Por é que as tecnologias PON garantem vantagens e alto desempenho em redes POL?

O objetivo deste artigo é apresentar a evolução tecnológica das tecnologias PON (Passive Optical Network) baseadas nas recomendações do ITU-T (International Telecommunications Union - Telecommunications), desde a sua origem, destacando as suas características físicas, distâncias, taxas de transmissão, comprimentos de onda e compatibilidade, até atingirem o nível de amadurecimento tecnológico que despertou interesse no seu uso em redes internas, na infraestrutura de cabeamento estruturado, numa implementação que ficou conhecida como POL (Pasive Optical LANs).

Nesse contexto, são apresentadas as características, vantagens e benefícios dessas redes, e a sua evolução histórica através de seu reconhecimento pelas normas de cabeamento estruturado, como ANSI/TIA (American National Standards Institute / Telecommunications Industry Association), e de manuais, como o TDMM (Telecommunications Distribution Methods Manual) da BICSI (Building Industry Consulting Service International). Por fim, são discutidos pontos importantes que devem ser considerados para a implementação dessas redes e respondidas algumas questões, que por vezes, desafiam os profissionais de TIC, principalmente aqueles focados em infraestrutura e que ainda não estão acostumados com o modo de operação PON nas redes LAN (Local Area Networks). Nesse sentido, são abordadas algumas questões pertinentes que normalmente surgem quando se compara as POLs com uma rede tradicional em termos de infraestrutura, compatibilidade e desempenho.

A evolução tecnológica dos últimos quarenta anos é surpreendente. Novas tecnologias surgiram, assim como, outras foram consolidadas, algumas delas, criadas ainda entre as décadas de 70 e 80. A década de 90 foi um momento histórico decisivo na área de redes, sejam elas, de telecomunicações ou LANs. O início da década foi marcado pelo lançamento da primeira norma de cabeamento estruturado, a ANSI/TIA-568, criada para padronizar e organizar a infraestrutura física de redes, ao mesmo tempo em que o protocolo Ethernet começava a ganhar mais atenção, sendo fomentado por uma gama de fabricantes cada vez mais crescente, pelo fato de ser um padrão aberto e de fácil implementação. Logo, todos os computadores passaram a ser comercializados com uma ou mais interfaces de rede operando nesse padrão. 

Enquanto de um lado o Ethernet estava a crescer e a consolidar-se, do outro, tecnologias com um grande potencial, passaram a perder espaço de mercado, como o ATM (Assyncronous Transfer Mode). No início da década de 90, o ATM era usado em transmissões com velocidades que superavam às do Ethernet, e possuía uma proposta muito assertiva no gerenciamento e encaminhamento de tráfego na rede, com características marcantes e inovadoras, tais como: atraso de transferência menor, maior confiabilidade de transmissão, grande eficiência no uso da banda, pois a ocupação do canal era feita sob demanda de acordo com o tráfego de cada conexão, e no uso do TDMA (Time Division Multiple Access), com o qual não há alocação fixa de intervalos de tempo a sub canais. A difusão do ATM ocorreu, em primeiro lugar, nas redes SDH (Synchronous Digital Hierarchy) de operadoras de telecomunicações, já que, em redes locais, o seu uso acabou por não ser  grande o suficiente como havia sido prospectado. Um outro fator de contribuição para a perda de espaço do ATM em redes LAN, foi devido a proposta do Ethernet que, além das já mencionadas, evoluiu rapidamente em termos de aderência de mercado, de velocidade e com custo de implementação muito mais atrativo.

Com a expansão no uso de fibras ópticas durante a década de 90, a indústria de telecomunicações passou a estudar alternativas para o atendimento de clientes na última milha, com o foco em chegar até a casa dos assinantes com fibra óptica. Para alcançar esse feito, uma das alternativas pensadas foi o uso do Ethernet. Devido às suas características, para realizar esse atendimento, seria necessária uma infraestrutura Ponto-a-Ponto na qual se utilizam duas fibras monomodo por padrão: uma para a transmissão, e outra para a recepção de sinais. Inicialmente esse aspecto inviabilizaria o uso do Ethernet nesse cenário devido ao custo de operação (OPEX – Operational Expenditure), seja pela distância (não superior a 10 Km, no quesito aplicação em relação a custos), ou para manter um abrigo remoto que suportasse uma quantidade significativa de equipamentos em termos de energia e refrigeração, já que para cada cliente, seriam necessárias, além do par de fibras, uma porta dedicada de switch naquele local.

