Telecom - Fibra Optica
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SistemasSistemasÓpticosÓpticos dede ComunicaçãoComunicação
(Overview)(Overview)
Engº Juarez Novaes Theodorohttp://www.geocities.com/jntheodoro
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Definição
Sistemas ópticos de comunicação são sistemas em que as mensagens sãoconvertidas em sinais luminosos e são transmitidas em fibras ópticas.
ELO (Equipamento de Linha Óptica) - Conversor Eletro-Óptico
E
O
E
O
ELO ELO
SinaisElétricos
SinaisElétricosSinais
Luminosos
3
DEFINIÇÃO:
Sistemas ópticos de comunicação são sistemas em que as
mensagens são convertidas em sinais luminosos e sãotransmitidas em fibras ópticas.
No entanto, as fibras ópticas não conseguem transmitir qualquertipo de luz. As fibras plásticas podem operar na faixa de 650nm,região de luz infravermelha. Para outras fibras a luz deverá ter freqüências maiores que a luz visível, começando a partir de850nm. Por essa razão, dependendo da fibra há freqüências emque a transmissão dos sinais é mais efetiva.
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Razões para o uso de Fibras Ópticas:
• Capacidade de Transmissão• Baixas Perdas• Imunidade Eletromagnética• Tamanho e Peso• Segurança• Segurança na Transmissão das Informações• Baixo Custo (Valor Agregado)
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• Capacidade de transmissão da Informação: Normalmente as fibrasoferecem mais banda passante do que necessário para as aplicações atuais.Com as fibras monomodo de alto desempenho utilizadas em sistemas detelefonia de longa distância, a largura de banda é essencialmente infinita, istoé, a capacidade de transmissão de informação dessas fibras é muito maior doque a eletrônica atual pode explorar.
• Baixas perdas: Fibras ópticas oferecem baixa perda de potência, o quesignifica que possibilitam maiores distâncias de transmissão.
• Imunidade eletromagnética: As fibras são construídas com materialdielétrico (não condutor de eletricidade) e são portanto imunes a interferênciaeletromagnética.
• Menor Peso e Tamanho: As fibras são mais leves e possuem seçõestransversais 15% menores que os que os cabos elétricos convencionais
• Segurança: A fibra é um meio dielétrico, desta forma ela não conduzeletricidade e não é suscetível a problemas que podem gerar centelhas.
• Segurança : Não há meios de se “grampear” fibras ópticas e como não háemissão de energia eletromagnética, não é possivel interceptar os sinais
• Baixo Custo (Valor Agregado): Ao contrário dos cabosde cobre, onde seuvalor comercial é alto, os cabos de fibra óptica não são alvo de furtos
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Tabela Comparativa:
FibraCaracterísticas
Cabos
Metálicos Multimodo Monomodo
Largura de banda 100 MHz 1 GHz > 100 GHz
Distância de transmissão* < 5.000 m 2.000 m 80.000 m
Imunidade Eletromagnética Não Sim Sim
Crosstalk Sim Não Não
Peso Mais pesado Mais leve Mais leve
Tamanho Maior Menor Menor
Valor agregado Sim Não Não
(*) Especificação genérica, sem o uso de repetidores
Cabos Metálicos x Fibras Ópticas
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Tabela Comparativa:
FibraCaracterísticas
Sistema
Rádio Multimodo Monomodo
Largura de banda < 300 MHz 1 GHz > 100 GHz
Taxa de Transmissão < 622 Mbps < 140 Mbps > 40 Gbps
Distância de transmissão* < 50.000 m 2.000 m 80.000 m
Imunidade Eletromagnética Não Sim Sim
Implantação Rápida Lenta Lenta
Confiabilidade Média Alta Alta
(*) Especificação genérica, sem o uso de repetidores
Sistema Rádio x Fibras Ópticas
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Fibras Ópticas:
Núcleo
Casca
Camada protetora
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A fibra, que serve para guiar o sinal óptico da origem ao destino,é mais fina que um fio de cabelo, e consiste de dois cilindrosconcêntricos, denominados por núcleo e casca, que têmpropriedades ópticas diferentes. As fibras são revestidas por
uma dupla camada de acrilato chamada buffer , que não temfunção na propagação das ondas de luz, mas sim de proteçãodo conjunto núcleo- casca.
As fibras são fabricadas com materiais dielétricos (nãocondutores de corrente elétrica), normalmente de sílica (vidro). Afunção do núcleo é guiar a onda de luz e a da casca é fornecercondições para que este propague a energia luminosa.
O processo de transmissão da luz ao longo da fibra se baseia na
condição de reflexão interna total. Ao chegar à interface entre onúcleo e a casca, a luz é refletida de volta e propagando-se aolongo da fibra.
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Espectro de LuzSistemaCelular
SistemaDe Radiodifusão
µm1,310 1,550
THz 196.463 191.082 185.185208.833
1,6201,5701,5271,4401,3401,280
234.375
Long
Band
Central
Band
Short
Band14401310
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Onde:
C = Velocidade da Luz no Vácuo = 300.000 m/s (3 x 108m/s)
F = Frequência de Operação
λ= Comprimento de Onda
Vpr = Constante de propagação da Luz (Vacuo: Vpr =1)
Quando uma onda muda de meio, tanto sua velocidade quanto seu comprimento deonda sofrem alterações, mas sua freqüência permanece inalterada.
f
Vpr xC =
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Lei de Snell (lei de refração)
N1 x Sen θ1 = N2 x Sen θ2
onde: N1 e N2 são os indícesde refração dos materiais
Para que haja máxima propagação do sinal no Núcleo da Fibra:
• N1 > N2
• Sen θ1 > N2 / N1
θ1 = Angulo de Incidênciaθ2 = Angulo de Refração
Fonte de Luz
N2
N1
θ2
θ1
N2
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O processo de propagação da luz numa fibra é explicado pela física, através daóptica geométrica (Lei de Snell). É possível demonstrar que quando um feixe de luzemerge de um meio mais denso para um meio menos denso, o feixe luminoso podeser totalmente refletido para o meio mais denso dependendo do ângulo de incidênciana interface desses meios.
