Sistemas DWDM de Baixo Custo

Introdução

O futuro chegou! Altíssimas quantidades de tráfego deixaram de ser uma demanda exclusiva de grandes operadoras. É algo cada vez mais comum ver médios e até mesmo pequenos ISP’s construindo redes ópticas metropolitanas e de longa distância. Mesmo em um mercado acirrado entre os fornecedores/fabricantes de cabos ópticos, os custos de lançamento acabam sendo uma fração significativa nas obras de backbone óptico. Nesse atual cenário, obras em conjunto, seja entre empresas parceiras ou até mesmo concorrentes, estão ajudando a viabilizar muitas dessas expansões, onde ao final, cada empresa fica com parte das fibras. Embora apenas algumas fibras em um cabo pareçam insuficientes, a tecnologia DWDM nos dias atuais, consegue transmitir quantidades incríveis de banda utilizando uma única fibra. Tudo depende da capacidade de investimento, que pode chegar facilmente às dezenas de milhões de acordo com  distância, quantidade e largura dos canais. Sistemas mais modernos conseguem facilmente entregar 80 canais de 200G acima de 10mil quilômetros de distância óptica, sem a necessidade de regeneração de sinal.

Regeneração x Repetição

Uma das principais variáveis que devem ser consideradas na hora de projetar uma rede DWDM é a atenuação óptica. É baseando-se na atenuação que os projetistas definem quais níveis de potência devem ser aplicados ao sinal óptico. Contudo, amplificar sinais ópticos também traz efeitos colaterais na forma de ruído. Quanto maior a potência (ganho) aplicada, maior o nível de ruído incrementado e consequentemente mais dificuldade imposta ao receptor remoto. Os projetos de longas distâncias precisam estar sempre alinhados à um parâmetro chamado Relação Sinal x Ruído (OSNR), que é em outras palavras, a parte do sinal que pode de fato ser compreendido pelo receptor de acordo com a figura 1.1.

A medida que o sinal degrada em virtude da atenuação óptica, pode ser “repetido” (re-amplificado) e novamente injetado na fibra para que percorra um novo trecho. De acordo com o tipo de modulação e a qualidade dos transponders receptores, há um limiar em que  novas repetições se tornam inviáveis pela incidência cada vez maior de ruído, que reduz OSNR, causando “biterrors”. Faz-se necessário assim, um processo de regeneração completa do sinal, que é convertido novamente em sinal elétrico e em seguida submetido à mecanismos de correção de erros, chamado de FEC (Forward Error Correction). Em outras palavras, sistemas de longas distâncias ainda nos dias de hoje incrementam além de altos custos, uma grande complexidade. Por outro lado, demandas mais simples próximas tem contado cada vez mais com soluções baratas e fáceis de projetar, já que dispensam preocupação com OSNR e outros fenômenos como a dispersão da onda causada pela distância.

Níveis de distância e algumas características

Perfil	Distância Média	Complexidade	Custo	Amplificação
Curtas distâncias	0-65km	baixa	baixo	não
Médias distâncias	65-120km	baixa	moderado	pré-amplificadores
Longas distâncias	acima de 120km	alta (OTN)	muito alto	pré-amplificadores e amplificadores

Projetos para Curtas distâncias:

Praticamente toda atenção requerida se limita ao fator atenuação, que vai desde a fibra óptica quanto aos demais passivos (DIO, MUX, DEMUX e conectores). Uma das características que mais favoreceu o crescimento desses projetos, foi o surgimento de tranceivers de lambda fixa, que podem ser utilizados diretamente em interfaces SFP/SFP+ dos roteadores/switches. Esses tranceivers são bastante similares aos de já existente padrão ZR 1550nm. Esses modulam no padrão 10G ethernet, mas ao invés de 1550nm, podem variar entre 1520,25nm à 1570,03nm de acordo com o respectivo canal, que é padronizado pelo ITU-T. Além do “orçamento de potência”, é preciso atentar-se ao tipo de MUX/DEMUX que será utilizado. A escolha dos comprimentos de onda (canais) deve obedecer rigorosamente à posição/porta do MUX/DEMUX onde esse sinal vai ser injetado, pois trata-se de uma restrição física. Ou seja, uma porta do MUX/DEMUX descrita como canal 21, só vai deixar passar o comprimento de onda 1560.61nm. O principal fator responsável pelo baixo custo desse tipo de projeto é modular sinais no padrão Ethernet10G, ou seja, transmitem quadros Ethernet e não OTN. Outro fator decisivo é a capacidade que o próprio tranceiver tem de vencer a atenuação sem a necessidade de amplificadores ópticos, que além de elevar o custo, incrementam níveis de complexidade como  “alinhamento de canais” e degradações de OSNR.

