1sj.ifsc.edu.br/~mdoniak/SistemasOpticos/Tutorial DWDM Teleco 2.pdf · O Equipamento DWDM utiliza módulos Amplificadores de Linha Booster, Pre-amplifier e Inline Amplifier para alcances

www.teleco.com.br 1

Sistemas DWDM: Visão Sistêmica Atual

Este tutorial apresenta uma visão sistêmica da tecnologia DWDM, incluindo a teoria e a composição modular.

Jair Lisboa dos Santos Engenheiro Eletricista, com ênfase em Eletrônica e Telecomunicações (CEFET-PR 1989) e pós-graduado em Sistemas de Fotônica (UFPE 2004). Atuou durante 15 anos na área de Telecomunicações como instrutor no Centro de Treinamento Werner von Siemens, da Siemens Telecomunicações de Curitiba (PR), com enfoque em Sistemas de Transmissão Óptico e via Rádio, além de Sistemas de Acesso (ADSL e GPON). Ministrou cursos Alemanha, Irlanda, Portugal, África do Sul, Chile, Colômbia e Bolívia. Trabalhou em Munique, Alemanha, durante 1 ano (1997) na elaboração e instrutoria de cursos na Siemens Training Institute. Atualmente faz parte do quadro de funcionários da Petrobrás, atuando como Engenheiro de Telecomunicações na área de Projetos e Padronização de Telecomunicações. E-mail: [email protected]

Categoria: Redes Ópticas

Nível: Intermediário Enfoque: Técnico

Duração: 40 minutos Publicado em: 28/07/2008

www.teleco.com.br 2

Sistemas DWDM: Introdução

Espectro Eletromagnético para Transmissão Óptica A distinção entre as ondas eletromagnéticas é feita pela freqüência ou pelo comprimento de onda. Matematicamente a freqüência (f em Hz), o comprimento de onda (l em metros) e a velocidade da onda no vácuo (c0 = 3x108 m/s) estão relacionadas pela seguinte equação: l= c0/f. O espectro óptico está dividido em três faixas denominadas de banda ultravioleta, banda visível e banda infravermelha. As bandas ultravioleta e infravermelha não são visíveis pelo ser humano. As radiações usadas atualmente em comunicações ópticas estão na faixa da luz infravermelha, com comprimento de onda variando de 800nm a 1700nm.

Figura 1: Espectro Eletromagnético para Transmissão Óptica.

Janelas de transmissão Ao analisarmos os possíveis comprimentos para a transmissão de sinais, devemos observar também as propriedades da fibra. As fibras ópticas não transmitem sinais de uma forma eficaz em todos os comprimentos de onda, somente em alguns intervalos, também conhecidos como janelas de transmissão. Hoje em dia, normalmente a 2ª janela (aprox. 1300 nm), a 3ª janela (Conventional band ou C-band) de 1530 a 1565 nm e a 4ª janela (Long band ou L-band) de 1565 a 1620 nm são utilizadas.

www.teleco.com.br 3

Figura 2: Janelas de Transmissão.

DWDM O DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing - multiplexação densa por divisão de comprimento de onda) é uma tecnologia que pode combinar dezenas de canais em uma única fibra, economizando fibras e equipamentos de transmissão. O espaçamento entre os canais pode ser de 200 GHz (1.6 nm), 100 GHz (0,8 nm), 50 GHz (0,4 nm), podendo chegar a 25 GHz (0,2 nm). Os sistemas DWDM utilizam comprimentos de onda entre aproximadamente 1500 nm e 1600 nm e apresentam alta capacidade de transmissão por canal (hoje 40 Gbit/s), podendo alcançar 1 Tbit/s na transmissão de dados sobre uma fibra óptica. Dentro das janelas de transmissão a ITU-T define em sua recomendação G.692 [1] o espectro de utilização para a tecnologia DWDM. Na verdade, não os comprimentos de onda, mas as freqüências foram definidas. Existe ainda uma subdivisão de espectro em “Blue Band” (Banda Azul) e “Red Band” (Banda Vermelha). Além dos canais úteis, existem comprimentos de onda reservados aos canais de supervisão óptica OSC (Optical Supervisory Channel) em 1510nm, fora da banda C e desacoplado dos amplificadores ópticos EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier - amplificador de fibra dopada a érbio). Os canais de supervisão conectam os elementos da rede DWDM e satisfazem aproximadamente as mesmas funções dos cabeçalhos no sistema SDH (Synchronous Digital Hierarchy - hierarquia digital síncrona).

www.teleco.com.br 4

Bandas de comprimento de onda/espaçamento de freqüência No exemplo abaixo, o Equipamento DWDM usa um máximo de 40 comprimentos de onda dentro da C-band, com espaçamento de freqüência de 100 GHz (0.1 THz):

Figura 3: Sub-bandas de Comprimento de Onda.

www.teleco.com.br 5

Os canais são agrupados em sub-bandas, sendo que cada sub-banda tem 4 canais, de acordo com as freqüências abaixo:

Tabela 1: Freqüências e Comprimentos de Onda das Sub-bandas.