Por essa razão o núcleo da fibra tem sempre um índice de refração maior que o dacasca. Essa diferença de índices é conseguida utilizando-se materiais dielétricosdistintos.
Exemplos de Valores de Indice de Refração:
Vacuo = 1 - Agua= 1,33 - Vidro= 1,7 - Diamante= 2,42
Estes valores são obtidos a partir da equação:
Nmeio = Velocidade da Luz no Vácuo / Velocidade da Luz no Meio (Nmeio = C/Cmeio)
Se a luz passa de um meio com índice de refração N 1 para outro meio com índice derefração N 2 ela mudará de direção se N 1 for diferente de N 2 .
Ao observarmos a figura acima, percebemos que o feixe de luz emitido pela fonteluminosa incide na casca da Fibra com um angulo θ1, para que haja reflexão totaldentro da fibra o angulo de incidência deve ser menor que o angulo crítico. Oangulo crítico ocorre quando o raio incidente “produz” um raio refratado que“caminha” na divisória do núcleo e a casca.
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Lei de Snell (lei de refração)
N1 x Sen θ1 = N2 x Sen θ2
onde: N1 e N2 são os indíces de refração dos materiaisθ1 = Angulo de Incidênciaθ2 = Angulo de Refraçãoθ3 = Angulo de Refletido
θ1 θ3
θ2
Superfície
Raio Incidente Raio Refletido
Raio Refratado
Raio Crítico
N2
N1
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Pode-se ter as seguintes situações:
• Refração: Se o ângulo de incidência for menor que o angulo crítico(θcrítico)
O angulo crítico ocorre quando θ2 = 900
=> N1 x Sen θ1 = N2 x θ2 , como Sen 900
=> θcrítico = Arc sen (N2 / N1)
• Reflexão Total: Quando o ângulo de incidência for maior que oângulo crítico, a luz será refletida totalmente.
Enquanto o ângulo de incidência não for maior nem igual ao ângulocrítico, a luz é conduzida dentro do núcleo por reflexão total.
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Propriedades das Fibras:
• Modos de Propagação=> Caminhos específicos percorrido pelo feixe de luz dentro de
uma fibra óptica.
Fonte de LuzN2
N1
Fonte de Luz
N2
N1 M1
M2 M3
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• Modos de Propagação: A propagação da luz no núcleo das fibras ocorrematravés de caminhos específicos. As fibras ópticas admitem um númerodiscreto de caminhos diferentes. Dependendo das características da fibra, elapode suportar desde apenas 01 (um) até milhares de modos de propagação.O número de modos que uma fibra suporta está diretamente relacionado com
a sua banda passante.
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•Abertura Numérica=> Define a capacidadede captação de luz
Propriedades das Fibras: (Continuação)
N2
N1θa2θa
22 N2N1 AN −=
aSen AN θ=
θa = Angulo de Aceitação
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•Abertura Numérica: A abertura numérica define o quanto de luz do emissorserá propagada pela fibra óptica. A abertura numérica é portanto umacaracterística da fibra que define sua habilidade de captar luz. Quanto maiora abertura numérica, maior a capacidade de captação de luz de uma fibra.Em compensação, uma grande abertura numérica permitirá a existência de
mais modos de propagação provocando uma maior dispersão modal ereduzindo a largura de banda da fibra como será tratado mais adiante.
Como vimos, o ângulo crítico é o ângulo de incidência limite para que os raiosde luz que penetram na fibra óptica sejam efetivamente transmitidos.Partindo-se para um plano tridimensional o ângulo crítico gera o cone deaceitação. Raios de luz que não incidirem na fibra através do cone serãorefratados para a casca e não serão propagados ao longo da fibra óptica.
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Tipos de Fibras Ópticas
• Multimodo=> Fibras multimodotêm grande abertura numérica;nelas a luz se propaga em milhares de modos distintose têm portanto banda passante relativamente baixa.
• Monomodo=> A propagação da luz se dá em apenas um modo, o de menor ordem, aquele em que a luz é propagada quase em linha reta,pois o diâmetro da fibra é poucas vezes maior que o comprimentode onda.
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A principal classificação das fibras ópticas é feita a partir donúmero de modos de propagação (monomodo ou multimodo)e do perfil de índices de refração.
As primeiras fibras eram compostas por dois dielétricos deíndice de refração diferentes porém uniformes. Com o objetivode aumentar a banda passante foram desenvolvidas fibras comíndices de refração variáveis no núcleo de forma possibilitar umavariação gradual entre os índices do núcleo e da casca.
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Tipos de Fibras Ópticas: (Continuação)
Relação Tipo de Fibra x Perfil de Índice x Propagação no Núcleo
MultimodoÍndice DegrauN2
N1 M1
M2 M3
N2
N1
Pulso na Entrada Pulso na Saída
Multimodo Índice Gradual
N2
N1
N2
N1
Pulso na Entrada Pulso na Saída
Monomodo Índice Degrau
N2M3
N2
N1
Pulso na Entrada Pulso na Saída
Dimensões Típicas
>50µm
>125µm
62,5µm
125µm
10µm
125µm
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•Fibras Multimodo Índice Degrau:
• O núcleo e a casca possuem índices de refração constantes e distintos;
• São as fibras que têm a menor banda passante
• Utilizadas com fontes luminosas mais simples e de baixo custo, tipicamente osLEDs (Light Emmiting Diode), tecnologia construtiva bem simples
• Alta atenuação ( 3 dB/Km), indicadas para curtas distâncias
•Fibras Multimodo Índice Gradual:
• Apresentam uma atenuação melhor que a índice gradual (1 dB/Km), maior BWque a Degrau
• Índice de refração variável no núcleo da fibra
•Fibras Monomodo:
• A luz se propaga praticamnte em linha reta
• Baixos níveis de atenuação (0,25~0,35 dB/km)
• Utilizadas em sistemas que precisam de grande largura de banda (BW)
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Limitações de sis temas Comunicações Ópticas
• Atenuação• Dispersão (Modal e Cromática)• PMD (Dispersão por modode Polarização)• Não Linearidade• Relação Sinal Ruído
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Limitações em sistemas Comunicações Ópticas
• Atenuação
Principais Causas da Atenuação no enlace:=> Absorção do Material (Fibra)=> Espalhamento de Rayleigh (Fibra)
=> Conectores e DGO’s=> Isoladores=> Emendas=> Curvaturas da Fibra
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Atenuação: É definida como a perda de potência no enlace.
