Tutorial de FTTH Fiber-To-the-Home

As operadoras de telecomunicações em todo o mundo perceberam que sua infraestrutura de acesso de cobre envelhecida está sendo taxada à medida que os clientes residenciais e comerciais utilizam aplicativos cada vez maiores e simétricos com uso intensivo de largura de banda. O cenário das telecomunicações amadureceu a tal ponto que as operadoras buscam oferecer convergência de rede e permitir a revolução da interação do dispositivo de mídia do consumidor. Essas demandas estão sendo atendidas pela maior penetração da fibra ótica nas redes de acesso e pela crescente implantação do Fiber To The Home (FTTH). Como resultado, FTTH é a tecnologia de banda larga global que mais cresce, com implementações significativas ocorrendo na Ásia, Europa e América do Norte.

Este tutorial fornece detalhes por que as operadoras estão implantando o FTTH hoje, enquanto detalha as arquiteturas e protocolos usados em sua implantação. A rede óptica passiva (PON) e a rede ponto a ponto (P2P) são definidas, bem como os vários protocolos e padrões de suporte, como o modo de transferência assíncrona ATM e Ethernet e seus recursos de vídeo resultantes. Em seguida, são detalhados os componentes e tecnologias utilizados na planta externa. A última parte é comparar e contrastar a implantação de FTTH, Building, Curb e Node (comumente referido como um grupo como FTTx).

Por que as operadoras estão implantando o FTTH?

O século XXI anunciou inúmeras mudanças em nossa paisagem; indiscutivelmente, nenhum será mais importante do que a transformação dos meios de nossos provedores de telecomunicações para fornecer serviços de telecomunicações aos consumidores, tanto residenciais quanto comerciais. Este fenômeno está sendo sustentado por duas tecnologias: Protocolo de Internet (IP) e Fibra Óptica. Hoje, a tecnologia está disponível para fornecer todas as classes de serviço, voz, vídeo e dados, sobre um protocolo comum (ou seja, o IP).

As operadoras estão se movendo rapidamente para maximizar o número de serviços que oferecem a um único cliente por meio de uma oferta em pacote. Tecnologias como VoIP, IPTV e banda larga estão se tornando comuns em nossa sociedade. À medida que serviços e tecnologias agrupados são implantados, as operadoras estão percebendo que suas redes originais, projetadas para fornecer um único serviço com eficiência, estão sobrecarregadas e, em muitos casos, incapazes de oferecer os serviços desejados. A Figura 1 mostra o serviço de assinante previsto e a demanda de largura de banda. As redes de hoje estão sendo projetadas para fornecer 20 Mbps (pelo menos), enquanto daqui a 3 a 5 anos as operadoras precisarão de capacidade de 40 Mbps (pelo menos), pois vários serviços são usados em casa, a HDTV se torna mais predominante e os usuários exigem conexões de Internet mais rápidas. Isso está resultando no maior investimento na rede de acesso desde a virada do século e na fiação do mundo ocidental para serviços de voz.

Figure 1. Forecasted Subscriber Bandwidth Demand

Liderando essa onda de investimentos está a implantação de fibra monomodo mais profunda nessas redes de acesso, a fim de reduzir os requisitos de largura de banda de seus clientes. Cada vez mais, as operadoras estão descobrindo que a implantação da fibra até o cliente permite a proteção futura da rede, maximiza a largura de banda simétrica da rede de acesso de uma operadora, fornece confiabilidade de rede, reduz significativamente as despesas operacionais e oferece oportunidades de receita aprimoradas. A indústria se refere a essa tecnologia como FTTH.

Arquiteturas FTTH

A implantação de fibra óptica em uma rede de acesso pode ser realizada de várias maneiras. De fato, muitas tecnologias de acesso são comumente referidas como FTTx quando, na verdade, são simplesmente combinações de fibra ótica e par trançado ou redes de cabo coaxial. Essas tecnologias não fornecem a capacidade inerente de uma rede FTTH.

