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Evolução dos Sistemas WDM

WDM 1a geração

Os WDM de primeira geração surgiram no intuito de dobrar a capacidade da fibra ótica, colocando dois comprimentos de onda na mesma fibra. A princípio, utilizou-se a 2a janela nos sistemas que já operavam na 1a janela. Posteriormente, com o desenvolvimento de lasers operando na 3a janela, surgiram também sistemas operando simultaneamente na 2a e 3a janela.

Desse modo, possibilitou-se a transmissão de dois canais unidirecionais na mesma fibra. Onde havia um par de fibras para comunicação bidirecional, pôde-se colocar 2 canais bidirecionais. No início a multiplexação era feita com simples acopladores 2x1 de fibra fundida ou lentes GRIN. Com o advento dos MUX/DEMUX no mesmo dispositivo, pôde-se converter fibras antes usadas para comunicação unidirecionais para bidirecionais.

Estes eram os sistemas usados nas chamadas Redes Ópticas Passivas (Passive Optical Networks - PONs).

CWDM e DWDM - histórico

No início dos anos 80 já estavam sendo comercializados sistemas de 4 canais separados por 25nm na 1a janela, mas eram, por falta de padrões, chamados simplesmente de sistemas WDM.

No começo dos anos 90 surgiu uma nova geração algumas vezes chamada de WDM banda estreita (narrowband WDM) com até 8 canais espaçados de 400GHz (3.2nm), somente usando a 3a janela (ou banda C). Em meados dos anos 90 surgiu a denominação DWDM (Dense WDM), que utilizava espaçamento entre canais de 100 ou 200GHz. e conseqüentemente maior número de canais, de 16 a 40, ainda na mesma banda. Essa tecnologia foi preferida para aplicações de longa distância (long haul), já que oferecia alta capacidade na banda C, que tem a menor atenuação, e também pela disponibilidade dos então novos EFDAs operando nessa banda.

Com o DWDM, nasceu o termo CWDM (Course WDM) para diferenciar o DWDM dos sistemas de 4-8 canais (1a e/ou 2a janela) e também dos WDM de primeira geração, pois ainda havia muita confusão no uso dos termos. O termo Course WDM tem o sentido próximo a WDM "excursionável", visto que este tolera desvios de freqüência maiores no laser, ou seja, há uma "excursão" em freqüência permitida.

Ainda em meados de 90, continuava sendo usado o CWDM na janela de 850nm, porém os então novos diodos laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emiting Laser) vieram a baratear ainda mais o custo dessa tecnologia. O CWDM estava então sendo cogitado pelo grupo de estudos sobre alta velocidade do IEEE 802.3 para as redes Ethernet de 10 Gigabit, usando 4 canais de 2.5Gbps na 1a ou 2a janela, prolongando o uso das fibras multímodo já instaladas em prédios e campus universitários. Esse mesmo grupo chamou a tecnologia de 4 canais na 2a janela de WWDM (Wide WDM), para diferenciar do CWDM na 1a janela. Veja na figura o resumo dos padrões existentes antes de 2000. Há uma certa confusão de termos na medida em que soluções proprietárias também chamaram de WWDM implementações de 4 canais separados de aproximadamente 8nm na banda C.

No final dos anos 90, com o aumento do tráfego de dados, as redes metropolitanas precisavam também expandir sua capacidade usando C/D/WDM. No entanto essas redes possuíam diferentes características; havia mais fibra disponível e menos disposição para pagar caro pela banda passante, além de as distâncias serem menores. Surge então o conceito de "Metro DWDM".

Os equipamentos Metro DWDM eram simplesmente versões mais "relaxadas". Com espaçamentos de 200 ou 400GHz (1.6 e 3.2nm, respectivamente). Os compensadores de dispersão foram eliminados, por serem desnecessários a distâncias menores, baixando o custo. Os EFDAs eram opcionais, no caso de redes completamente em domínio óptico (All Optical Networks - AONs), para compensar as perdas nos nós da rede.

Primeiras gera~ções de sistemas WDM

Fonte:[4]

No entanto, esses equipamentos ainda eram caros, de fabricação complexa, e exigiam controle de corrente e temperatura precisos, embora menos exigentes que os DWDM de espaçamento de 100 ou 50GHz. A tecnologia WWDM e CDWM usada em redes locais (LANs) era muito mais barata, mas precisava ser re-projetada para as aplicações metropolitanas, o que culminou em maio/junho de 2002 no padrão ITU G.694. O G694.2 especifica a tecnologia "Metro CDWM", ou seja, CWDM para aplicações em redes metropolitanas, enquanto o G694.1 especifica o DWDM.