A principal consequencia da Atenuação é tornar o sinal recebido com baixo nível desinal, em muito dos casos impossibilitando a unidade receptora reconhecer o sinal.
Os valores característicos de atenuação variam principalmente em função doscomprimentos de onda. Existem faixas de comprimento de onda onde a perda é
menor; essas faixas são de especial interesse comercial e conhecidas como Janelasde Transmissão, os valores mais empregados são:
• Para enlaces com fibras monomodo em 1550 nm: 0,22 dB / Km
• Para enlaces com fibras monomodo em 1310 nm: 0,35 dB / Km
Janelas de transmissão são regiões do espectro de freqüência (ou seja, ondaseletromagnéticas com determinado comprimento de onda - λ) onde as atenuaçõessão mínimas e a comunicação óptica é otimizada.
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Limitações em sistemas Comunicações Ópticas
• Atenuação
E
O
E
O
ELO ELO
SinaisElétricos
SinaisElétricosSinais
Luminosos
Prx= -10 dBmPtx= 10 dBm
100 KmEmendas
Conectorização A B
Características dos ELO’s A e BPtx = 10 dBmSensibilidade = -15 dBmSaturação = -5 dBm
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No exemplo acima, podemos verificar que na prática além da atenuação do materialempregado (fibra), há também fontes de perda do sinal como conectores e emendas.
Potencia de Transmissão = 10 dBm - Potência de Recepção = -10 dBm
Atenuação= Ptx - Prx => Atenuação = 20 dB,
para enlace de 100 Km => 20 dB / 100 Km = 0,20 dB/Km
Obs: 10 dBm = 10 mW, -10 dBm = 100 µW, 13 dBm = 20 mW [ dBm = 10*Log ( Potência /1 mW)]
Os valores mádio adotados em projeto são:
• Conectores: 1 dB
• Emendas: 0,1 dB
No caso acima, se tivessemos 20 emendas no percurso, a atenuação causada por estescomponentes seria:
Atotal = 2 x 1 + 20 x 0,1 = 4 dB
Dos 20 dB’s de atenuação do enlace, 4 dB’s foram praticamente causados por perdamecânica, e os outros 16 dB’s da fibra.
Observações:
•O sistema irá funcionar, pois o sinal recebido Prx está acima da Sensibilidade, podendo aindao sistema sofrer predas no perccurso de até 5 dB
•Se por alguma razão a Prx fosse maior que -5 dBm, o sinal estaria distorcendo na recepção,necessitando a colocação de atenuadores de forma a “equalizar” o sinal recebido
•Lembrem-se que os sistemas são Full Duplex (Os cálculos devem ser feitos tanto para idaquanto para volta, geralmente em Fibras separadas)
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Limitações de sis temas Comunicações Ópticas
Soluçõesde contorno da atenuação:=> Regeneradores• Recupera os sinais da linha ( há conversão E/O)• Específico para cada tipo de transmissão (Taxa de Bits)• Solução Cara
=> Amplificadores Ópticos• Banda Larga• Independedo tipode sinal transmitido
• Amplifica também o Ruído• Custo Acessível
A Ao B
A R B
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• Dispersão
Limitações em sistemas Comunicações Ópticas
Cromática (Material + G.O.)
Modal
Pulsosna EntradaN2
Pulsos na Saída
t0t0
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Dispersão: É uma característica de transmissão que exprime oalargamento dos pulsos transmitidos. Este alargamento determina alargura de banda da fibra óptica, e está relacionada com a capacidadede transmissão de informação das fibras.
O Acumulo da dispersão causa interferência intersimbólica,aumentando a taxa de erros.
Os mecanismos básicos de dispersão são:
=>Modal: Existente em fibras multimodo, provocada pelos caminhospossíveis de propagação (modos) que a luz pode ter no núcleo
=>Cromática: Depende do comprimento de onda e divide-se em doistipos: Material e de Guia de Onda.
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Limitações em sistemas Comunicações Ópticas
Dispersão (Características das Fibras)
1310 1550
17 ~ 18
-10
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O gráfico acima representa as curvas de Dispersão para os diferentes tipos de fibras monomodo.
As principais Fibras, utilizadas no mercado atual estão listadas abaixo juntamente com algumas características voltadas aDispersão:
•Fibras Convencionais (SSMF – Standard Single Mode Fiber) : Representam 80% das fibras atualmente instaladas nomundo
•Dispersão: @ 1310 nm: 0 ps/nm/Km @ 1550 nm: 17~18 ps/nm/Km•Grande Área Efetiva
•Custo baixo em relação as demais fibras monomodo
•Fibras com Dispersão Deslocada (DSF – Disperssion Shifted Fiber) :
•Dispersão: @ 1310 nm: -10 ps/nm/Km @ 1550 nm: 0 ps/nm/Km
•Pequena Área Efetiva
•Bastante utilizada para sistemas com pequeno número de Canais
•Maior Atenuação
•Mais Cara
•Fibras com Dispersão Deslocada Não-Zero (NZDSF ou NZD – Non Zero DSF):
•Dispersão: @ 1550 nm: 1~6 ps/nm/Km
•Pequena Área Efetiva ( 55 µm2) – Existe fibras NZD com grande área efetiva ( 72 µm2)
•Atenuação: @ 1550 nm: 0,25 dB/Km• Melhor desempenho fora da L.