Channels Channels

Frequency (THz)

Wavelength (nm)

Sub-band Frequency (THz)

Wavelength (nm)

Sub-band

196.00 1529.55 194.00 1545.32

195.90 1530.33 193.90 1546.11

195.80 1531.12 193.80 1546.91

195.70 1531.90

C01

193.70 1547.71

C06

195.60 1532.68 193.60 1548.51

195.50 1533.47 193.50 1549.31

195.40 1534.25 192.40 1550.12

195.30 1535.04

C02

193.30 1550.92

C07

195.20 1535.82 193.20 1551.72

195.10 1536.61 193.10 1552.52

195.00 1537.40 193.00 1553.33

194.90 1538.19

C03

192.90 1554.13

C08

194.80 1538.98 195.80 1554.94

194.70 1539.77 192.70 1555.75

194.6 1540.56 192.60 1556.55

194.5 1541.35

C04

195.50 1557.37

C09

194.4 1542.14 192.40 1558.17

194.3 1542.94 192.30 1558.98

194.2 1543.73 192.20 1559.79

194.1 1544.52

C05

192.10 1560.60

C10

www.teleco.com.br 6

Sistemas DWDM: Arquitetura de Hardware I

Existem várias possibilidades para projetar sistemas com diferentes números de canais para o Begin-of-Life (BOL) ou para o End-of-Life (EOL), permitindo então configurações de sistema com eficiência no custo durante o ciclo de vida completo do sistema. A próxima figura mostra um exemplo do equipamento com freqüência/comprimento de onda e multiplexação/demultiplexação de 40 canais. Todavia, outras estruturas são possíveis para suportar outra contagem de canal EOL, como por exemplo, 12, 20 e 32.

Figura 4: Arquitetura de Equipamento DWDM.

Módulo Controlador Este módulo fornece funções de controle e monitoração central do sistema, armazenamento das configurações em uma memória FEPROM, assim como prover interfaces Ethernet Q e QF para o sistema de gerência remoto e local.

www.teleco.com.br 7

Amplificadores Para fins de amplificação é utilizado com freqüência o EDFA. Esses sistemas consistem basicamente de um pump laser, um dispositivo acoplador para interfacear o sinal com a luz do pump laser, e uma fibra dopada a érbio de muitos metros de comprimento. Um pump laser na faixa de 980nm ou 1480nm eleva os elétrons dos íons de érbio de um nível de energia E1 para um nível maior de energia. No próximo passo os elétrons caem para um nível energético ligeiramente menor E2. Finalmente o fenômeno da “emissão induzida” é utilizado. Um fóton do sinal passa pelo elétron, conseqüentemente o elétron cai para o seu estado inicial de energia E1 e enquanto isso ocorre, um fóton de mesma freqüência é emitido. Desta forma temos o sinal amplificado.

Figura 5: Amplificador de Fibra Dopada a Érbio.

Desvantagens:

• A amplificação não é linear na banda. Para ajustar todos os canais para um mesmo nível, talvez seja necessário utilizar atenuadores ópticos variáveis (VOAs - Variable Optical Attenuators) para realizar a pré-ênfase em cada canal individualmente;

• A potência total de saída é constante, independente do número de canais transmitidos. Isso significa que quanto mais canais, menor será a potência por canal e menor será o possível hop, ou seja: Ptotal = Pcanal + (10log N), onde N é o número total de canais.

Vantagens:

• Amplificação simultânea de toda a área de 1550nm; • Há possibilidade de ganhos superiores a 30 dB, sendo aplicável para enlaces em longa distância.

Módulos Amplificadores de Linha Os módulos amplificadores de linha fornecem a amplificação do sinal apresentando um bloco de ganho com um ou dois laser pumps, acesso inter-estágios para compensação de dispersão e um controle de ganho. Os módulos amplificadores de linha são divididos em três tipos de amplificação: inline, booster e pré-amplificador. Opcionalmente pode-se inserir um amplificador Raman (Raman amplifier).

www.teleco.com.br 8

Figura 6: Módulos amplificadores.