FTTH é simplesmente a implantação 100% de fibra ótica na rede de acesso. É comumente implantado em duas configurações específicas. Na primeira, uma fibra é dedicada a cada usuário da rede de acesso. Isso é chamado de rede P2P. No segundo, uma fibra é compartilhada (através de um divisor de energia) entre uma quantidade definida de usuários, normalmente de 16 a 32, e é chamada de PON. Existem vantagens e desvantagens na implantação de redes P2P e PON com base em considerações financeiras, de largura de banda e de componentes.

As redes P2P são caracterizadas pelo uso de uma fibra e laser por usuário. São as redes FTTH mais simples de projetar. Às vezes, as redes P2P são chamadas de All Optical Ethernet Networks (AOENs). A Figura 2 ilustra vários exemplos de como as arquiteturas P2P podem ser implantadas. Mais uma vez, uma fibra dedicada é terminada no assinante e dispositivos ativos no Escritório Central (CO) para um provedor de telecomunicações ou Head End (HE) no caso de uma operadora de CATV ou um dispositivo remoto no campo. O dispositivo remoto ou switch no campo é sempre um dispositivo ativo e deve ser usado em toda a rede. As características de uma rede P2P incluem eletrônica ativa no campo, sua simplicidade inerente, são ricas em fibra e não requerem compartilhamento de fibra ou largura de banda para o assinante.

Figure 2. P2P/AOEN

As PONs são caracterizadas pelo "splitting" da fibra óptica uma ou mais vezes no campo, resultando no compartilhamento da fibra óptica entre vários usuários. A fibra em uma PON é normalmente compartilhada com 16-32 usuários. Assim, a largura de banda da fibra originada no CO/HE é compartilhada entre um grupo de usuários. A divisão da rede é realizada por um divisor óptico. Esses divisores podem dividir a fibra de 2 a 32 vezes e, por sua natureza, introduzem perdas inerentemente altas na rede. Portanto, seu uso é limitado devido às considerações de orçamento de energia da rede. Uma PON terá menos alcance óptico do que uma rede P2P, que não usa divisores. Normalmente, uma PON é capaz de atingir assinantes a 20 km do transmissor original, o que cobrirá 98% da população. Uma PON é caracterizada pelo uso de nenhuma eletrônica no campo e é suportada por um conjunto de padrões maduros e é a arquitetura FTTH mais amplamente implantada nos EUA. A Figura 3 ilustra as múltiplas configurações de uma PON.

Figure 3. PON

As operadoras que implantam PON têm opções arquitetônicas adicionais para classificar. Notavelmente, isso é decidir entre um divisor centralizado versus um arranjo de divisor distribuído/em cascata. Ambos são implantados por motivos diferentes, dependendo das vantagens e desvantagens de suas características específicas.

Uma divisão centralizada fornece uma localização "central" para todos os Divisores PON; normalmente localizado em um gabinete passivo classificado em campo (consulte a Figura 4, por exemplo). As operadoras que procuram maximizar a eficiência da porta no CO/HE e usar divisores 1 × 32 para maximizar a capacidade compartilhada da planta de fibra serão atraídas para uma configuração de divisão central. Isso resulta na minimização do número de transmissores usados no CO/HE e divisores ópticos e fibra no campo. A arquitetura dividida centralizada também fornece uma melhor medição de perda geral para o PON, aumentando assim a confiabilidade da rede. Um único divisor 1 × 32 tem menos perda do que divisores em cascata 1 × 2, 1 × 4, 1 × 8 e 1 × 16 ou qualquer combinação de divisores 1 × 16, 1 × 8, 1 × 4 e 1 × 2 no rede. Isso melhora o alcance óptico e a redução do componente óptico é diretamente proporcional ao aumento da confiabilidade da rede por meio da redução dos pontos de falha. Além disso, a divisão centralizada demonstrou minimizar o gasto de capital dos divisores inicialmente na rede, facilitando uma abordagem "pague conforme o crescimento" devido à maior eficiência da porta de saída do divisor em taxas de tomada baixas a médias. A divisão centralizada também fornece simplificação da solução de problemas de rede e localização de falhas que se traduzem diretamente em economia de mão de obra.