•Desenvolvida para sistemas DWDM (Pois algumas características combatem a Não Linearidade)
•Muito cara
•Fibra Compensadora de Dispersão (DCF)
•Dispersão: @ 1550 nm: -80 ~ -130 ps/nm/Km
•Minúscula Área Efetiva ( 26 µm2)
•Desenvolvida para modulos Compensadores de Dispersão (DCM’s)
•Muito cara
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Limitações em sistemas Comunicações Ópticas
• Dispersão
E
O
E
O
ELO ELO
SinaisElétricos
SinaisElétricosSinais
Luminosos
Prx= ?? dBmPtx= 10 dBm
400KmEmendas
Conectorização A B
Características dos ELO’s A e BPtx = 10 dBmSensibilidade = -20 dBmSaturação = -5 dBmTaxa de Transmissão: 2,5 GBps (STM-16)Limite de Dispersão: 5000 ps/nm
Fibra SSMF @1550 nm : Atenuação 0,25 dB/Km (Já incluído as emendas e conectores) Amplificadores Ópticos: Ptx = 20 dBm, Senssibilidade: - 20 dBm, Saturação: -1 dBm
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Utilizando-se ainda do exemplo anterior, podemos demonstrar os conceitos já apresentados.
Potencia de Transmissão = 10 dBm
Atenuação Total: 400 * 0,25 = 100 dB – Atenuação total sem o uso de amplificadores
Potência Recebida: 10 – 100 => PRX= -90 dBm – Não OK ! (PRX < -20 dBm)
Será necessário o uso de Amplificadores de Linha !!! !
Análise dos Amplificadores:
Ptx = 20 dBm
Distância Máxima (Com interpretação do sinal) => Dmax = (PTX – SensibRX) / Atenuação da Fibra
Dmax = (10 – (-20)) / 0,25 => Dmax= 30 / 0,25 => Dmax= 125 Km
(Cada amplificador pode operar em enlaces de até 125 Km, para garantir a intelegibilidade do sinal) – Usaremos 3amplificadores, distanciados de 100 Km
Dispersão Total: 400 * 17 = 6800 ps/nm – Não OK!! ( Dtotal > 5000 ps/nm)
Deveremos utilizar Modulos Compensadores de Dispersão (DCM’s)
Conforme já visto, os módulos compensadores de dispersão, são basicamente constituídos de Fibras DCF, que possuemas características abaixo:
•Dispersão: @ 1550 nm: -80 ps/nm/Km (Pior caso)
Para compensar os 1800 ps/nm de dispersão, vamos precisar de um módulo de:
DCM = Dtotal / |Disp. Fibra DCF @| => DCM=1800 / |80| => DCM = 22,5 Km ( Modulo DCM necessário)
Porém, não podemos deixar de considerar a atenuação que a inserção deste módulo ocasiona na rede:
Cada módulo compensador possui uma atenuação diferente que está ligado ao comprimento da fibra em seu interior.
O Valor máximo admitido, para esta inserção, em alguns sistemas é de: 10 dB
A Atenuação de um módulo DCM-30, está em torno de 4,5 dB
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Limitações em sistemas Comunicações Ópticas• DispersãoSistema Resultante
E
O
ELO
SinaisElétricos
SinaisElétricos
Conectorização
E
O
ELO A B
400Km
100 Km 100 Km 100Km 100Km
DCM
Amplificadore de Linha170
0 D i s p e r s ã o ( p s / n m )
0 100 200 300 400
S S M F
D C
M
N Z D F
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Limitações em sistemas Comunicações Ópticas
PMD (Dispersão do Modo de Polarização)
Fibra Ideal
Fibra Real
Rápido
LentoAtraso
CurvaturasTorções
Geometria
PMD < 0,5 ps / Km Valor Típico para Fibras Standard
PMD < 0,1 ps / Km Valor Típico para FibrasLucent True WavePMD > 1,0 ps / Km Valor Típico para Fibras Antigas
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PMD (Dispersão do Modo de Polarização): A luz possui doiscomponentes ortogonais em sua composição (Polarização Horizontal ePolarização Vertical), porém a fibra pode apresentar algumasimperfeições (Fabricação e Manuseio inadequado) que alteram ageometria do núcelo, além de sofrer com fatores com dilatações em
função do calor.
A presença destes fatores (BIRREFRINGÊNCIA) faz com que ascomponentes ortogonais se afastem uma da outra, gerando umadiferença na velocidade de propagação dos Modos Horizontais eVerticais de Propagação.
Outra consequência da PMD é o alargamento do pulso.
A PMD é um fenômeno muito importante de se analisar quando estãotrafegando canais com Taxas de Transmissão maiores que 2,5 GBps(STM-16).
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Utilizando-se ainda do exemplo anterior, podemos demonstrar os conceitos já apresentados.
Características dos ELO’s A e B•Ptx = 10 dBm•Sensibilidade = -20 dBm•Saturação = -5 dBm•Taxa de Transmissão: 2,5 GBps (STM-16)
•Limite de Dispersão: 5000 ps/nm•Fibra SSMF @ 1550 nm : Atenuação 0,25 dB/Km (Já incluído as emendas e conectores)Coeficinete de PMD = 0,4 ps /
•PMD máxima no receptor = 20 ps (Dado de Manual)•Amplificadores Ópticos: Ptx = 20 dBm , Senssibilidade: - 20 dBm, Saturação: -1 dBm
A PMD total no enlace é dada por:
Onde: CPMD = Coeficiente de PMD da Fibra
PMDTOTAL = 0,4 * 20 => PMDTOTAL= 8 ps – OK!