Ainda durante a década de 90, uma ideia que surgiu nos anos 80 e que, até então, havia sido deixada de lado por razões diversas, voltou a estar em evidência: trata-se da tecnologia PON. Essa tecnologia tomou força e ganhou corpo devido ao amadurecimento das comunicações ópticas, ao aumento de velocidade e ao custo de tecnologias envolvidas, que, naquele momento, começavam a cair. Em termos de implementação física, com o uso de redes PON haveria uma simplificação na infraestrutura de rede e na utilização de abrigos remotos de telecomunicações, incluindo todo o seu aparato, pois seriam substituídos por pequenos elementos passivos, chamados de divisores ópticos (splitters), que facilmente poderiam ser instalados em caixas de emenda ou de terminação. Além de cobrir uma distância maior com a rede passiva, não seria mais necessário um par de fibras, pois nessa nova abordagem, a transmissão e a recepção de sinais seriam realizadas com apenas uma fibra do tipo monomodo, através do uso de multiplexação pelo comprimento de onda (WDM –Wavelength Division Multiplexing).

Uma rede implementada com a tecnologia PON é essencialmente formada por equipamentos ativos, geralmente instalados nas extremidades da rede, e, de elementos passivos, compreendidos por cabos ópticos, splitters, ODFs, patch cords, entre outros, usados para implementação da infraestrutura de conexão. Na parte ativa, o equipamento que faz a interface com os serviços, normalmente conectado à camada de agregação ou núcleo da rede, é chamado de OLT (Optical Line Terminal), e o equipamento que faz a interface com o usuário, é chamado de ONT (Optical Network Terminal/Termination). Toda a parte passiva da rede, entre a OLT e as ONTs, é denominada ODN (Optical Distribution Network), sendo uma infraestrutura de fibra Ponto-a-Multiponto, construída em topologia de árvore, por conta da presença dos divisores ópticos. A título de exemplo, em uma rede FTTH (Fiber-to-the-Home), a OLT é o head end instalado no lado da operadora, enquanto as ONTs são instaladas dentro das residências atendidas, e a ODN, toda a infraestrutura óptica que permite a conexão entre o head end e as ONTs nessas residências. O tráfego gerado na camada acima da OLT e enviado em direção às ONTs, é denominado de downstream. Por outro lado, o tráfego gerado pelos usuários abaixo das ONTs, e enviado em direção à OLT é denominado de upstream.

Para atender às características de transmissão em redes PON, o primeiro desenvolvimento foi baseado em ATM, originalmente chamado de A-PON. Como o próprio nome traduz, a sua implementação trouxe consigo as diversas características positivas desse protocolo. As implantações utilizando o ATM PON ocorreram com o apelido de B-PON (Broadband PON), que posteriormente foi padronizado e lançado pelo ITU-T como série de recomendações G.983 em 1998. Inicialmente esse padrão definia a transmissão em velocidades (taxas de bits) de 155 Mb/s para upstream e downstream, porém mais tarde, passou a adotar taxas de 1244 Mb/s para downstream e de 622 Mb/s para upstream.

Durante os anos seguintes ao seu lançamento, esse padrão amadureceu, agregando a capacidade de transporte de serviços de telefonia como POTS (Plain Old Telephone Service) e VoIP (Voice over Iinternet Protocol), bem como, melhorada a capacidade de transmissão em upstream, através do uso de DBA (Dynamic Band Allocation), a qual foi definida e padronizada. 

Em 2003 foi lançada pelo ITU-T a série de recomendações G.984, conhecida como GPON (Gigabit-PON), a qual traz a definição e implementação de um protocolo novo, desenvolvido com base nos pontos fortes e características do B-PON, inicialmente colocando o ATM como protocolo opcional. Dentre as diversas vantagens, as que se destacam são a possibilidade de coexistência com as próximas gerações de tecnologias PON, e um nível de convergência consolidado, isto é, o GPON foi projetado para entregar/transportar qualquer serviço de telecomunicações que seja necessário. Foi padronizado para trabalhar com velocidades 2488 Mb/s em downstream e 1244 Mb/s em upstream, capacidade que é compartilhada entre as ONTs. O GPON atende às necessidades e características de uma rede gigabit, podendo acomodar, inicialmente, até 64 ONTs (razão de divisão 1:64) por porta OLT a uma distância de até 20 Km. A distância máxima suportada é de 60 Km e a quantidade máxima de ONTs é de 128 (razão de divisão 1:128), o que dependerá do orçamento de potência da rede óptica e da capacidade, em termos de potência, do transceptor OLT (transceiver), a qual é determinada por classes.