Figure 4. Centralized Split

Uma configuração de divisão distribuída/em cascata resulta no envio de divisores mais profundamente na rede (consulte a Figura 5 para obter um exemplo). Como os divisores não são centralizados, a necessidade de gabinetes de campo é reduzida ou removida, pois os divisores são comumente incorporados em gabinetes modificados ou mesmo de volta no CO/HE. O compartilhamento de um transmissor CO/HE entre 32 usuários ainda é obtido através da distribuição de múltiplos divisores ao longo do caminho óptico. Por exemplo, um 1×4 seguido de um 1×8, em diferentes locais da rede, resulta em compartilhamento de largura de banda entre 32 usuários. O posicionamento profundo dos divisores pode resultar no "encalhe" dos ativos do divisor, pois a operadora aguarda novos assinantes na rede ou as taxas de aceitação são baixas. O teste de rede e a localização de falhas podem ser mais difíceis com uma configuração de divisão distribuída/em cascata, pois é difícil para o equipamento de teste ver através de uma matriz de divisores ao longo do loop óptico. A confiabilidade da rede pode ser afetada devido ao aumento dos componentes ópticos.

Figure 5. Distributed Split

Protocolos e Padrões FTTH

Os padrões de transmissão utilizados nas redes FTTH são baseados nas tecnologias ATM e Ethernet. As operadoras estão extremamente familiarizadas com ambas as tecnologias que suportam uma variedade de serviços. Hoje, a maioria das redes P2P utiliza a tecnologia Ethernet e é regida pelos padrões IEEE 803.2ah. As redes P2P são simplesmente uma extensão da Ethernet herdada usada em espaços metropolitanos e corporativos e estendida para a rede de acesso. As taxas de largura de banda são limitadas apenas ao tipo de transmissor no CO/HE e em casa. A maioria das redes FTTH compartilhadas e de propriedade municipal e as primeiras implantações de FTTH no Japão utilizavam redes P2P.

As PONs fornecem uma ampla variedade de opções de tecnologia e protocolo para a operadora. A iniciativa Full-Service Access Network (FSAN) supervisiona o desenvolvimento de PONs. Composta por pelo menos 20 operadoras globais, a FSAN trabalha com os principais fornecedores para chegar a um acordo sobre plataformas de tecnologia comuns para a entrega de serviços convergentes. A FSAN, não uma organização de padronização, envia recomendações para adoção à União Internacional de Telecomunicações (ITU). Aqui está uma tabela que fornece uma análise completa dos protocolos PON e seus respectivos recursos.

PON Protocols	BPON	EPON	GPON
Standard	ITU-T G.983	IEEE803.2ah	ITU-T G.984
Bandwidth	Downstream up to 622Mbps Upstream 155Mbps	Up to Symmetric 1.25Gbps	Downstream up to 2.5Gbps Upstream up to 2.5Gbps
Downstream Wavelength	1490nm and 1550nm	1550nm	1490nm and 1550nm
Upstream Wavelength	1310nm	1310nm	1310nm
Transmission Mode	ATM	Ethernet	ATM, Ethernet, TDM

As implantações anteriores de PON utilizavam ATM PON (APON), que evoluiu para Broadband PON (BPON). BPON é regido pela ITU G.983. O protocolo A/BPON é caracterizado por ter dois comprimentos de onda downstream e um comprimento de onda upstream. Os comprimentos de onda de 1550 nm e 1490 nm são usados para tráfego downstream com o canal de 1490 nm normalmente um canal IP para serviços de voz e dados. O canal de 1550 nm será usado para uma sobreposição de vídeo RF ou IP. Fornecendo 622 Mbps eletrônicos compartilhados são capazes de fornecer dinamicamente 20-30 Mbps por assinante. O acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA), recomendado pela FSAN, é usado para todo o tráfego downstream/upstream.