0,5
Limitações em sistemas Comunicações Ópticas
PMD Distância Máxima de Transmissão X PMD
STM-16STM-64STM-256Vídeo Analógico
0,1
0,1
1,0 10
1,0
10
100
1000
10000
100000
1000000
D i s t â n c i a L i m i t a d a p o r P M D
( K m )
Coeficinete de PMD Médio (ps / ) Km
400
24
Km
Distância xC PMD PMDTOTAL
=
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Limitações em sistemas Comunicações Ópticas
Não Linearidade
10µm
125µm
I = P / Aeff Onde:I = Intensidade ÓpticaP = Potência do Sinal
Aeff = Área Efetiva
Consequências da Não Linearidade:
• FWM –Mistura de Quatro Ondas
• XPM –Modulação Cruzada de Fase• SPM –Auto Modulação de Fase
Aeff
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Não Linearidade: A Não Linearidade da fibra óptica é o resultado da modulação doíndice de refração causado por mudanças na intensidade óptica do sinal.
De certa forma os efeitos não lineares dependem da intensidade de luz na fibra (I) enão em si da potência. Esta intensidade é dada pela potência dividida por uma áreaefetiva (aproximadamente igual à área do modo): I = P/Aeff . A figura abaixo mostra oaumento das intensidades nas fibras em função dos anos.
Os fenômenos causados pelos efeitos da Não Linearidade são:
• Mistura de Quatro Ondas (FWM – Four Wave Mixing) – Isto ocorre quando osprodutos oriundos das portadoras dos sinais ópticos se propagam ao longo da fibra,muitas vezes o produto destas portadoras se situam exatamente sobre as portadorasadjacentes, principalmente se os canais ópticos estiverem igualmente espaçados.
• Auto Modulação de Fase (SPM – Self Phase Modulation) - Este fenômeno estádiretamente ligado a potência injetada na fibra, quanto mais forte for o sinal, maiorserá a velocidade de propagação do mesmo.
• Modulação Cruzada de Fase (XPM ou CPM – Cross Phase Modulation) – Similarao SPM o CPM ocorre em sistemas com mais canais, porém a variação da potência
do sinal faz com que o mesmo “ultrapasse” os canais adjacentes.
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Limitações em sistemas Comunicações Ópticas
OSNR (Relação Sinal Ruído)
A B
Sinal
Ruído Ao Ao
Maior Distância
Mais Amp.Ópticos
MaisRuído
ReduzOSNR
Maior BER
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Relação Sinal Ruído (OSNR): Este fator é muito importante quandose tem em um enlace uma sequência considerável de Amplificadoresde Linha.
Conforme visto anteriormente, os Amplificadores de Linha, ao contráriodos Regeneradores, não recuperam o Sinal, apenas o amplificam,
juntamente com o Ruído que é acumulado indesejávelmente na linhaóptica e na saída do equipamento antecessor, que também gera Ruído.
Utilizando-se do nosso exemplo, imagine que a Densidade do Ruídoque incide no ELO B é:
20x10-6 w/Thz, e que o espectro que estamos trabalhando seja a acoberta pelos Amplificadores EDFA (1525 nm ~ 1565 nm). A Potênciado Sinal que chega ao ELO B seja de 10 mw. Qual será o OSNR?
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E
O
ELO
SinaisElétricos
SinaisElétricosE
O
ELO A B
400Km
100Km 100 Km 100Km 100Km
Limitações em sistemas Comunicações Ópticas
OSNR (Relação Sinal Ruído)
Caracter’siticas dos ELO’s A e BPtx = 10 dBmSensibilidade = -20 dBmSaturação = -5 dBmTaxa de Transmissão: 2,5 GBps (STM-16)Limite de Dispersão: 5000 ps/nm
OSNR = 16 dBFibra SSMF @1550 nm : Atenuação 0,25 dB/Km (Já incluído as emendas e conectores) Amplificadores Ópticos EDFA: Ptx= 20 dBm, Sensibilidade: - 20 dBm, Saturação: -1 dBm
Druído=20x10-6w/THz
Psinal =10 mW
27
RESOLUÇÃO:
Primeiramente vamos descobrir em que faixa de operação estamos trabalhando:
Pelo Enunciado podemos calcular a faixa de frequência que compreende os λ’s 1525nm ~ 1565 nm.
Daí descobrimos que: 1525 nm => 196 721 THz (F1)
1565 nm => 191 693 THz (F2)
A Faixa de Operação, ou a BW deste Amplificador é:
BW = F1 - F2 => BW = 5,028 THz
A densidade de Ruído medida foi: 20x10-6 w/Thz, daí temos como calcular a Potênciado Ruído.
PRUÍDO= BW x DRUÍDO => PRUÍDO= 100 x 10-6 W
A OSNR é dada em dB e pode ser obtida utilizando a seguinte expressão:
OSNR [dB] = 10 x ( log ( PSINAL / PRUÍDO )OSNR [dB] = 10 x ( log ( 10 x 10-3 / 10 x 10-6)
OSNR [dB] = 20 dB – OK (OSNR [dB] > 16 dB)
C F
λ
=
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Construção das Redes Ópticas
• Aéreos• Subterrâneos• Diretamente Enterrados
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Construção das Redes Ópticas
• AéreosRedes urbanas ou as margens de rodovias
Emendas Ópticas
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Rede Aérea:
• Rápida Instalação - 5.000m / semana
• Geralmente há necessidade de compartilhar ou alugar os postes coma concessionária de energia elétrica (Direitos de Passagem)
• Antes da privatização – R$ 0,22 / poste• Atualmente – R$ 3,00 ~ R$ 5,00 / poste
• Vulnerável (Vandalismos ou Acidentes)
• Gera pequenos transtornos em ambientes urbanos – Manipulação dabobina durante o lançamento
• Grande Capilaridade
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Construção das Redes Ópticas
• AéreosUtilização em Linhas de Transmissão
OPGW30
Rede Aérea em Linhas de Transmissão:
• Lenta Instalação: 2.000 ~ 3.000 m / semana
• Locais de difícil acesso, cabos mais pesados OPGW
• Implementadas principalmente pelas Concessionárias de Energia
• Mais segura em relação a Vandalismo ou Acidentes
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Construção das Redes Ópticas
• SubterrâneosØ Diretamente EnterradosEmenda Óptica
ØDiretamente em Dutos
Emenda Óptica
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Rede Subterrânea:
• Lenta Instalação: 2.000m ~ 3.000/ semana
• Geralmente há necessidade de contratos com ferrovias, rodovias,gasodutos além de autorizações municipais, estaduais e até federais
(Direitos de Passagem)• Antes da privatização – “Um agrado”
• Atualmente – R$ 20.000~ R$ 30.000 / Km
• Baixa Vulnerabildade - Baixa Manutenção
• Gera transtornos em ambientes urbanos (Pedestres e Transito)
• Obras Civis pesadas
• Manipulação da bobina durante o lançamento
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Construção das Redes Ópticas
• Submarinas
360 networks
32
Rede Submarina
• Utilizada principalmente para interligação de Continentes
•Requer grande infra estrutura para implantação e manutenção (Naviosadaptados, mão de obra.....)