Como exemplo, um transceiver de Classe B+ possui alcance máximo de 20 Km e capacidade máxima para gerir até 64 ONTs, já um transceiver de Classe C+ possui alcance máximo de 60 Km e capacidade máxima para gerir até 128 ONTs. Ainda sobre as distâncias, é importante estar atento a duas características relacionadas a elas: a distância máxima de fibra, e a distância diferencial máxima de fibra. A distância máxima de fibra é o alcance máximo entre a OLT e uma ONT. A distância diferencial máxima de fibra é a diferença entre o alcance de duas ONTs individuais em relação a uma mesma porta PON da OLT. Para o caso do GPON, essa distância possui um alcance convencional de 20Km, devido aos seus requisitos de PMD (Physical-Media Dependent) e de camada TC (Transmission Convergence Layer). Assim, se uma ONT estiver conectada a uma distância máxima de fibra de 60Km, todas as demais ONTs, na mesma porta PON, deverão estar conectadas dentro dos 20 Km de alcance em relação a ela. Nesse cenário, para a operação adequada de todas as ONTs, a distância mínima de fibra utilizada deverá ser de 40 Km em relação à OLT.  A figura 2 apresenta a relação entre a distância máxima de fibra e a distância diferencial máxima de fibra do cenário exemplificado:

O GPON foi implantado em volume substancial nos anos seguintes ao seu lançamento, em especial entre os anos de 2008 e 2009, seguindo em franca expansão nos anos subsequentes. Como o GPON foi projetado para coexistir somente com as próximas gerações de redes PON, a coexistência com redes B-PON não poderá ser efetivada devido ao uso dos mesmos comprimentos de onda para transmissão e recepção, os quais operam na janela de 1490nm para o tráfego em downstream e 1310nm para o tráfego em upstream respectivamente.

A evolução do uso de redes PON avançou na década seguinte, com o lançamento da série de recomendações G.987 em 2010, conhecida como XG-PON (10-Gigabit-capable passive optical networks), onde o X representa o 10 em numeral romano. No passado era referenciado como XG-PON1, mas o termo foi descontinuado, sendo substituído por NG-PON1. Esse padrão possui taxas assimétricas de transmissão e recepção, sendo 9953 Mb/s para o tráfego de downstream e 2488 Mb/s para o tráfego de upstream, operando em uma faixa distinta de comprimento de onda do GPON, sendo utilizados os comprimentos de 1575nm~1580nm para downstream e de 1260nm~1280nm para upstream. Assim como foi definido para o GPON, a distância máxima de fibra suportada pelo NG-PON1 é de 60km, entretanto, a distância diferencial máxima definida no seu escopo agora é de 40Km, algo que, para o GPON, também foi definido, porém, anos depois do seu lançamento, através da recomendação G.984.7. A razão de divisão suportada pelo XG-PON é de 1:256, ou seja, possui capacidade para até 256 ONTs por porta PON.  