Uma alternativa às redes A/BPON é a Ethernet PON (EPON), regida pelo IEEE 803.2ah. EPON usa apenas dois comprimentos de onda e usa exclusivamente IP. O comprimento de onda de 1550 nm é usado para tráfego downstream e 1310 nm é usado para tráfego upstream. Capaz de 1,25 Gbps em largura de banda compartilhada, o EPON em condições de "melhor esforço" fornece 100 Mbps, mas normalmente fornece largura de banda de 30-40 Mbps. Gigabit Ethernet PON (GEPON) pode aumentar a largura de banda compartilhada para 2,5 Gbps.

O BPON evoluiu para Gigabit PON (GPON) para lidar com as limitações de largura de banda e protocolo. Capaz de até 2,5 Gbps de largura de banda compartilhada entre 32 usuários, o GPON utiliza o mesmo plano de comprimento de onda do BPON. Ele é regido pelo padrão ITU G.984 e oferece flexibilidade de protocolo nas plataformas ATM, Ethernet e TDM.Componentes

da planta externa FTTH

Uma ampla gama de componentes externos da planta é usada para construir redes FTTH. As primeiras redes FTTH emprestaram dos projetos de redes metropolitanas e de longa distância e se tornaram simples extensões dessas redes. Logo ficou claro para a indústria que, se o FTTH se tornasse onipresente, produtos especializados e metodologias de instalação teriam que ser introduzidos. A inovação seria necessária para enfrentar o alto custo das redes de acesso, abordar a velocidade de implantação e melhorar a confiabilidade da rede.

Todas as redes FTTH são inerentemente projetadas para fornecer uma fibra óptica ao assinante. Seu design, porém, é altamente dependente da natureza única do ambiente de acesso; portanto, a flexibilidade do produto e do design é crítica. Em seu núcleo, as redes FTTH contêm um Terminal de Linha Óptica (OLT), Cabo Óptico e um Terminal de Rede Óptica (ONT). Vários outros componentes especializados são adicionados para abordar a natureza única da rede de acesso.

A OLT normalmente está localizada no CO/HE, mas também pode estar localizada em um terminal remoto no campo. A OLT abriga os transmissores de laser dedicados a cada usuário em uma rede P2P ou compartilhados entre vários usuários em uma PON. A OLT também é o ponto de agregação de voz da Rede Telefônica Pública Comutada (PSTN), dados de um roteador e vídeo através de suas múltiplas formas.

A fibra ótica leva o sinal até o usuário e é dividida em três seções, cabo alimentador (terminado no CO/HE), cabo de distribuição (que se espalha pela rede de acesso e se conecta ao cabo alimentador “feeds”) e cabo drop utilizado para conectar fisicamente os usuários à rede FTTH. Como meio, a largura de banda da fibra óptica é limitada apenas pelos transmissores da OLT e, portanto, prova o futuro da rede de acesso devido à sua enorme capacidade de largura de banda.

O ONT recebe o sinal do OLT e o converte em sinais eletrônicos utilizáveis que podem ser recebidos pelo telefone, computador, TV ou qualquer outro número de dispositivos de um usuário. O ONT também serve para comunicar o tráfego IP de volta ao OLT, de modo que conversas de voz possam ocorrer, páginas da Web possam ser solicitadas e os canais de TV possam ser alterados. Normalmente, o ONT é conectado a um dispositivo de backup de bateria, fornecendo um período de tempo limitado (normalmente 8 horas em espera) de serviços de linha de vida.