• Pouco Vulnerável• Riscos Principais - Ancoras e Tubarões
• Altíssima Capacidade
• Grande distância entre repetidores
-
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Tecnologias Ópticas
• SDH• WDM (D-WDM)• FDDI
33
-
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Tecnologias Ópticas
• Por que surgiu a SDH?⇒Tecnologia Óptica criada visando substituir oprocesso de multiplexação da PDH, que é muito caro e complicado,além de degradar o sinal a cada demultiplexação e multiplexação
140 Mbits
34 Mbits
8 Mbits
34 Mbits
8 Mbits
2 Mbits
140 Mbits
34 Mbits
8 Mbits
1X4
1X4
4X1
4X1
1X4 4X1
Cliente2 Mbits
DEMUX MUX
Hierarquia PDH
34
SDH (Synch rono us Digi tal Hierarchy)
Tecnologia Síncrona criada visando substituir o sistema Plesiócrono (PDH).
A premissa da PDH é que os tributários e os sinais de linha não são síncronos a umafonte universal de relógio; portanto, será preciso justificar a cada multiplexação,gerando assim um jitter . As componentes de baixa freqüência desse jitter não podemser eliminadas em sinais plessiócronos, e vão se acumulando a cada novademultiplexação. Na prática, isto limita o número de demultiplexações que um sinalsinal digital pode sofrer entre elementos de comutação síncronos, não permitindo aoperação em seqüências de multiplexadores de extração e inserção.
Soma-se a isso o alto preço da tecnologia dos componentes usados nos elementosde rede plessiócronos, não havendo integração em alta escala.
O SDH é um protocolo destinado a transmissão de informações em Alta Velocidadeutilizando-se de Multiplexagem Temporal (TDM)
Ao contrário do PDH as redes Sincronas são referenciadas a um relógio externo,permitindo com que a informação seja facilmente identificada dentro de cada frame.
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Tecnologias Ópticas
• SDH (Hierarquia Digital Síncrona)
STM-1155 MBps
STM-1
STM-1
STM-1
STM-4622 MBps
2M
1
63ou
1
334M
1140M
ou
35
Vantagens da SDH:
• Menor quantidade de passos de multiplexação•Tributário único padronizado para qualquer velocidade
Todo o processamento realiza-se em múltiplos de STM-1
(STM-4, STM-16, STM-64, STM-256......)• Possibilidade de transportar e misturar sinais de diferentes hierarquiasPDH em um único STM-1
• Realização de redes flexíveis com o uso de ADMs (Add and DropMultiplexer ) e DXCs (add & drop multiplexers e digital cross-connects)
• Gerência Integrada da Rede• Compatibilidade entre equipamentos de diferentes marcas => Redução docusto dos equipamentos
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Tecnologias Ópticas
• Quadro SDH (Estrutura)9 colunas 261 colunas
5 l i n h a s
Ponteiros da AU
RSOH
MSOH
PAYLOADPOHPOH 9 l i n h a s
125 µseg36
Um quadro SDH é basicamente formado por:
• RSOH: Seção de Regeneração componente do cabeçalho do SDH,este campo contém Bytes para alinhamento de quadro, identificação doquadro STM, Canal de Serviço e Bytes para comunicação com oscanais de Gerência (DCC
R)
• MSOH: Seção Multilexadora componente do cabeçalho do SDH, estecampo carrega os Bytes responsáveis pela paridade, Proteção(Chaveamento automático), Comunicação com a Gerência (DCCM),Qualidade do Sincronismo e também Canal de Serviço
• Ponteiros: Carregam os Bytes responsáveis pelo Alinhamento dosquadros dentro do Payload
• POH: Carrega os Butes para supervisão da Rota e também otamanho e o caminho dos quadros dentro do PAYLOAD
• PAYLOAD: Região dentro do quadro STM responsável por
transportar a informação em uma transmissão SDH.