O Equipamento DWDM utiliza módulos Amplificadores de Linha Booster, Pre-amplifier e Inline Amplifier para alcances curtos, médios e longos. O módulo amplificador booster contém um amplificador óptico para C-band e é usado em sites terminal e intermediário para amplificação do sinal de linha de saída. Existe somente um booster para cada direção de transmissão. O módulo pré-amplificador contém um amplificador óptico para C-band e é usado em sites terminal e intermediário para amplificação do sinal de linha de entrada antes de alimentar o estágio demultiplexador. Existe somente um pré-amplificador para cada direção de transmissão de um OMS (Optical Multiplex Section - Seção Multiplex Óptica). O ganho dos módulos é incrementado por módulos pump do tipo Raman. O módulo amplificador inline contém um amplificador óptico para C-band e é usado em inline sites para amplificação óptica do sinal. O ganho dos módulos é incrementado por módulos pump tipo Raman. Os módulos amplificadores também têm uma conexão interna de barramento ao canal supervisório óptico (OSC - Optical Supervisory Channel) (EOW, acesso a canal de usuário e funções de controle desligamento automático dos lasers). Amplificadores de Linha para Longo Alcance (Long Span) O EDFA estágio 1 é otimizado para a amplificação de um sinal de potência baixo e, portanto, para amplificação de baixo ruído. Com um filtro tipo GFF (Gain Flattening Filter) e um VOA automaticamente controlado entre os estágios EDFA 1 e 2, um excelente nivelamento de ganho é conseguido sobre um largo espectro de ajustes de ganho. Os pontos de acesso inter-estágio entre os estágios EDFA1 e EDFA3 permitem opcionalmente a interconexão de um módulo Dispersion Compensation Fiber (DCF) ou um módulo Fiber Bragg Grating (FBG) dependendo do tipo de escolha de fibra e requerimentos de compensação por dispersão da rede. O EDFA estágio 2 faz a amplificação final do sinal DWDM antes dele reentrar na fibra, permitindo um máximo alcance. Adicionalmente existe um estágio 3 de amplificação, com acesso opcional para um módulo Raman Pump externo, para amplificação extra em aplicações com vãos muito longos e/ou alto número de canais ópticos. Toda a atenuação incorrida por qualquer dispositivo óptico inter-estágio já está calculada no budget do link óptico.

www.teleco.com.br 9

Uma interface de monitoração externa (External Monitor) para a conexão de um Analisador de Espectro Óptico (Optical Spectrum Analyzer - OSA) está também disponível para funções de monitoração externa do sinal especialmente para realizar a equalização dos sinais a serem transmitidos (processo de pré-ênfase). O amplificador também tem funções de monitoração interna do sinal on-board (Internal Monitor) para funções de shutdown (desligamento) dos lasers. A terminação OSC é feita localmente no cartão e a informação de controle é digitalmente direcionada para o módulo Controlador.

Figura 7: Módulo amplificador de longo alcance.

Espalhamento Raman Estimulado Segundo as teorias quânticas modernas todas as coisas existentes, seja matéria ou energia, se propagam como uma onda e interagem com outras entidades como uma partícula. Em outras palavras, no nível quântico energia e matéria interagem entre si. O efeito de espalhamento de energia chamado Espalhamento Raman Estimulado (Stimulated Raman Scattering - SRS) é um efeito não linear inerente à própria fibra, devido às colisões inelásticas na fibra entre fótons e fônons ópticos. Fônons são partículas derivadas da vibração de elétrons. Como em um jogo de bilhar, um fóton pode bater em um fônon perdendo um pouco de sua (do fóton) energia para o fônon. De forma análoga um fônon pode atingir um fóton e adicionar um pouco de sua (do fônon) energia ao fóton. O resultado é o aparecimento de dois picos após o espalhamento, um menor (com freqüência mais alta) e um maior (com freqüência mais baixa), pois os fótons com freqüência mais alta possuem mais energia e esta é passada, após o espalhamento, aos fótons de baixa freqüência (menor energia) através dos choques com os fônons. Pode-se dizer, então que, se dois comprimentos de onda diferentes são injetados em uma fibra, o SRS será responsável pela transferência de energia do comprimento de onda com freqüência mais alta para o comprimento de onda com freqüência mais baixa. Quanto maior o espaçamento entre canais, maior será o efeito Raman, pois maior será a diferença entre as freqüências.

www.teleco.com.br 10

Figura 8: Espalhamento Raman Estimulado.

Amplificador Raman/Brillouin Os espalhamentos Raman e Brillouin podem ser utilizados para amplificação. A base da amplificação Raman é o efeito de espalhamento de energia explicado no item anterior. Em contraste com os amplificadores de fibra (EDFA), estes amplificadores geralmente são colocados no lado do receptor, havendo um bombeamento na direção contrária. Uma das maiores vantagens é que esses amplificadores podem ser utilizados em toda a banda, de 1300nm a 1600nm, dependendo do comprimento de onda do pump laser. O ganho pode alcançar de 10 a 14 dB. Para fins práticos, costuma-se fazer uma analogia deste efeito ao de uma gangorra, onde pulando em um lado, iremos imediatamente levantar o outro lado. No caso da amplificação pelo Efeito Raman, o outro lado da gangorra, onde uma faixa de sinais será amplificada, situa-se a aproximadamente 100 nm acima do comprimento de onda do pump laser (1460 nm).

