WDM - Wavelength Division Multiplexing
Redes de Computadores II
Versão Final
Alunos:
Maria Clara Gonçalves Baptista
1.
Introdução
1.1.
O que é WDM?
A otimização do transporte de pacotes em rede é um desafio estudado e aperfeiçoado desde o surgimento da intra/internet. Pensando neste problema, uma das tecnologias emergentes é a WDM - Wave Division Multiplexing.
WDM é uma tecnologia óptica de transporte pensada para aumentar o tamanho de banda, velocidade e eficiência da transmissão, este transporte é feito através de cabos de fibra óptica. O diferencial está em selecionar canais de dados que estão em diferentes frequências (comprimentos de onda), multiplexá-los em um único meio para transmissão e demultiplexá-los na recepção.
Tradicionalmente, o transporte é realizado utilizando-se as chamadas fibras preto e branca, no qual somente 1 comprimento de onda é transmitido por fibra. Entretanto, com os avanços na área, a indústria passou a utilizar também as fibras coloridas, que transmitem mais de 1 comprimento de onda por vez, o que possibilitou a utilização da WDM.
1.2.
Tipos de WDM
1.2.1.
CWDM
A Coarse Wavelength Division Multiplexing permite até 18 canais em uma mesma fibra, geralmente com comprimentos de onda entre 1260nm e 1620nm, com 20nm de diferença entre os canais. Além disso, esta técnica permite uma velocidade de até 16 Gbps por canal.
A CWDM é uma tecnologia de menor custo, entretanto, como amplificadores ópticos não podem ser usados com sinais de grande espaçamento entre canais, sinais na CWDM não podem ser amplificados tornando esta tecnologia conveniente para apenas distâncias de até 70km. Todavia, devido a um fenômeno conhecido como water peak, a transmissão para mais de 40km fica limitada a somente 8 canais, water peak é uma área de grande perda na área de 1300 nm, nesta região, existe uma perda de sinal de 1 dB/km, enquanto na faixa de 1550 nm a perda é de apenas 0,25 dB/km.
Figura 1: Atenuação por comprimento de Onda
https://www.semanticscholar.org/paper/%EC%96%91%EB%B0%A9%ED%96%A5-%EC%A0%84%EC%86%A1%EC%9D%84-%EC%9C%84%ED%95%9C-%EB%8B%A8%EC%9D%BC-CWDM-%EC%B1%84%EB%84%90%EB%82%B4%EC%9D%98-%ED%8C%8C%EC%9E%A5-%ED%95%A0%EB%8B%B9%EB%B2%95-%EC%9D%B4%EC%B0%BD%ED%9D%AC-%EB%AC%B8%EC%A0%95%ED%98%95/5d07e5c63e40fe79381dc13222864c8ffa46a15a
1.2.2.
DWDM
A Dense Wavelength Division Multiplexing é amplamente utilizada no mercado devido a sua capacidade de lidar com protocolos de mais alta velocidade, aguentando até 400 Gbps por canal. Nesta técnica, cada canal tem um comprimento de somente 0.8 nm, muito menor do que no CWDM, além disso, sinais em DWDM podem ser amplificados e portanto percorrer distâncias muito maiores.
Como a região dos 1550 nm é menos suscetível a perdas, a DWDM se aproveita disso para ocupar esta faixa com em média 96 canais por fibra.
1.3.
Conceitos Físicos
1.3.1.
Absorção
Obviamente a transmissão por fibras óptica tem seus problemas, sendo a maioria destes causados por fatores físicos. Existem diversos agentes que influenciam diretamente na atenuação do sinal, o primeiro deles é a absorção.
Quando um feixe de luz atravessa um meio ocorre sempre uma absorção intrínseca parcial, além disso, podem haver variações de densidade, imperfeições na fabricação, impurezas e diversos outros fatores que agravam a absorção.
1.3.2.
Dispersão
Um resultado direto da refração é a dispersão da luz, como cada comprimento de onda tem seu índice de refração, devido à multiplicidade de caminhos possíveis e às imperfeições presentes tanto nas fontes como nos cabos, ocorrem diferentes atrasos de propagação dos modos que transportam o sinal.
Os modos de propagação, são as soluções espaço-temporais das equações de Maxwell, ou seja, as configurações de campos eletromagnéticos que se repetem ao longo do cabo e representam as diferentes possibilidades de propagação da luz na fibra.
Figura 2: Dispersão na Fibra
https://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialfibraplast1/pagina_2.asp
1.3.3.
Curvatura
Outro fator é a presença de curvaturas no trajeto, quando a luz passa por curvas, sejam elas macroscópicas ou microscópicas, alguns raios de luz acabam saindo da fibra por formarem ângulos inferiores ao ângulo crítico necessário para a reflexão total.
Figura 3: Reflexão interna da fibra
https://shopdelta.eu/atenuacao-da-fibra-optica_l7_aid811.html
1.4.
Ordenação de Pacotes
Um dos grandes desafios da fibra óptica é como aumentar a taxa de
transmissão sem precisar aumentar o número de cabos físicos. Para resolver
isso, as técnicas de multiplexação são primordiais e a maneira como os pacotes
são ordenados nelas pode variar e impactar diretamente nesta taxa.