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Tecnologias Ópticas
• Payload(Estrutura)261 colunas
PAYLOADPOHPOH 9 L i n h a s
Carga ÚtilOrganizada em VC-4
1 VC-4 = 3 x TUG-3
1 TUG-3 = 7 x TUG-2OU
1 TUG-3 = +/- VC-3 (34 Mbps)
1 TUG-2 = 3 x TU-12/VC-12 (2 Mbps)
37
A carga útil do quadro STM-1 (155,52 Mbps) é dada por:
260 x 9 = 18720 bits / 125 µseg => 149,760 Mbps
Ou seja, nestes 149,760 Mbps é possível transportar:
• até 63 canais 2 Mbps , ou;
• até 3 canais de 34 Mbps, ou;
• Até 1 canal de 140 Mbps,
Ou ainda taxas PDH mescladas dentro do VC-4, por exemplo:
• 21 canais de 2 Mbps + 2 canais de 34 Mbps
• 42 canais de 2 Mbps + 1 canal de 34 Mbps
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Tecnologias Ópticas
• Subdivisões do Quadro STM-1
TUG-2
TUG-2
7
VC-12 VC-12 VC-12
1
VC-12 VC-12 VC-12
TUG-3 TUG-3
7
VC-12 VC-12 VC-12
1
VC-12 VC-12 VC-12TUG-2
TUG-2
TUG-3
VC-3(34 Mbps)
VC-4 = 3 x TUG-3 + Labels
TUG-2
TUG-2
AU-4 = VC-4 + PonteirosSTM-1 = AU-4 + Cabeçalhos
38
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Tecnologias Ópticas
• Quadro SDH (Formação)
STM-N VC-4 C-4
C-3
VC-3
AU-4
TU-3
AUG
TUG-3
TUG-2
ATM: 149.760 kbit/sPDH: 139264 kbit/sFDDI: 100 Mbit/s
ATM: 48,384 kbit/sPDH ETSI: 34368 kbit/s
xN
x1
x3
x7
x1
x3
C-12VC-12TU-12 2048kbit/s
Onde:N=1,4,16,64
39
-
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Tecnologias Ópticas
• SDH (Níveis Hierárquicos)
STM-256
STM-64
STM-16
STM-4
STM-1
STM-0
SDH
(Europeu)
UNITE
TDM 10G
ADM 16/1
ADM 4/1
AM-1 PLus
Equipamento
Lucent
39813,12OC-576
9953,28OC-192
2488,32OC-48
1244,16OC-24
622OC-12
155,5OC-3
51,8OC-1
Taxa (Mbits/s)SONET
(Americano)
40
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Tecnologias Ópticas
• Estrutura de uma rede SDH
2Mbit/s
34Mbit/s140Mbit/sSTM-1
STM-4STM-16
STM-64
ADMADM
DXCDXC
ADMADMADMADM
ATMATMSTM-4/-16/-642Mbit/s
34Mbit/s
140Mbit/s
STM-1
LAN
TMTM2Mbit/sSTM-1
STM-1, STM-4, STM-16
2Mbit/s8Mbit/s
34Mbit/s
140Mbit/s
ADM : Add Drop Mult iplexer DXC : Digital Cross Connect TM : Terminal Mult iplexer DSC: Digital Switching Center LAN: Local Area Network
DSC
41
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Tecnologias Ópticas
• Redes TDMMULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE TEMPO
Elétrico/Óptico
Elétrico / Óptico
42
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Tecnologias Ópticas
Crescimento
Das Aplicações
Novas
Tecnologias
Crescimento
De BW
Queda
Nos Custos
T
e n d ê
n c i a
s d e M
e r c a d o
0%
200%
400%
600%
800%
1000%
1200%
1400%
1600%
1800%
1 9 9 5
1 9 9 6
1 9 9 7
1 9 9 8
1 9 9 9
2 0 0 0
2 0 0 1
T o t a l % I
n c r e a s e
Trafego de Dados e Voz
$-
$0.20
$0.40
$0.60
$0.80
$1.00
$1.20
$1.40
$1.60
$1.80
1995 1996 1997 1998 1999 2000
C o s t p e r S T S - 1
OC-48OC-192DWDM
Custo por STM-1
( $ K )
Situação Atual do Mercado
43
Necessidades do Mercado de Telecomunicações:
• Grande Necessidade de Banda de Transmissão
• Trafego de Dados já supera trafego de Voz
• Crescimento do Trafego
• Voz: 17% /ano
• Dados: 200% /ano (Novas aplicações, serviços....)
• MailBox: 140% /ano
• Melhor aproveitamento das redes ópticas Existentes
• Garantia de Upgrades visando preservar investimento na tecnologia
“Nos próximosNos próximos trêstrês anos, aanos, a humanidade vai gerarhumanidade vai gerarum volumeum volume dede informaçõesinformações superiorsuperior aoao queque foifoi
produzidoproduzido nos últimos 300 mil anos.”nos últimos 300 mil anos.”Universidade Berkeley - School of Information
Managenet and SystemsComputerworld
-
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• Instalação de Novas Fibras
• Desenvolvimento de Equipamentos com maiorCapacidade
• Desenvolvimento de Novas Técnicas para Transporte doSinal e aproveitamento da Infra Estrutura Existente
Tecnologias Ópticas
Como Atender as Necessidades do Mercado?
44
• Instalação de Novas Fibras:
Ø Alto Custo em Obras Civís
Ø Necessidade de Licenças e Direitos de Passagem ( ~ R$ 25.000 /Km)
Ø Processo Demorado ( ~1 km / Dia)
• Desenvolvimento de Equipamentos com maior Capacidade
Ø O Desenvolvimento de Sistemas TDM com maior capacidade enfrentaobstáculos técnicos
•Desenvolvimento de Novas Técnicas para Transporte do Sinal eaproveitando a Infra Estrutura Existente
Ø Utilização de Sistemas para Transmissão Simultânea de Varios Canaisem uma Fibra
Ø Multiplexagem dos Sinais Luminosos
Ø Sistema WDM !!