Figura 9: Amplificador Raman/Brillouin.


Módulos Raman Pump O módulo Raman pump deve ser inserido na interface de recepção de linha. Alternativamente, o mesmo espaçamento do amplificador pode ser atingido com potência de saída EDFA mais baixa por canal, permitindo um número de canais total mais alto. Para certos links onde os efeitos não-lineares limitam o aumento do número de vãos, uma redução da potência do canal decresce os efeitos não lineares, e então permite um número mais alto de vãos. Os amplificadores Raman são preferivelmente aplicados em vão extra longo. Os sinais pump dos diodos laser são primeiramente multiplexados de 2 diferentes comprimentos de onda, e a luz pump multiplexada é direcionalmente acoplada dentro da fibra carregando o sinal de tráfego recebido. Pelo ajuste apropriado de potência para os dois comprimentos de onda pump, um espectro de ganho plano pode ser atingido por diferentes tipos de fibra. A potência do pump laser é controlada via diodos monitores externos e a potência de saída é configurada por software. Todos os pump lasers são também controlados por temperatura para manter sua estabilidade. Dois ports ópticos de monitoração são fornecidos, um monitora a potência de saída Raman e o outro monitora a potência na linha. Para desligamento automático (Automatic Power Shut Down - APSD) uma detecção on board da freqüência de portadora OSC é projetada. O sinal OSC é embaralhado para ter potência da portadora de sinal suficiente para fornecer a função APSD.

Figura 10: Módulo Raman Pump.

Multiplexador e Demultiplexador Óptico Um multiplexador óptico pode ser construído como uma associação de filtros ópticos ou como um dispositivo isolado. O objetivo é extrair os canais originais do sinal DWDM. As propriedades requeridas para este dispositivo são as mesmas que as do filtro: isolamento e distorção do sinal. Contudo, deve-se considerar o número de canais e a largura de banda. O mais simples e conhecido demultiplexador óptico é o prisma. Utilizando-se o efeito da dispersão (diferentes velocidades da luz para diferentes comprimentos de onda), a luz é dividida em seus componentes espectrais. A função da grade difratora é similar à do prisma. A diferença, porém, é que aqui a interferência é fator importante. A luz é também dividida em suas componentes espectrais.


Outra técnica tem base nos princípios de difração e interferência óptica. Ao incidir numa grade de difração, cada comprimento de onda que compõe o feixe de luz policromática é difratado em diferentes ângulos e, assim, para pontos diferentes no espaço. Para focalizar estes feixes dentro de uma fibra, podem-se usar lentes.

Figura 11: Multiplexador/Demultiplexador Óptico.

Módulos Filtro Os Módulos Filtro atuam como multiplexadores/demultiplexadores (módulos bidirecionais) provendo a divisão da onda primária ou agregação de todos os sinais de transponders e permitindo o acesso (add/drop) para um conjunto particular de comprimentos de onda de uma fibra óptica, enquanto passa os comprimentos de onda restantes. Consiste de componentes ópticos passivos incluindo componentes elétricos somente para a identificação do módulo. O módulo filtro F4 básico consiste de um filtro fixo com 4 canais bidirecionais, oferecido em 10 diferentes variantes (sub-bandas C1-C10) para cobrir o plano de comprimentos de onda de 40 canais completo. O módulo filtro fixo e de sub-banda F4 consiste de um filtro de sub-banda e 1 filtro fixo correspondente com 4 canais bidirecionais, oferecido em 10 diferentes variantes (sub-bandas C1-C10) para cobrir o plano de comprimentos de onda de 40 canais completo.

Figura 12: Módulo Filtro Fixo e de Sub-Banda F4.

O módulo filtro F8 consiste de um filtro red/blue e 2 filtros de sub-banda bidirecionais, sendo oferecidos em 2 filtros de banda para as sub-bandas C5 e C6 e filtro red/blue que separa as bandas C1-C4 das sub-bandas C7-C10.


Figura 13: Módulo Filtro F8.

Exemplo de multiplexação/demultiplexação utilizando o filtro acima:

Figura 14: Exemplo de Multiplexação/Demultiplexação com o Filtro F8.

O módulo filtro F16 consiste de 4 filtros de banda cascateados, bidirecionalmente, sendo oferecido em 2 variantes para as sub-bandas C1-C4 (blue band) e sub-bandas C7-C10 (red band), respectivamente.

Figura 15: Módulo Filtro F16.


Estrutura de Filtros EOL Baseado no número de canais ópticos EOL necessários na rede DWDM, estruturas de filtros com custo otimizado são oferecidos para a multiplexação/demultiplexação de canais ópticos. A figura abaixo ilustra a estrutura de filtro básico para EOL=12 com o caminho upgrade do primeiro canal (grupo) ao último canal (grupo). As 3 sub-bandas de 4 canais (Cxx) são localizadas dentro de uma região plana da banda do amplificador óptico. O caminho do upgrade permite qualquer ordem de upgrade para as 3 sub-bandas de 4 canais (C5, C6 ou C8).

