Telecom - Fibra Optica

8/16/2019 Telecom - Fibra Optica

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SistemasSistemasÓpticosÓpticos dede ComunicaçãoComunicação

(Overview)(Overview)

Engº Juarez Novaes Theodorohttp://www.geocities.com/jntheodoro

[email protected]


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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

9

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

10

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


Monomodo Índice Degrau

N2M3

N2

N1


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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• Atenuação

E

O

E

O

ELO ELO

SinaisElétricos


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


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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Dispersão (Características das Fibras)

1310 1550

17 ~ 18

-10

20

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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• Dispersão

E

O

E

O

ELO ELO

SinaisElétricos


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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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


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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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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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


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

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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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29


• 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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30


• 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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• 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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32


• Submarinas

360 networks

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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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33

Tecnologias Ópticas

• SDH• WDM (D-WDM)• FDDI

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• 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

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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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• SDH (Hierarquia Digital Síncrona)

STM-1155 MBps

STM-1

STM-1

STM-1

STM-4622 MBps

2M

1

63ou

1

334M

1140M

ou

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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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• 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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• 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)

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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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• 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

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39


• 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

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40


• 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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41


• 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

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• Redes TDMMULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE TEMPO

Elétrico/Óptico

Elétrico / Óptico

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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


Como Atender as Necessidades do Mercado?

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• 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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• 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


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47

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


2,5G

STM-162,5GSTM-16



2,5G

WWDDMM

STM-162,5GSTM-16



2,5G

STM-162,5GSTM-16



2,5G

1

16

1

16

WWDDMM


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• 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)

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• 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

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• 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


• Redes WDM da Próxima Geração

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• 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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51


• 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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• 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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• 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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56

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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

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Telecom - Fibra Optica

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