-
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Tecnologias Ópticas
• Redes WDMMULTIPLEXAÇÃO POR COMPRIMENTO DE ONDA
Elétrico/Óptico
Óptico
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Algumas Vantagens para o Investimento em WDM
• Maior Banda Passante
• Aproveitamento da Infra Estrutura e Redes de Fibras Existentes
• Sem necessidade de Direitos de Passagem
• Rápida Instalação
• Pay as you Grow
-
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Redes TDM x Redes WDM
Rede TDM para 40 Gb/sRede TDM para 40 Gb/s
STM-162,5G
STM-162,5GSTM-16
2,5GSTM-16
2,5GSTM-162,5G
STM-162,5G
STM-162,5G
STM-162,5G
STM-162,5G
STM-162,5G
1
16
• Utilização de 16 pares de Fibras• Grande Número de Repetidores e Amplificadores
Tecnologias Ópticas
46
-
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Redes TDM x Redes WDM
• Utilização de apenas 1 par de Fibras• Redução no Número de Repetidores e Amplificadores
Rede WDM para 40 Gb/sRede WDM para 40 Gb/s
STM-162,5GSTM-16
2,5GSTM-162,5GSTM-16
2,5GSTM-162,5GSTM-16
2,5G
STM-162,5GSTM-16
2,5GSTM-162,5GSTM-16
2,5GSTM-162,5GSTM-16
2,5G
WWDDMM
STM-162,5GSTM-16
2,5GSTM-162,5GSTM-16
2,5GSTM-162,5GSTM-16
2,5G
STM-162,5GSTM-16
2,5GSTM-162,5GSTM-16
2,5GSTM-162,5GSTM-16
2,5G
1
16
1
16
WWDDMM
Tecnologias Ópticas
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Tecnologias Ópticas
• Redes WDM (Evolução)
• Sistemas Ponto-a-Ponto (1995)• Sistemas com 2 a 4 Canais (λ’s)
• Sistemas Com Derivações / Anel (1997~98)• Sistemas com mais de 16 Canais (λ’s)- Já denominados Densos (D-WDM)
• Sistemas dotados de Cross Conexão (1999~2000)
48
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Tecnologias Ópticas
• Redes WDM Atuais
λλ11
λλ22
λλΝΝ
λλ11
λλ22
λλΝΝ
RXRX TXTX
Transmissores Receptores
Ampl i f icadores
óp ti co s
Muxóptico
Demuxóptico
Add-Drop
óp ti co
RX
RX
RX
TX
TX
TX
OADMOADM
λλ11 λλ11
49
• Transmissão ponto-a-ponto ou multi-ponto via fibra óptica
• Comutação, roteamento, processamento de bits realizados pormeios eletrônicos
• Apenas transmissão realizada no domínio óptico
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OXCOXCEDFAEDFA EDFAEDFA ADMADM
RXRX TXTX
TX1TX1
TX2TX2
TX3TX3
TX4TX4
MUX
RX1RX1
RX2RX2
RX3RX3
RX4RX4
DEMUX
cross-connect
óp ti ca
Transmissores Receptores
Ampl i f icadores
Add-Drop
óp ti co
MuxTerminal
DemuxTerminal
Tecnologias Ópticas
• Redes WDM da Próxima Geração
50
• Introdução de roteamento óptico
• Re-uso (melhor utilização) da capacidade de transmissão
• Mecanismos de gerenciamento e proteção mais avançados
• Rede em malha
-
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Tecnologias Ópticas
• Evolução das Redes Ópticas
DD--WDMWDM
IP
ATM
SDH
IP
PPP
SDH
IP
PPP
MPLS
IP
ATM
51
Cabo Óptico
Motivadores da evolução:
• Velocidade: λ (WDM) > SDH > ATM > IP
• Custo: WDM – Grande Largura de Banda a baixo custoIP - Lucro Certo e Confiabilidade e eficiência com Dados
!!! IP Diretamente em D-WDM !!!
•Elimina-se então as “camadas” intermediárias de transporte: ATM eSDH
• Maximiza a eficiência
• Reduz custo da Rede
• Proteção através do MPLS (Multiprotocol Label Switching)
-
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Tecnologias Ópticas
• Interconexão de Sistemas SDH e WDM
1550
1550
1550
1550
SDH-1
SDH-80
1528,77
1560,61
WDM
GavetaEmenda
GavetaConexão
DGO
TX
RX
52 C a b o
Ó p t i c o
-
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Tecnologias Ópticas
• FDDI (Fiber Distributed Data Interface)
• Utilização do protocoloToken Passing semelhante aoToken Ring
• Opera com Fibras Multimodo• Número Máximo de Nós: 500• Comp. Máximo da Rede: 200 Km• Distância entre Nós Maxima: 2 Km• Transmissores a LED• Transmissão em 100 Mbps• Banda Passante: 500 MHz
W
P
53
FDDI: Esta tecnologia surgiu como evolução das redes 10 Mb Ethernete 16 Mb Token Ring.
Baseada em duplo anel de fibra óptica operando com protocolosemelhante ao Token Ring , o Token Passing , o FDDI começou sendotipicamente empregado como um Backbone de alta Velocidade entreRedes Locais.
Caso houvesse ruptura nos cabos, as estações adjacentes eramcapazes de juntar o Anel Operante (W) com o Anel de Proteção (P)formando um novo Anel – Self Healing
Em função dos atrasos oriundos do protocolo de comunicação, o FDDInão era uma tecnologia recomendada para sistemas de Voz e Vídeo.
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TransoceanicaLonga Distância
AcessosMetropolitanos
Acesso emBanda Larga
Aplicações dos Sistemas Ópticos
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Aplicações dos Sistemas Ópticos
Backbones
Acesso
Acesso
RedesMetropolitanas
Acesso
OLS 1.6T
BWM(Bandwidth Manager)
AM-1 Plus(STM-1 Mux)
10G(STM-64 ADM)
ADM 16/1(STM-16 ADM)
UNITE(STM-256 ADM)
EON - 80G
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Bibliografia:
•Faria, José Ewerton e Moschin; Edson, Sistemas de Comunicações Ópticas, apostila
CEDETC Inatel, 1995• Machado, Alexandre;Curso Básico em Comunicação Óptica: Tecnologia & Prática, -apostila, XTAL Fibras Ópticas S/A , 1997 Cabeamento Estruturado, apostila – Itelcom Informática e Teleinformática, 1995• Barcelos, Sergio , Redes Ópticas – Planejamento Projeto e Tendências, apostila – FiberworkComunicações Ópticas, 2001• Piscalar, Wolf – Optical Networking Tutorial, apresentação – Lucent Technologies, 2000• Raj, Jain – IP over DWDM – Ohio State University, 1999
57