Figura 16: Estrutura de filtros para EOL=12.

A figura abaixo ilustra a estrutura de filtro básico para EOL=20 com o caminho do upgrade do primeiro canal (grupo) ao último canal (grupo). O caminho do upgrade permite qualquer ordem de upgrade para estas sub-bandas. Existem 2 subtipos para esta estrutura de filtro, dependendo de qual sub-banda é added/dropped como a primeira sub-banda (C07 ou C08). Os módulos requeridos para o add-drop ou interconexão dos correspondentes comprimentos de onda são necessários dentro da árvore de filtros. Para mais que 4 sub-bandas de configuração BOL, o módulo F8 com o splitter de banda red/blue é requerido.



A figura abaixo ilustra a estrutura de filtro básico para EOL=40 com o caminho do upgrade do primeiro canal (grupo) ao último canal (grupo). O caminho do upgrade permite qualquer ordem de upgrade para estas sub-bandas. Os módulos requeridos para o add-drop ou interconexão dos correspondentes comprimentos de onda são necessários dentro da árvore de filtros. O módulo F8 com o splitter de banda red/blue é sempre requerido. Entre 12 a 24 canais, um cartão de filtro de sub-banda F16 (red ou blue) é requerido. Até 40 canais, um cartão de filtro de sub-banda F8 e dois F16 (red ou blue) são requeridos.



Módulos Transponder O Transponder adapta a taxa arbitrária do sinal óptico do equipamento cliente SDH ou Ethernet e mapeia seu comprimento de onda ao canal DWDM escolhido (linha) compatível com o plano de freqüências padronizado pelas normas ITU-T. Podem ser empregados lasers sintonizáveis ou fixos no lado cliente e no lado linha. O Módulo Transponder é usado para cada extremo dos links DWDM assim como interface bidirecional entre uma interface de cliente e uma interface de linha. O modo regenerador do módulo Transponder fornece a função regeneradora 3R (re-amplification, re-shaping, re-timing de um canal de sinal óptico) entre ambos os ports de linhas OTU1.


Figura 19: Transponder.

O Equipamento DWDM pode suportar uma configuração mesclada de Transponders com clientes Gigabit Ethernet, 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s e 40 Gbit/s. As interfaces de cliente óptica Ethernet 1Gbit/s, SDH/Sonet 2.5 Gbit/s do módulo Transponder são equipados com módulos SFP (Small Form-Factor Pluggable) que executam uma conversão óptico-elétrica em ambas as direções do sinal. Para interfaces de Ethernet/SDH 10 Gbit/s, o Transponder é equipado com módulos XFP. Os lasers utilizados nas interfaces de linha podem ter comprimentos de onda fixos ou então sintonizáveis, dando mais flexibilidade ao projeto e à logística.

Figura 20: Módulos SFP e XFP.


Exemplo para o Transponder 2.5 Gbit/s No caso de sinais de cliente Gigabit Ethernet (GE), 2 sinais de cliente são mapeados dentro de um payload de um canal óptico OTU1 (de acordo com a ITU-T G.806 e G.709), via procedimento de mapeamento genérico GFP-T e multiplexação de quadro GFP. Este mapeamento evita qualquer mapeamento intermediário dentro de camadas SDH/SONET, simplificando o gerenciamento de serviços GE.

Figura 21: Exemplo para o Transponder 2.5 Gbit/s.


Sistemas DWDM: Arquitetura de Hardware II

Módulo Variable Optical Attenuator (VOA) O Equipamento DWDM utiliza o seguinte módulo VOA, que é um atenuador variável óptico que utiliza internamente um motor de passo. O módulo VOA tem aplicação em pré-ênfase e de-ênfase, equalizando o nível de potência automaticamente, sendo usada por canal ou por sub-banda. Possui um range de atenuação que varia de 0 a 20 dB em uma banda de operação de comprimento de onda de 1528 a 1610 nm.

Figura 22: Módulo VOA.

Atenuação e Dispersão na Fibra óptica Atenuação representa a perda de potência óptica dentro da fibra do ponto de transmissão ao ponto de recepção do sinal óptico. A atenuação na fibra óptica também é dependente do seu comprimento de onda, como mostra o exemplo abaixo para Standard Single Mode Fiber (G.652):

Figura 23: Atenuação Óptica.

A dispersão é baseada no fato de que diferentes comprimentos de onda viajam em diferentes velocidades no interior da fibra. Pode-se definir a dispersão como a tendência de alargamento que os pulsos ópticos têm quando passam pela fibra óptica.