1.4.1.
Space-Division Multiplexing (SDM)
Como diz o próprio nome, nesta técnica cada input de bit é multiplexado em 1 fibra e então diversas fibras são agrupadas em um único cabo para transmissão. Portanto, neste caso os pacotes de diferentes canais estão fisicamente separados. Aqui há uma transmissão menos otimizada em relação ao espaço físico, já que são necessárias diversas fibras.
Figura 4: Esquema SDM
https://www.semanticscholar.org/paper/Spatial-division-multiplexing-for-high-capacity-in-Fiorani-Tornatore/51c0b2242a1ee2bc3ea23a87fe35314d7d79477b
1.4.2.
Time-Division Multiplexing (TDM)
Nesta técnica os inputs de bits são multiplexados em 1 fibra, de forma intercalada, e na recepção os sinais são separados baseados nos intervalos de recepção. Com isso, há uma fusão de sinais em uma única fibra, o que diminui a taxa de transmissão.
Figura 5: Pacotes em TDM
https://www.rp-photonics.com/time_division_multiplexing.html
1.4.3.
Wavelength-Division Multiplexing
(WDM)
Na WDM há uma espécie de junção das duas técnicas anteriores, para cada canal é designada uma frequência de onda e estas são multiplexados em um único sinal, transmitido pela fibra. Desta forma, os pacotes podem ser transmitidos paralelamente com velocidade máxima e otimização de espaço.
Figura 6: Esquema WDM
https://www.cables-solutions.com/wp-content/uploads/2016/12/Wavelength-Division-Multiplexing.png
2.
Transmissão
2.1.
Tipos de Fibra
O cabo de fibra é projetado para não absorver a luz, ele consiste em um núcleo cilíndrico de um material de menor refração, envolto por um de maior refração. Dessa forma, é possível ter total transferência de luz ao longo do cabo. Existem dois tipos de fibra, a monomodo e a multimodo, a principal diferença entre elas é o diâmetro do núcleo.
2.1.1.
Multimodo
A fibra multimodo possui um diâmetro mais largo, especificado entre 50 e 62,5 micrômetros, que é envolto na camada de menor refração mais fina, com diâmetro total de 125 micrometros, como mostrado na Figura 1 (a) e (b). Essa característica faz com que a luz se propague de forma mais dispersa, com mais perdas de luz e consequentemente mais lenta, diminuindo a velocidade da transmissão. Por isso, a fibra multimodo alcança distâncias menores, de no máximo 2km aproximadamente (pode variar de fabricante para fabricante) com velocidade de 100Mbits/s.
A principal vantagem desse tipo de fibra é o baixo custo e a facilidade de operação, instalação e manutenção. Por isso, é mais comum em intra e inter edifícios.
Figura 7: Corte transversal dos cabos de fibra de diferentes tipos.
https://www.blackbox.com.br/pt-br/page/28536/Recursos/Suporte-Tecnico/black-box-explica/Fibre-Optic-Cable/Cabos-de-fibra-optica-multimodo-versus-monomodo
2.1.2.
Monomodo
O diâmetro da fibra monomodo é consideravelmente mais estreito, variando de 8 a 10 micrômetros e a camada de revestimento mais larga com diâmetro total de 125 micrometros, como mostrado na Figura 1(c). Dessa forma, a propagação de luz é mais direta, com menos possibilidade de corromper ou vazar dados, fazendo com que a transmissão seja mais segura. Essas características também permitem que a luz sofra menor dispersão e consequentemente percorra distâncias mais longas sem necessidade amplificação e possibilita a utilização de maior largura de banda.
A velocidade para percorrer centenas de quilômetros é de 40GB/s e para
distâncias ainda maiores a velocidade cai para 10GB/s. Atualmente, em ambientes
experimentais, a velocidade de transmissão já é 5,7 vezes mais rápida que a
maior velocidade obtida até hoje (esse experimento foi realizado pelo Instituto Nacional de Tecnologia
da Informação e Comunicação do Japão (NICT)). Por essas razões, a fibra
monomodo é utilizada em áreas externas, já que permite transmissões mais longas
e com maior banda.
A desvantagem desse
tipo de fibra é a maior dificuldade de alinhamento em emendas e maior custo de
fabricação.
Na figura a seguir a
dispersão da luz nos dois tipos de fibra podem ser observados de forma mais
simplificada.
Figura 8: Trajeto da luz nos cabos de fibra multimodo e monomodo respectivamente.
https://revistasegurancaeletronica.com.br/qual-a-diferenca-entre-fibra-monomodo-e-multimodo/
2.2.
Topologia
A topologia da rede pode ser divida em 3 níveis:
● Acesso - Parte que conecta o usuário final à internet. Possui diversas velocidades, protocolos e métodos (4G, 5G, FTTH)
● Metro - Normalmente é do tamanho da cidade em que a rede opera, este nível faz a interface entre o acesso (redes pequenas) e o backbone (redes de longa distância).
●
Backbone -
Parte de longa distância e alta velocidade da rede.