CWDM e DWDM hoje

O padrão ITU G.694.2 especifica 18 comprimentos de onda espaçados de 20nm entre 1270nm e 1610nm, inclusive, como mostra a figura.

Grade de comprimentos de onda ITU G694.2 para "Metro CWDM"

Fonte:[4]

Como vemos, cinco canais caem na Banda E e comumente são descartados. Embora a atenuação seja de 0.5dB/km, que não é tão alta, pode chegar a 2dB/km dependendo de fatores ambientais e outros, como a idade da fibra, por exemplo. Os primeiros produtos a implementar o padrão concentraram-se nas bandas O, S, C e L; e alguns somente implementavam oito canais nas bandas S, C e L, deixando a Banda O intocada para as fibras que já tinham implementado serviços de transporte nessa banda, tipicamente SONET/SDH ou até os novos IEEE 802.3ae 10 Gigabit Ethernet. No entanto, para os novos sistemas implementados, pode-se adotar a fibra do tipo LWP (ITU G.652.C) e utilizar o CWDM em todo o espectro (Full Spectrum CWDM).

Ambos (CWDM e DWDM) usam, mais comumente, os lasers do tipo DFB (Distributed Feedback), que têm a vantagem de ter uma banda estreita com modos laterais suprimidos, o que minimiza o efeito da dispersão, embora esta não seja o problema nos sistemas CWDM, devido a menores taxas e menores distâncias. Ambos (CWDM e DWDM) usam também como receptores diodos PIN ou APD, que têm com banda larga, cobrindo todo o espectro óptico especificado (bandas O, E, S, C e L), sendo que a seletividade de comprimentos de onda é implementada nos filtros DEMUX C/D/WDM.

Nos equipamentos CWDM, os lasers são modulados diretamente, o que limita a taxa em pouco mais de 2,5Gbps . Sua potência de saída óptica típica é de 1mW (0dBm). As redes CWDM utilizam regeneradores a cada intervalo de 60-80km, em fibras SM comum (ITU G.652). Amplificadores ópticos não costumam ser usados pois não são baratos e seu custo não compensa, sendo muitas vezes também desnecessários, devido às pequenas distâncias envolvidas.

Os lasers CWDM não possuem resfriamento, e, logo, sofrem desvio de sua freqüência com a temperatura, o que não é problema devido ao espaçamento entre os canais. Os filtros CWDM tem uma banda de guarda de 1/3 do espaçamento de canal, de forma que a tolerância na acurácia do comprimento de onda na fabricação do laser e o seu desvio com a temperatura seja menor do que a banda do filtro. Ou seja, de 20nm de espaçamento, o lambda não pode variar mais do que ±6,5nm de seu valor nominal. Como os lasers variam com a temperatura a uma taxa de 0.08nm/oC a 0.12nm/oC, dependendo do lote, em uma faixa de operação de 0 a 70oC, que é a faixa de temperatura geralmente especificada para equipamentos de telecomunicações, o laser varia ± 4.2nm, o que nos deixa margem para uma tolerância de ± 2,3nm na acurácia de fabricação, que não é tão pequena quanto a exigida nos lasers DWDM.

Por conta disso, colocando todos os custos no papel, o CWDM pode sair pela metade do preço, porém não menos confiável e nem de menor qualidade, do que o DWDM, atendendo a redes metropolitanas com distâncias menores do que 80km e taxas de até 2,5Gbps por lambda, onde a economia é mais importante do que a capacidade.

Diferenças de espaço e potência de equipamentos CWDM e DWDM

Fonte:[4]

Já nos equipamentos DWDM são usados moduladores externos, de forma a evitar o transiente do laser, para atingir altas taxas (10Gbps ou 40Gbps). Os lasers DWDM tem grandes dissipadores de calor, circuitos TEC (Thermo-Eletric Coolers) acoplados e também circuitos de controle preciso de corrente, que não são necessários no CWDM. Como o DWDM visa atingir altas taxas e grandes distâncias, outros recursos adicionais tem de ser utilizados, como os compensadores de dispersão, amplificadores ópticos como EFDAs, Raman, etc.

Redes otimizadas para DWDM utilizam as fibras de dispersão deslocada não-nula, NZ DSF (non-zero dispersion shifted fiber), padrão ITU G.655. Essas fibras têm o propósito de conter baixa dispersão na banda C.