Como conseqüência torna-se mais difícil distinguir um pulso recebido como sendo “1” ou “0”. Este efeito é chamado de interferência intersimbólica (Inter-Symbol-Interference - ISI). A dispersão é medida em ps/nm e o coeficiente de dispersão de uma fibra é medido em ps/nm-km (pico segundos por nanômetro por quilômetro).

Figura 24: Dispersão Óptica.

Dispersão de Modo de Polarização (PMD – Polarization Mode Dispersion) A dispersão de modo de polarização ou PMD é uma propriedade fundamental da fibra óptica monomodo em que a energia do sinal a um dado comprimento de onda é composta por dois modos de polarização ortogonais com velocidades de propagação ligeiramente diferentes. A PMD causa sérias deteriorações na capacidade de transmissão dos sistemas, incluindo o espalhamento de pulso. Este efeito pode ser comparado com o da dispersão cromática, cujo fenômeno é relativamente estável. Em contrapartida, a PMD de fibras ópticas monomodo em qualquer comprimento de onda do sinal é instável, forçando os projetistas de sistemas a fazer as previsões estatísticas de PMD no sistema de transmissão digital. A PMD é causada pela assimetria no eixo de diâmetro do núcleo (seção transversal elipsoidal ao invés de circular) resultante do processo de fabricação, por tensão externa na instalação dos cabos ou até mesmo pela dilatação causada pela temperatura. Nos sistemas convencionais a PMD não é relevante, mas nos sistemas DWDM que utilizam comprimentos de ondas extremamente pequenos a PMD se torna um fator limitante especialmente em relação à taxa de transmissão.

Figura 25: Dispersão de Modo de Polarização.


Dispersion Compensation Module (DCM) Um pequeno comprimento de fibra com um coeficiente de dispersão de valor oposto ao da fibra utilizada é introduzido no enlace de transmissão. Esta fibra geralmente vem enrolada em uma bobina e é usada como um módulo para ser conectado ao inter-estágio do amplificador óptico. Os módulos DCM são primariamente usados para agir contra a dispersão cromática do sinal viajante através da fibra óptica. Esta dispersão cromática tem o efeito de espalhar a largura do pulso do sinal levando a interferência inter-simbólica, não mais permitindo um reconhecimento apurado de um único bit 1 ou bit 0.

Figura 26: Módulo de Compensação de Dispersão.

Os módulos DCM contêm bobinas de Dispersion Compensating Fiber (DCF) ou Fiber Bragg Grating (FBG), que têm características de dispersão oposta comparadas à fibra usada para a transmissão do sinal, SSMF ou LEAF, comprimindo então o sinal para uma melhor performance óptica. A estratégia de selecionar módulos DCM é altamente dependente do sistema e é influenciada pelos efeitos do limite de performance óptica. Para o Fiber Bragg Grating, o índice de refração pode variar linearmente. Como resultado, comprimentos de onda mais longos são refletidos antes e comprimentos de ondas curtos são refletidos mais tarde. Os FBG’s são baseados na tecnologia chirped fiber grating e oferecem muito menos perda de inserção e efeitos não lineares mais baixos comparado ao DCF.

Figura 27: Fiber Bragg Grating (FBG).

A grade de Bragg é um pedaço de fibra com índice refrativo modulado. O pulso de luz é refletido na FBG.


As grades são construídas de tal forma que componentes espectrais diferentes são refletidos em diferentes posições espaciais. Isto resulta em diferentes tempos de atraso para diferentes componentes espectrais.

Figura 28: Princípio do FBG.

Quadros OTN A Optical Transmission Network (OTN), de acordo com a Recomendação ITU-T G.709, define os seguintes blocos:

• Optical Payload Unit (OPU): consiste do payload do client acrescido do OPU Overhead (OPU-OH), o qual é necessário para mapear o sinal client dentro da OPU;

• Optical Data Unit (ODU): é a estrutura necessária para transportar o OPU. O ODU consiste do payload do OPU acrescido do ODU Overhead (ODU-OH). O ODU-OH fornece funções de monitoramento da conexão da camada path;

• Optical Transmission Unit (OTU): condiciona a ODU para a transmissão óptica. Consiste da ODU, mais o OPU Overhead (OTU-OH), mais o bloco Forward Error Correction (FEC). O OTU-OH fornece funções de monitoramento da conexão da camada section;

• Optical Channel (OCh): várias seções overhead são adicionadas ao sinal de cliente, o qual junto com o FEC forma o Optical Transport Unit (OTU). O OTU é carregado então por um único comprimento de onda como um Optical Channel (OCh);

• Non-Associated Overhead: como múltiplos comprimentos de onda são transportados sobre a OTN, um overhead deve ser adicionado para habilitar a funcionalidade de gerenciamento do OTN. Uma vez que o optical channel é formado, um adicional OH não associado é adicionado aos comprimentos de onda OCh, o qual forma a Optical Multiplexing Sections (OMS) e a Optical Transmission Sections (OTS);