Em 2013 foi lançada a série de recomendações ITU-T G.989, conhecida como NG-PON2 (40-Gigabit-capable Passive Optical Networks) trazendo as características para o desenvolvimento da geração 2 da tecnologia PON, baseada na multiplexação pela divisão do tempo e do comprimento de onda - TWDM (Time and Wavelength Division Multiplexing), e em um sistema opcional de conexão ponto a ponto WDM - PtP WDM (Point-to-point Wavelength Division Multiplexing). O TWDM é uma solução PON que usa uma arquitetura de canais com múltiplos comprimentos de onda, no qual cada comprimento de onda é compartilhado entre várias ONTs. O PtP WDM é uma solução PON que fornece um comprimento de onda por ONT, tanto para downstream como para upstream, que pode sobrepor aos do TWDM, e possui capacidade de transmissão de dados bidirecional entre a OLT e a ONT. O NG-PON2 possui capacidade agregada nominal de 40 Gbit/s para downstream, e 10 Gbit/s para upstream. Os comprimentos de onda foram baseados em um plano de comprimentos de onda para o TWDM e para o PtP WDM, de modo a possibilitar a coexistência com padrões anteriores em uma eventual migração. Para o TWDM, foi reservada a faixa de 1596nm~1603nm nas transmissões em downstream, e um conjunto de opções para as faixas de upstream, sendo divididas em banda larga (Wideband), de 1524nm~1544nm, banda reduzida (Reduced band), de 1528nm~1540nm, e banda estreita (Narrow band), de 1532nm~1540nm. Para o PtP WDM foram definidas as faixas de 1524nm~1625nm, conhecidas como espectro expandido (Expanded spectrum). Esse espectro poderá ser utilizado desde que não interfira com o TWDM ou com sistemas legados, respeitando os requisitos de isolamento. Outra faixa poderá ser utilizada quando o PtP WDM for usado em conjunto com o TWDM, que é conhecida como espectro compartilhado (Shared spectrum), e usa comprimentos de onda de 1603nm~1625nm. A distância máxima de fibra e a distância máxima diferencial de fibra suportadas são as mesmas definidas para o NG-PON1, porém, a razão de divisão mínima deverá ser de 1:256. 

Em 2016 foi lançada a recomendação ITU-T G.9807.1, definindo o XGS-PON (10-Gigabit-capable Symmetric Passive Optical Network), uma tecnologia que utiliza taxas simétricas, com velocidades de 9953 Mb/s tanto para downstream como para upstream, podendo utilizar os mesmos comprimentos de onda de um sistema XG-PON existente, ou utilizar os comprimentos de onda do GPON, suportando assim, tanto a migração e coexistência com essas tecnologias, como com o NG-PON2. Um destaque sobre as características do XGS-PON, foi a reutilização máxima de recomendações ITU-T PON anteriores, ou seja, esse padrão possui as especificações físicas de transmissão (PMD) derivadas do XG-PON, e lógicas, baseadas na camada TC do NG-PON2 e do XG-PON. Uma curiosidade, é que todas as taxas de transmissão das tecnologias PON são baseadas nas taxas do padrão do SDH.

Um ponto muito importante na evolução das tecnologias PON, principalmente devido ao seu amadurecimento, robustez, e características de operação, foi o interesse especial dado a elas, para aplicações em planta interna. O conceito de redes POL, nome dado à implementação da tecnologia PON em redes locais, emergiu na América do Norte por volta de 2010. Em 2012 foi criada a APOLAN (Association of Passive Optical LAN), organização que reúne fabricantes, distribuidores, integradores e empresas de consultoria, e tem como foco, a educação do mercado e o estímulo à adoção da tecnologia óptica passiva em redes locais. Em 2014 foi publicada a 13ª edição do manual TDMM pela BICSI, o qual trouxe recomendações para o uso de redes PON dentro de edifícios, onde são aplicadas as normas e conceitos de cabeamento estruturado. Até aquele momento, essa tendência estava a ser discutida pelos diversos comitês de entidades normativas, vindo a ser oficialmente reconhecido na quarta revisão da norma genérica de cabeamento estruturado ANSI/TIA-568.0-D, e na quarta revisão da norma de cabeamento estruturado para edifícios comerciais ANSI/TIA-568.1-D, ambas lançadas em 2015. Nessa revisão, destacaram-se: a harmonização com as normas internacionais de cabeamento estruturado, ISO 11801, e o reconhecimento das tecnologias PON no anexo C da norma ANSI/TIA-568.0-D, contendo as distâncias máximas suportadas e as atenuações mínima e máxima de um canal de fibra óptica monomodo usado para aplicações PON, além do destaque a demais características relacionadas ao cabeamento óptico centralizado usado por essas aplicações. No momento em que este artigo foi escrito, as normas ANSI/TIA em vigor estão na quinta revisão (revisão E) e o manual TDMM está na 14ª edição. 