Conforme discutido, as redes P2P são caracterizadas por sua simplicidade. Uma rede P2P minimiza a quantidade de componentes no campo e possui todos os itens descritos acima, bem como os gabinetes usados para conectar os vários cabos implantados no campo. As redes PON utilizam de forma mais eficiente a fibra óptica no campo e os transmissores da OLT. Portanto, seu design é mais complexo em comparação com o P2P.

Além da OLT, do cabo óptico e da ONT, a PON inclui muitos componentes especializados que atendem às preocupações de custo, implantação e confiabilidade das implantações anteriores de FTTH (consulte a Figura 6). O mais importante deles é o Divisor Óptico. Dependendo da arquitetura de divisão escolhida, os divisores ópticos podem assumir a forma de 1×32, 1×16, 1×8, 1×4, 1×2 etc. e podem estar localizados em praticamente qualquer lugar na rede de acesso. Conforme discutido, muitas operadoras escolhem a arquitetura dividida centralizada devido às suas eficiências inerentes. A agregação de divisores ópticos geralmente está localizada em um gabinete chamado Ponto de Convergência Local (LCP). É aqui que termina o cabo alimentador e começa o cabo de distribuição (a partir daqui cada cliente tem uma fibra dedicada). O cabo de distribuição então serpenteia pelos bairros e prédios da rede de acesso. Quando um cabo de distribuição se aproxima de um usuário, um Network Access Point (NAP) é usado para acessar um pequeno número de fibras ópticas no cabo. A partir deste ponto, cabos drop (geralmente contendo 1-4 fibras) são usados para conectar ao ONT do assinante.

Figure 6. Typical PON Components

Uma recente inovação padronizada no cabo drop e NAP é o uso de conectores ambientalmente protegidos. As redes legadas conectavam todas as fibras ópticas de todos os componentes de acesso com uma emenda óptica, mecânica ou de fusão. Embora normalmente introduza pouca perda óptica na rede, a emenda também introduziu alto custo na rede implantada devido ao tempo envolvido para realizar uma emenda e ao nível de habilidade do técnico e requisitos de implantação do equipamento. Os conectores eliminam esses custos, melhorando consideravelmente a velocidade de implantação enquanto introduzem pouca perda em uma rede devido aos comprimentos de loop curtos inerentes às redes de acesso. Os conectores de rede FTTH são tecnologia padronizada regida pela Telcordia GR-3120.

Comparação entre a implantação de FTTH e FTTx

A indústria hoje tem marcado a penetração "geral" da fibra na rede de acesso como "FTTx". Isso criou alguma confusão, já que o FTTx cobre várias arquiteturas e protocolos diferentes. De fato, algumas das atuais redes Digital Subscriber Loop (DSL) e Hybrid Fiber Coax (HFC) se qualificam como redes FTTx devido ao uso de fibra no acesso, assim como uma PON. Portanto, ao se referir a uma rede de penetração de fibra profunda, é melhor referir-se à sua arquitetura real. As arquiteturas mais comuns são FTTHome (FTTH), FTTBuilding (FTTB), FTTCurb (FTTC) e FTTNode (FTTN). Cada um deles tem uma arquitetura física diferente, conforme ilustrado na Figura 7.

Figure 7. FTTx Architectures

Como discutimos extensivamente, o FTTH leva a fibra até as residências individuais. O FTTH é completamente ausente de cobre na planta externa e normalmente fornece serviço de 30 a 100 Mbps, mas devido às características inerentes da fibra óptica pode fornecer largura de banda literalmente infinita. O FTTB normalmente usa a arquitetura P2P na planta externa, fornecendo uma fibra dedicada para cada edifício ou bloco de edifícios. A fibra é terminada em um Terminal Remoto (RT) que é um dispositivo ativo que requer alimentação e segurança normalmente localizado no porão, sala de comunicações ou armário de utilidades. Se o edifício for equipado com cabo Cat5 para cada unidade residencial, uma rede Ethernet local (LAN) é instalada fornecendo largura de banda compartilhada de 10 ou 100 Mbps. Se o par trançado estiver disponível apenas, o RT é um multiplexador de acesso DSL (DSLAM) e é instalado para fornecer serviços de largura de banda de requisitos que oferecem até 50 Mbps (os aplicativos FTTB atuais fornecem até 10 Mbps).