• Optical Multiplexing Sections (OMS): na camada OMS, o payload OMS e o Non-Associated Overhead (OMS OH) são transportados. O payload OMS consiste de OCh’s multiplexados. O OMS-OH, embora indefinido neste ponto, suporta a monitoração da conexão e assiste a provedores de serviço na solução e isolamento de falhas na OTN;

• Optical Transmission Sections (OTS): na camada OTS, o payload OTS e o OTS Overhead (OTS-OH) são transportados. Similar ao OMS, o OTS transporta as seções multiplexadas opticamente. O OTS-OH, embora não completamente definido, é usado para funções de manutenção e operação. A camada OTS permite ao operador da rede executar trabalhos de monitoração e manutenção entre NEs, os quais incluem: OADMs, multiplexers, demultiplexers e optical switches.


Figura 29: OTN (Optical Transmission Network).

Elementos de Rede A OTN (Optical Transport Network) é composta de um ou mais caminhos ópticos. Um máximo de 40 canais pode ser transmitido em uma única fibra óptica ao longo de um caminho óptico. Um caminho óptico compreende várias seções, como mostrado na figura abaixo. Neste exemplo, todo o tráfego é enviado do ONN-T ao ONN-T oposto, compreendendo então um único caminho óptico. A OTS (Optical Transport Section) representa uma seção de transporte óptica. E a OMS (Optical Multiplex Section) representa uma seção multiplex óptica.

Figura 30: Elementos de Rede.


Aplicações O Equipamento DWDM pode ser usado em qualquer tipo de topologia, ponto a ponto, cascata, anel ou mescla:

Figura 31: Aplicações.

Optical Network Node - Terminal O ONN-T (Terminal) é o nó de terminação óptica para a realização de um Terminal flexível. Usado para multiplexar e demultiplexar todos os canais ópticos. O ONN-T termina uma seção multiplex óptico (OMS). Optical Network Node - Interconnect O ONN-I (Interconnect) é o nó de interconexão óptica para a realização de um OADM ou um ROADM. Os canais ópticos podem ser passados como tráfego expresso entre os links DWDM west e east ou podem ser extraídos (add-drop) de cada link. A arquitetura do equipamento OADM e ROADM suporta opcionalmente uma separabilidade física East/West para a limitação de possível interrupção de tráfego em caso de falhas de equipamento, isto é, uma falha ou remoção de um módulo carregando tráfego afeta a maioria da rota de tráfego do lado East ou West, dependendo de qual lado o módulo de tráfego está ativo.


A figura abaixo mostra um exemplo da arquitetura de filtros para um OADM com 100% add-drop para 40 canais.

Figura 32: Arquitetura de filtros para um OADM com 100% add-drop para 40 canais.

O ROADM é um multiplexador add-drop óptico configurável é um elemento que adiciona a capacidade de cross-conexão do tráfego remotamente de um sistema DWDM na camada de comprimento de onda. Isto permite que comprimentos de ondas individuais carregando canais de dados sejam adicionados ou retirados de uma fibra de transporte sem a necessidade de converter os sinais dos canais DWDM para sinais eletrônicos e retornar novamente para sinais ópticos ou mesmo através de conexões ópticas manuais. O planejamento da atribuição dos comprimentos de onda não necessita ser realizado durante o desenvolvimento do sistema, podendo ser feito quando requerido.

Figura 33: ROADM

Optical Line Repeater (OLR) O OLR ou ILA (In-Line Amplifier) é um NE DWDM que é usado para amplificar o sinal óptico, consistindo de um módulo amplificador óptico in-line por direção de transmissão. A compensação de dispersão (DCM), o módulo Raman pump e o módulo externo pump podem opcionalmente fazer parte do OLR. O OLR termina duas seções de transporte óptica (OTS).


Figura 34: OLR/ILA.

Optical Supervisory Channel (OSC) O Equipamento DWDM oferece um canal de supervisão óptico (OSC) para fornecer a comunicação entre todos os NE’s DWDM. O OSC utiliza um comprimento de onda de 1510 nm em ambas as direções de transmissão, fora da banda C e dos amplificadores EDFA. A informação de gerenciamento de enlace e dados de medidas necessários para controle do enlace óptico é trocado entre NE’s via Optical Supervisory Channel (OSC). O OSC suporta a completa comunicação de gerenciamento de rede para configurar e manter a configuração do sistema DWDM, gerenciamento de falhas, monitoração de performance e manutenção de software. O controle de enlace óptico é planejado para garantir um enlace óptico otimizado em qualquer estado do enlace. Os objetivos são para manter suficiente performance do enlace e, conseqüentemente, um nível OSNR distribuído de forma equaliza para cada extremo da trilha dos canais (OSNR na localização do receptor elétrico ou regenerador).


Figura 35: Optical Supervisory Channel (OSC).