Como calcular atenuação

Para calcular corretamente é preciso ter os seguintes dados:

1. Potência de saída do laser: Os mais comuns encontrados no mercado tem potência de saída em torno de +1dBm
2. Atenuação total da fibra: Esse fator é mais importante que a distância propriamente dita, pois podemos ter fibras em bom ou em mal estado. Uma fibra com atenuação aceitável vai ter em média uma atenuação de 0,25dB a cada km.
3. Atenuação do MUX/DEMUX: A quantidade total de canais desse tipo de sistema está diretamente relacionada com o tipo de MUX/DEMUX. Quanto maior a quantidade de canais suportados, maior vai ser a atenuação causada pela inserção desse canal. Um MUX/DEMUX de 8 canais por exemplo, vai causar uma atenuação aproximada de 2,8dB no processo de multiplexação e outros 2,8dB no processo de demultiplexação, já um MUX/DEMUX de 40 canais pode chegar facilmente à 7dB em cada fase.
4. Atenuação dos conectores: Bons conectores não devem passar de 0,5dB
5. Sensibilidade do receptor: A maioria desses modelos apresenta sensibilidade de -24dBm em seus datasheets, ou seja, de acordo com o fabricante, um sinal abaixo desse nível, não poderá ser interpretado corretamente pelo receptor, causando “biterrors”.

Calculando sinal esperado:

Caraterísticas do projeto:

Distância óptica: 60km

Atenuação da fibra: 0,25dB/km

Potência de saída: +1dBm

Sensibilidade do receptor: -24dBm

MUX/DEMUX: 8 canais, 2.8dB de Insertion Loss (incluindo conector)

Atenuação total = (Distância óptica x atenuação) + Perdas do MUX + Perdas do DEMUX + perdas de conectores*

Atenuação total = (60 x 0,25) + 2,8 + 2,8 + 1   => 21,6dB

Sinal esperado = Potência de saída - atenuação total =>  +1 dBm - 21,6 = -20,6dBm

De acordo com os cálculos acima, o sinal esperado ficou mais alto que a sensibilidade do receptor (-24dBm), garantindo assim, o pleno funcionamento do sistema**

* vamos considerar 0,5 dB do conector do MUX para o DIO e 0,5dB do DIO para o DEMUX do lado remoto, totalizando 1dB.

** O exemplo em questão, por dispensar o uso de amplificadores ópticos, não requer preocupações com fatores de OSNR, desse modo, o nível de sinal na recepção é o único fator a ser levado em conta.

Considerações finais

A distância máxima que podemos alcançar está diretamente relacionada ao nível de atenuação óptica, cabendo ao projetista, considerar sempre esse nível de atenuação ao invés da distância. Projetos como esse podem ser implementados por qualquer técnico com experiência básica em fibra óptica, pois de maneira geral, a atenuação é praticamente o único fator a ser considerado. Quando as distâncias superam a marca dos 100km, fenômenos como dispersão cromática (principalmente em sinais de 10G), PMD, ruído, e outros passam a influenciar cada vez mais o sinal. A partir desses níveis, torna-se comum o uso de transponders, que viabilizam o uso da camada OTN, cujo FEC é um dos maiores benefícios. A partir de então, a rede DWDM se torna de fato uma camada transparente, podendo transportar outras tecnologias além do Ehernet, como Fiberchannel, STM-64, etc. É altamente recomendado que redes desse nível, sejam projetadas pelo próprio fabricante da solução.

Autor: Rinaldo Vaz