As normas de cabeamento foram concebidas para uma implementação física da rede em topologia do tipo estrela com hierarquia, por conta da sua aceitação, flexibilidade e fácil administração. Com o uso da tecnologia PON em redes locais, a sua topologia original em árvore é perfeitamente adaptável à topologia proposta por essas normas, que é alcançada através da utilização de diversos componentes do cabeamento estruturado, o que garante a compatibilidade com implementações atuais e expansões futuras, fazendo das redes PON uma tecnologia disruptiva para uso nesse tipo ambiente. Dentre as principais vantagens de uso da tecnologia PON em redes locais, podemos destacar a redução no custo de equipamentos e, no custo da energia elétrica utilizada por eles e pelos sistemas de refrigeração, redução de espaço ocupado pelo cabeamento e pelos equipamentos, redução no consumo total de plástico, redução no tempo total de instalação e implantação da tecnologia, e a promoção de uma infraestrutura à prova de futuro. 

O termo à prova de futuro é utilizado por caracterizar, essencialmente, a infraestrutura óptica utilizada no cabeamento estruturado, que deverá ser certificada, e poderá ter uma garantia de 25 anos fornecida pelo fabricante. Assim, caso haja um interesse, por parte do cliente da rede, em realizar uma atualização tecnológica, por exemplo, na substituição de GPON por XGS-PON, basta substituir apenas os equipamentos ativos da rede (OLT e ONTs), sem se preocupar em tocar na infraestrutura óptica instalada.

Com isso, além de ser uma solução sustentável, as POLs contribuem com a redução no custo total de implantação (CAPEX), e, principalmente, uma redução significativa no custo de operação (OPEX), o que impacta positivamente o custo total de propriedade (TCO – Total Cost of Ownership) ao longo do ciclo de vida da rede.
Nas redes LAN, ou mesmo em redes de campus (CAN – Campus Area Network), as distâncias são menores se comparadas com as da última milha, atendidas por operadoras ou provedores de Internet, e com isso, acabam por não ser um motivo de preocupação no desenho do projeto da POL. Por outro lado, para agregar valor à eficiência que a tecnologia PON proporciona, e atender a complexidade dos diversos serviços em uma LAN/CAN, os equipamentos escolhidos devem estar adequados para oferecer uma maior capacidade em termos de gerência de memória, processamento e encaminhamento de quadros. Somado a isso, devem ser transparentes para as aplicações atuais e futuras, e fornecerem características que podem ser adaptadas de acordo com a complexidade do projeto, seja em termos de redundância (de portas PON, de portas Ethernet de uplink, de energia), segurança, gerenciamento centralizado, ou de sinergia e adaptabilidade com a arquitetura da rede existente, por exemplo, da conexão entre a OLT e o Core poder ser estabelecida por meio de roteamento IPv4 ou IPv6. 

Apesar de todas as vantagens proporcionadas por uma POL, ainda existem algumas preocupações em relação a operação dessa rede se comparada a uma rede tradicional em termos de infraestrutura, compatibilidade e desempenho.
Na infraestrutura, como o desempenho do cabeamento pode ser garantido? A garantia de uma infraestrutura adequada se dá através do uso materiais de qualidade e com procedência, e de mão de obra qualificada. Quando todos os componentes da infraestrutura óptica de cabeamento estruturado são do mesmo fabricante, e instalados por uma empresa Integradora credenciada a esse fabricante, além da implantação seguir um controle de qualidade de alto nível, baseado em normas e certificada, o fabricante poderá fornecer um certificado de garantia de 25 anos. E como ficaria a compatibilidade de serviços, normalmente baseados em Ethernet, em uma POL? Nesse contexto, as tecnologias PON são implementadas somente na rede de acesso, entre a OLT e as ONTs. A conexão da OLT à rede de serviços, conhecida como SNI (Service Network Interface), e de dispositivos às interfaces da ONT, conhecidas como UNI (User Network Interface) essencialmente é realizada através de Ethernet. Assim, os diversos dispositivos, como computadores, telefones, impressoras, câmeras, controle de acesso, entre outros, podem ser conectados e operados normalmente na POL, da mesma maneira que são utilizados em uma rede tradicional baseada em Ethernet. A rede de acesso (PON) opera de forma transparente na comunicação entre esses dispositivos, atuando no transporte do protocolo Ethernet entre ONTs e OLT. Esse transporte ocorre por meio do encapsulamento dos quadros Ethernet em quadros GEM (G-PON Encapsulation Method) ou XGEM (XG(S)-PON Encapsulation Method) que são visíveis somente entre a OLT e as ONTs.