Atualmente temos o padrão ITU G.694.1 (também existe o G.692) que define os comprimentos de onda DWDM, espaçados de 100GHz ou até 50GHz. Este padrão define 50 lambdas (freqüências) na banda C espaçados de 0.8nm (100GHz), embora comumente os equipamentos comerciais usem somente 40 para minimizar a interferência entre canais (crosstalk). Como a banda C tem a menor atenuação, é preferida para longas distâncias, onde o DWDM é usado, porém, o padrão ITU G.694.1 define ainda mais 100 canais, espaçados de 100GHz, 50 na banda L e 50 na banda S. Muitos equipamentos comerciais já implantam 80 canais usando as bandas C+L, porém o potencial da banda S ainda não foi explorado pelo DWDM, primariamente porque os EFDAs só estão disponíveis nas bandas C e L. No caso de canais espaçados em 50GHz ou menores, temos um aumento significativo na intermodulação, e conseqüentemente uma piora na relação sinal-ruído, o que não impediu sistemas totalizando 1,6Tbps (160 canais a 10Gbps) se tornarem realidade.

No entanto, apesar até da dificuldade no problema da estabilidade dos lasers, parece não haver limites no que um projeto otimizado (fibras, compensadores de dispersão, Amplificadores ópticos, etc) para tráfego DWDM é capaz. Na última ECOC (European Community Optical Communications Conference), realizada em Munique, Alemanha, a NEC do Japão, anunciou um recorde, para equipamentos comerciais DWDM (e parece que já está surgindo a denominação de U(Ultra)DWDM), de 6,4 Tbps (Terabits por segundo), transmitido 160 Canais, com Taxas de 40 Gbps, com espaçamento de 50 GHz á uma distância de 186 km. Fabricantes estão desenvolvendo filtros com espaçamentos menores, como 25 ou 12.5GHz, porém ainda não está claro se ou quando esta tecnologia vai se tornar comercial. Em Maio de 2.002, uma empresa norte-americana, anunciou um equipamento com 640 canais espaçados de apenas 6,25 GHz, o qual chamou de WDM Hiperfino, transmitindo em taxas de 2,5Gbps, para reaproveitar fibras antigas instaladas que por ter alta dispersão não chegariam a taxas de 10Gbps.

Tanto a tecnologia CWDM quanto a DWDM têm incorporado bem a necessidade crescente de funções de Add/Drop ópticas (OADMs), cross connects, e em alguns casos, quando necessário, também algum tipo de gerenciamento de rede e/ou códigos corretores de erro (FECs) embutidos na camada WDM, ou ainda chaves completamente ópticas (all-optical switch). Há um dedo de um possível futuro apontando para redes DWDM completamente em domínio óptico (AONs - All-Optical Networks), na medida em que os Amplificadores óprticos reduziram a necessidade de regeneradores; embora não haja discussão se switches O-E-O (convertem para elétrico depois novamente para óptico) devam ceder seu lugar as O-O-O (all-optical switches), e sim como otimizar as redes usando os dois tipos de tecnologia.

Atualmente já existem equipamentos e operadoras de telecomunicações adotando soluções híbridas CWDM e DWDM. Isto porque há espaço para as duas tecnologias. Na parte mais próxima a rede de acesso usa-se o CWDM enquanto no "núcleo" da rede metro usa-se DWDM. Equipamentos híbridos economizariam espaço ao re-alocar de um para outro o tráfego, ou ainda, onde os limites entre o acesso e o "núcleo" da rede não são tão claros, podemos ter os dois trafegando na mesma fibra, sendo o CWDM usado nas bandas O, E e S e o DWDM na banda C e L, por exemplo.

	CWDM	DWDM
Canais	Comumente 4 ou 8, 12 também disponível, chegando a 18 com fibra LWP	16-32 (metro), 40-160*
Bandas	O+E+S+C+L	C+L (potencial na S)
Espaçamento	20nm	0,8 ou 1.6nm (100 e 200GHz)
Laser	DFB s/ resfriamento, Modulado diretamente	DFB c/ resfriamento (TECs), Moduladores externos, Controle de corrente preciso
Técnicas de DEMUX	Filtro Dielétrico, Redes de Bragg	Filtro Dielétrico, redes de Bragg, AWGs
Capacidade do canal	<2.5Gbps	10Gbps ou mais
Capacidade da Fibra	Comumente 20Gbps, chegando a 45Gbps	400 Gbps - 1.6 Tbps ou mais
Amplificação	Não compensa a relação custo-benefício.	EFDAs, Raman
Distância entre repetidores	< 80km	600 - 1500km (ou mais)
Custo	Baixo	Alto*
*custo-benefício compensa somente a grandes distâncias com alta capacidade