O FTTC normalmente envia fibra de 500 a 1.000 pés do assinante terminando em um RT e atenderá de 8 a 12 assinantes. O FTTN é semelhante em arquitetura ao FTTC, exceto que o RT está posicionado muito mais longe dos assinantes; até 5.000 pés e atenderá de 3 a 500 assinantes. Ambos utilizam par trançado existente fora da planta para se conectar ao cliente. A largura de banda é ditada por dois fatores: tecnologia DSL e comprimento do loop de cobre. VDSL e VDSL2 funcionam melhor em comprimentos de loop mais longos e são predominantemente usados para FTTN, enquanto ADSL2, ADSL2+ e ADSL2++ estão sendo usados nos sistemas FTTC atuais. Sinais sobre cobre degradam significativamente em longas distâncias afetando diretamente a capacidade de largura de banda. Nas condições mais extremas (4-5 km) alguns clientes podem nem conseguir ser atendidos por DSL. Se as condições do cobre garantirem, em alguns casos, a operadora usará os dois pares trançados para aumentar a taxa de transferência da largura de banda. Ambas as arquiteturas forneceram não mais do que 20 Mbps de serviço no laboratório. Devido aos comprimentos de loop de cobre mais curtos em uma rede FTTC, a operadora melhorou a escalabilidade do ponto de vista da largura de banda. Implantações em larga escala de FTTC e FTTN estão planejadas no futuro.

A penetração da fibra está diretamente correlacionada com a taxa de transferência de largura de banda de cada arquitetura definida e, portanto, com a capacidade de serviço para a operadora. Conforme discutido anteriormente, os requisitos de largura de banda de cada operadora diferem, mas todos estão crescendo. A operadora deve levar isso em consideração ao decidir sobre a arquitetura desejada a ser implantada. A penetração da fibra também é um indicador das Despesas de Capital (CapEx) e Despesas Operacionais (OpEx) esperadas. A fibra profunda resultará em um CapEx mais alto para os bairros existentes, mas na verdade está próximo da paridade de custos com todas as arquiteturas para novas construções. A fibra profunda fornecerá a quantidade máxima de economia OpEx de forma comparável. O FTTH permite a entrega de economia devido a reduções de custo para rede, escritório central e operações externas da planta, bem como atendimento ao cliente. A confiabilidade da rede também aumenta drasticamente com o FTTH, garantindo um fluxo constante de receita e maior satisfação do cliente.

Resumo

Universalmente, as operadoras estão optando por colocar a fibra mais profunda na rede de acesso para superar as limitações do cobre, mas se deparam com uma infinidade de opções de arquitetura. Hoje, muitos estão investigando a implantação de FTTH, seja PON ou P2P, divisão centralizada versus distribuída, enquanto muitos outros ainda estão reabilitando porções significativas de sua rede de acesso com FTTH.

O FTTH está sendo escolhido devido à sua capacidade intrínseca como um meio para maximizar a largura de banda para a residência, que garante o futuro da rede, fornece confiabilidade de rede aprimorada, maior satisfação do cliente, capacidade de serviço expandida e OpEx de rede aprimorado. Este tutorial www.fiber-mart.com definiu as arquiteturas e protocolos usados na implantação de FTTH e os componentes e tecnologias necessárias usadas na planta externa. Houve comparações e contrastes com a implantação da família de arquiteturas FTTx, abordando como o FTTH é usado hoje para atender com eficiência e eficácia às questões de largura de banda, implantação e serviço da operadora.