E como ficaria o desempenho e velocidades de transmissão? Em uma rede tradicional, os dispositivos são individualmente conectados, através do cabeamento estruturado, a switches localizados nas salas técnicas de cada pavimento em um edifício comercial, por exemplo. Dada às características de uso de rede por esses dispositivos, na maior parte do tempo a banda disponível fica ociosa, pois o tráfego não é determinístico, variando de acordo com o tempo e perfil de aplicação utilizada pelo usuário. Ou seja, o consumo de banda pode ser caracterizado por picos de utilização que ocorrem em momentos aleatórios, e não de forma constante.  É justamente para atender a essa ociosidade da rede que as tecnologias PON vêm sendo utilizadas de forma crescente e se expandindo cada vez mais nos diferentes mercados onde são implementadas. Essa inteligência está baseada em uma característica intrínseca de QoS (Quality of Service) utilizada pela OLT para o gerenciamento do tráfego em uma rede PON. A OLT usa o DBA (Dynamic Bandwidth Assignment), com o qual ela atribui largura de banda em tempo real, entre as várias ONTs conectadas em uma mesma porta PON, de acordo com a carga oferecida por cada classe de tráfego em cada uma dessas ONTs. O tráfego de upstream de cada ONT é transmitido na forma de rajadas, em espaços de tempo (TDMA) pré-determinados, os quais devem ser autorizados pela OLT. Essa autorização é orquestrada pela OLT através de mapas de banda (BWmap – Bandwidth Map), que são enviados às ONTs por broadcast e usados para controlar o tempo e o tamanho total das suas rajadas.  O tempo e o endereçamento do mapa de banda determinam qual ONT transmite uma rajada, quando ela é transmitida e por quanto tempo será a sua duração. Assim, a banda disponível é gerida de forma eficiente e inteligente pela OLT, mantendo o desempenho esperado para uma rede gigabit ou 10 Gigabit. Além dessas características, outro ponto que deve ser observado, é a quantidade de ONTs conectadas em uma mesma porta PON. Para cada caso, o perfil de tráfego dos usuários e das aplicações deverá ser estudado, de forma a buscar o equilíbrio entre o custo de implantação e problemas futuros de gargalo que podem afetar o desempenho da rede por equívoco cometido na fase de projeto. Nesse sentido, o que se deve observar, é a razão de divisão (splitter) que determina fisicamente a quantidade máxima de ONTs por porta. Em linhas gerais, uma razão de divisão 1:32 ou 2:32 (quando há redundância de portas PON) poderá ser usada para uma aplicação GPON no contexto de cabeamento estruturado óptico passivo em edifícios comerciais. Para aplicações críticas e que demandem um consumo excessivo de banda por um período prolongado, uma razão de divisão menor deverá ser adotada, entretanto, é sempre recomendado fazer uma prova de conceito (PoC – Proof of Concept). Outro ponto é estar atento às atenuações mínimas determinadas pelas normas para cada tecnologia PON, pois caso a razão de divisão for muito baixa, poderá implicar no uso de atenuadores nas portas PON da OLT. 

Devido aos benefícios proporcionados pelas tecnologias PON e pela padronização efetivada por normas e estandares, pode-se perceber o seu potencial para o futuro, justamente por conta da sua aderência de mercado e expansão que vêm ocorrendo ao longo dos últimos anos. Conhecer a evolução histórica de uma tecnologia é importante para compreender como ocorreram as implementações, melhorias e atualizações nas características que a definem. No caso específico das tecnologias PON baseadas nas recomendações do ITU-T, saber que a sua consolidação se deu, principalmente, pelo fato de haver tido a reutilização de padrões bem estabelecidos, somados à evolução das suas características e vantagens mais marcantes que os destacam em eficiência e desempenho, é ter a segurança de uma implementação respaldada em qualidade e resiliência. Quando aplicadas à infraestrutura de cabeamento estruturado em redes locais, as tecnologias PON contribuem para conexões de alto desempenho e uma infraestrutura sustentável. Vida longa às tecnologias PON e às redes POL.