentes ao mesmo tempo. Isto também é referido como transmissão em modo burst para o ascendente PON.
Tipos de Serviço PON
Desde a sua introdução na década de 1990, a tecnologia PON continuou a evoluir e múltiplas iterações da topologia da rede PON tomaram forma. As normas originais de rede óptica passiva, APON e BPON, deram gradualmente lugar aos benefícios de largura de banda e desempenho geral das versões mais recentes.
Aplicações PON
Uma PON é por vezes referida como a “última milha” entre o fornecedor e o utilizador, ou a Fibra para o x (FTTx) com “x” a significar a casa (FTTH), o edifício (FTTB), as instalações (FTTP) ou outra localização, dependendo de onde a fibra óptica é terminada. Até agora, a fibra para a casa (FTTH) tem sido a principal aplicação para PON.
A infraestrutura de cablagem reduzida (sem elementos ativos) e os atributos de transmissão de meios flexíveis das redes ópticas passivas tornaram-na ideal para aplicações domésticas de Internet, voz e vídeo. À medida que a tecnologia PON continuou a melhorar, as aplicações potenciais também se expandiram.
A implementação de 5G continua, e as redes PON encontraram uma nova aplicação com o fronthaul 5G. O fronthaul é a ligação entre o controlador de banda base e a cabeça de rádio remota no local da célula.
Devido às exigências de largura de banda e latência impostas pelo 5G, a utilização de redes PON para completar as ligações de fronthaul pode reduzir a contagem de fibra e melhorar a eficiência sem comprometer o desempenho. Da mesma forma que o sinal de origem é dividido entre os utilizadores para FTTH, o sinal das unidades de banda base pode ser distribuído para uma matriz de cabeças de rádio remotas.
Aplicações adicionais que são adequadas para redes ópticas passivas incluem campi universitários e ambientes empresariais. Para aplicações de campus, as redes PON produzem vantagens discerníveis no que diz respeito à velocidade, consumo de energia, fiabilidade e distâncias de acesso, mas principalmente custos de construção/implementação e operação contínua.
A PON permite a integração de funções do campus, como gestão de edifícios, segurança e estacionamento, com equipamento dedicado, cablagem e sistemas de gestão reduzidos. Da mesma forma, complexos empresariais de médio a grande porte podem colher benefícios imediatos da implementação da PON, com os custos reduzidos de instalação e manutenção a impactar diretamente o resultado final.
Benefícios das Redes Ópticas Passivas
Utilização 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 energia apenas necessária nas extremidades de origem e receção do sinal, existem menos componentes elétricos no sistema, reduzindo os requisitos de manutenção e menos oportunidades de falhas de equipamento alimentado.
Infraestrutura Simplificada e Facilidade de Atualização
A arquitetura passiva também elimina a necessidade de armários de cablagem, infraestrutura de arrefecimento ou eletrónica de meio vão. À medida que a tecnologia evolui, apenas os dispositivos de extremidade (OLT, ONT/ONU) requerem atualização ou substituição, uma vez que a fibra óptica e a infraestrutura do divisor permanecem constantes.
Utilização Eficiente da Infraestrutura
Todos os operadores precisam de obter o máximo que podem da infraestrutura nova ou existente e obter capacidade de serviço numa pegada de rede existente. As várias normas PON combinadas com serviços como RF over Glass (RFoG) ou sobreposição de vídeo RF podem coexistir na mesma PON para oferecer múltiplos serviços (triple play) e obter mais largura de banda sobre a mesma fibra.
Facilidade de Manutenção
As redes de cobre que estão a ser substituídas pela PON são muito vulneráveis à interferência eletromagnética e ao ruído. Sendo ópticas, as redes PON não são suscetíveis a tal interferência e preservam a integridade do sinal bem ao longo da distância planeada. Numa rede PON, precisamos principalmente de nos preocupar se os dispositivos ativos (o ONT, ONU e OLT) estão a gerir o tempo e a transmissão do sinal corretamente e se os componentes passivos não estão a causar muita perda de sinal (atenuação óptica). 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
Apesar dos inúmeros benefícios, existem potenciais desvantagens nas redes ópticas passivas quando comparadas com as redes ópticas ativas. O alcance para PON é limitado entre 20 a 40 km, enquanto uma rede óptica ativa pode atingir até 100 km.
Acesso ao Teste
A resolução de problemas pode ser desafiante em algumas condições, uma vez que o acesso ao 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 a outros utilizadores finais na mesma PON. Se existir acesso ao teste, então o teste pode ser realizado com uma solução de teste portátil ou centralizada utilizando um comprimento de onda fora de banda, como 1650 nm, para evitar qualquer confronto com os comprimentos de onda PON existentes. Onde o acesso ao teste não está planeado, o acesso deve ser obtido a partir de uma ou outra extremidade no OLT ou ONT, ou uma secção da PON deve ser retirada de serviço temporariamente.
Alta Vulnerabilidade a Avarias na Linha de Alimentação ou no OLT
Devido à arquitetura P2MP, a linha de alimentação e o OLT servem múltiplos utilizadores finais (potencialmente até 128). Existe pouca redundância e, neste caso, um corte acidental de fibra ou um OLT defeituoso, a interrupção do serviço pode ser extensa.
No geral, os benefícios inerentes às redes ópticas passivas superam substancialmente estas limitações.
À medida que a tecnologia PON continua a melhorar, as vantagens estratégicas e económicas da implementação da PON tornam-se mais convincentes. Os desafios que estão a ser abordados pelos designers das gerações futuras incluem a melhoria da capacidade de alcance e maiores rácios de divisão para reduzir ainda mais a despesa de cabos. Estas melhorias, combinadas com velocidades que agora atingem 10 Gbps e além, ajudarão a continuar a expansão das redes ópticas passivas nas cidades inteligentes, universidades, hospitais e empresas que compõem o mundo conectado do amanhã.