Composição do canal OSC A composição do canal OSC é apresentada a seguir:

• DCC: Data Communication Channel para a DCN (Ethernet); • Link control: informação para a inicialização e manutenção do link óptico (ex. número de canais

equipados, estado atual do link, etc.); • APSD: informação de controle para Automatic Power Shutdown; • User Channels: dois canais de usuário bidirecionais (Ethernet); • EOW: canal de serviço; • TTI: Trace Identifier para o link óptico; • FDI/BDI: indicação de Defeito (Forward/Backward Defect Indication) dentro do link óptico.

Super Forward Error Correction (S-FEC) Com o crescimento das taxas de transmissão, os fenômenos que limitam a distância tal como não-linearidade da fibra, dispersão cromática e Polarization Mode Dispersion (PMD) têm um efeito mais pronunciado. A correção de erro de bit tem um trabalho importante desde que ele acrescenta uma disponibilidade para ter alcances maiores. Distâncias que, sem S-FEC sofreriam uma inaceitável OSNR na recepção podem ser aumentadas com sucesso com o uso do S-FEC. O S-FEC fornece às redes uma margem OSNR adicional. O S-FEC é um algoritmo utilizado pelos Transponders que habilita a detecção e correção de erro de bit. Ele é aplicado somente no lado da linha, ao passo que no lado do cliente a técnica padrão FEC pode ser usada. S-FEC é um esquema “forward”, isto é, nunca requisita a retransmissão.


Figura 36: S-FEC.

Alcance O alcance depende dos canais EOL, taxa de dados do transponder, perda na fibra, a utilização do FEC e o número de ROADM’s intermediários. Proteção do Tráfego A proteção de tráfego gerado pelo Equipamento DWDM é atingida como um Optical Channel Protection (OChP). A comutação de proteção é realizada ao nível de sinal elétrico pela proteção de trilha ODU1 1+1, de acordo com a ITU-T G.873.1. A comutação de proteção é atingida com um comportamento não reversível. Características de comutação manual, comutação forçada e comutação lockout podem ser executadas remotamente pelo usuário via comandos de software. A OChP da ODU1 provê proteção de tráfego e de equipamento durante:

• Falhas do sinal do canal óptico dentro do enlace óptico; • Falhas do equipamento nos módulos transponder, filtro upstream e cartão amplificador.

Figura 37: Proteção OCh com o Transponder.


Figura 38: Proteção OCh incluindo a Proteção do Transponder (Proteção SNC Óptica).


Sistemas DWDM: Considerações Finais

O DWDM permite transmitir volumes de dados até então inimagináveis, tudo isto em uma única fibra óptica, o que é muito importante para um mercado que cada vez mais exige maiores largura de banda em suas aplicações. Com tantas vantagens técnicas, econômicas e logísticas, a tecnologia DWDM está preparando o mercado para as redes fotônicas. Referências

1. ITU–T G.709 Interfaces for the Optical Transport Network (OTN). 2. ITU–T G.798 Characteristics of optical transport network hierarchy equipment functional blocks. 3. ITU–T G.692 Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers. 4. ITU–T G.872 Architecture of optical transport networks. 5. www.iec.org. 6. Siemens, DWDM Basics.


Sistemas DWDM: Teste seu Entendimento

1. Qual é a função de um Transponder?

Fornece funções de controle e monitoração central do sistema, armazenamento das configurações.

Fornece a amplificação do sinal apresentando um bloco de ganho com um ou dois laser pumps.

Atua como multiplexador/demultiplexador provendo a divisão da onda primária ou agregação de todos os sinais ópticos.

Adapta a taxa arbitrária do sinal óptico do equipamento cliente SDH ou Ethernet e mapeia seu comprimento de onda ao canal DWDM escolhido (linha) compatível com o plano de freqüências padronizado.

2. Quais as funções de um amplificador Booster e do Pré-amplificador?

Utilizam um atenuador variável óptico que emprega internamente um motor de passo.

O módulo amplificador booster é usado em sites terminal e intermediário para amplificação do sinal de linha de saída. O módulo pré-amplificador é usado em sites terminal e intermediário para amplificação do sinal de linha de entrada antes dele ser alimentado ao estágio demultiplexador.

A base da amplificação é o efeito de espalhamento Raman e Brillouin.

O módulo Pré-amplificador é usado em sites terminal e intermediário para amplificação do sinal de linha de saída. O módulo Booster é usado em sites terminal e intermediário para amplificação do sinal de linha de entrada antes dele ser alimentado ao estágio demultiplexador.

3. Qual bloco não faz parte do quadro OTN?

OPU.

ODU.

OLR.

OTU.

Documents

1sj.ifsc.edu.br/~mdoniak/SistemasOpticos/Tutorial DWDM Teleco 2.pdf · O Equipamento DWDM utiliza módulos Amplificadores de Linha Booster, Pre-amplifier e Inline Amplifier para alcances