Figura 9: Exemplo de topologia
Disponível em: <Nokia NFM-T GMPLS L0 service provisioning>
2.3.
Elementos básicos
2.3.1.
Transponder
O transponder envia e recebe sinais ópticos de fibra, o seu papel é converter um sinal óptico em outro sinal óptico, esta transformação é feita de forma elétrica. Por isso, essa conversão é chamada de óptica - elétrica - óptica, o sinal óptico que entra é redimensionado, reformado e retransmitido como outro sinal óptico, o que sai do aparelho. Esse processo é necessário para ligar as fibras preto e brancas com as fibras coloridas e vice-versa, ou seja, o transponder é responsável por fazer a conversão de comprimento de onda, transformando sinais de curto alcance em sinais de longo alcance, antes de entrar no mux ou demux. A Figura 4 ilustra esse processo.
Figura 10: Conversão de comprimento de onda realizada pelo transponder.
Disponível em: <https://www.fiber-optic-tutorial.com/wdm-transponders.html>
2.3.2.
Mux/Demux
Após sair do transponder, os sinais ópticos de vários comprimentos de onda devem ser condensados em um único sinal que vai viajar na fibra, essa é a função do Mux. Do outro lado da fibra é necessário que haja um Demux para separar novamente os comprimentos de onda e o sinal chegar no seu destino. Esse processo pode ser melhor visualizado observando a Figura 5.
Figura 11: Trajeto do sinal óptico passando pelos transponders, mux e demux.
Disponível em: <https://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialdwdm/pagina_3.asp>
2.3.3.
Amplificadores
O papel dos amplificadores é permitir que o sinal óptico viaje distâncias
longas sem a necessidade de regeneradores, ou seja, sem precisar ser convertido
em sinal elétrico e reconvertido em sinal óptico.
3.
Prática
3.1.
Limiar de decisão
Abordando a transmissão óptica de uma perspectiva mais prática, um sistema de comunicação digital precisa ser “traduzido” a partir do meio físico, que é analógico. Para isso, o projeto da fibra precisa admitir um intervalo de valores analógicos para convertê-los, posteriormente, em bits.
Expressando cada bit como uma gaussiana e centralizando elas nos valores definidos pelo projeto, em algum momento as caudas se cruzam e é necessário marcar esse ponto como o Limiar de decisão. Em outras palavras, qualquer valor à esquerda do limiar será admitido como Bit 0 e qualquer valor a direita será admitido como Bit 1.
Figura
12: Esboço de PDFs e limiar de decisão
Desenvolvimento próprio
3.2.
BER
Ao lidar com uma série de Bits, por vezes algum bit chegará no receptor e será “traduzido” erroneamente para o meio digital. A proporção de erro (bits errados/ bits certos) em um canal de transmissão é chamada de BER, ou Bit Error Rate. No exemplo abaixo, a BER é de 0.125, ou 12,5%.
3.3.
Proteção 1+1
A proteção 1+1 é basicamente atribuir, no momento em que a rede está sendo projetada, um caminho completamente independente partindo de um mesmo ponto para o mesmo destino. Em uma eventual falha do segmento de fibra, uma matriz de comutação (elétrica) irá redirecionar todos os pacotes para aquele destino usando a rota de backup pré definida. Esse processo demora menos de 50 ms.
3.4.
Source Based Restoration (SBR)
A restauração SBR calcula, no momento de falha da fibra, nós de backup na rede que estejam com banda disponível, ou seja, procura na rede recursos não utilizados que possam suprir a demanda do canal que falhou. Esse processo permite recuperação contra múltiplas falhas, uma vez que o algoritmo suporta repetidas iterações até encontrar uma rota viável. Essa solução também é conhecida como “Full Rerouting”, definida em grande parte na RFC 6981. O cálculo de uma nova rota, a criação do canal óptico e a restauração efetiva do serviço demora no mínimo 200 ms.
Normalmente as grandes operadoras utilizam uma combinação de técnicas. Tanto a proteção quanto a restauração fazem parte dos projetos.
4.
Bibliografia
https://nextcable.com.br/qual-a-diferenca-entre-a-fibra-monomodo-e-multimodo/
https://www.stoodi.com.br/blog/fisica/fibra-optica-entenda-como-funciona/
https://www.flexmedia.com.br/diferencas-entre-fibra-multimodo-e-monomodo/
https://www.eletronet.com/blog/fibra-optica-alcanca-recorde-de-velocidade-de-transmissao/
A Framework for IP and MPLS Fast Reroute Using Not-Via Addresses RFC 6981
https://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialdwdm/pagina_3.asp
https://www.fiber-optic-tutorial.com/wdm-transponders.html
https://www.rp-photonics.com/space_division_multiplexing.html
https://www.rp-photonics.com/time_division_multiplexing.html
https://www.wwt.com/article/cwdm-or-dwdm-which-should-you-use-and-when
https://shopdelta.eu/atenuacao-da-fibra-optica_l7_aid811.html
https://www.gta.ufrj.br/grad/08_1/wdm1/Fibraspticas-ConceitoseComposio.html