Multiplexação DWDM em fibras ópticas

dwdm

Introdução

A fibra óptica começou como uma tecnologia misteriosa, que era utilizada principalmente na construção de redes de comunicação metropolitanas, nacionais e internacionais, ou seja, distante do usuário comum. Hoje, a rede de fibra óptica chega até as nossas residências, oferecendo canais de televisão por assinatura em alta definição e conexões de banda larga à internet com altas velocidades. Vale a pena conhecer um pouco mais a tecnologia que há por trás desses serviços.

Neste artigo será abordado um resumo sobre os tipos mais comuns de multiplexação de canais de comunicação em fibra óptica e detalhada um pouco mais a multiplexação do tipo DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Se você ainda não possui um conhecimento básico sobre fibras ópticas ou sobre a comunicação através das fibras, você pode pesquisar na internet e encontrará farto material sobre esse extenso assunto. Algumas referências bastante interessantes para ajudar na sua pesquisa:

A seguir será apresentado um resumo sobre os principais tipos de multiplexação. Esse texto é baseado no curso DWDM Primer, de 21 de maio de 2004, oferecido gratuitamente pela Fujitsu. A Fujitsu também oferece outros cursos gratuitos sobre assuntos relacionados com a comunicação de fibra óptica, tais como SONET, Ethernet e TCP/IP. Confira os Prerequisite Self-Study Documents.

Multiplexação de sinais

A multiplexação é a transmissão de vários sinais usando uma única linha de comunicação ou canal. Em sistemas de transmissão por fibra óptica são usados basicamente 3 tipos de sistemas de multiplexação: 

  • FDM - Frequency Division Multiplexing - Multiplexação por Divisão de Frequências;
  • TDM - Time Division Multiplexing - Multiplexação por Divisão do Tempo;
  • WDM - Wavelength Division Multiplexing - Multiplexação por Divisão de comprimento de onda de luz.

As multiplexações TDM e a WDM são as mais utilizadas pelos provedores de serviços em fibra óptica. Além disso, é necessário definirmos os seguintes termos:

  • Transceiver: O termo equivalente em português é transceptor. Um dispositivo que combina em um único dispositivo um transmissor e um receptor. Em sistemas de comunicação com fibra óptica, o dispositivo opera normalmente em canal duplex, com uma fibra dedicada para a transmissão e outra para a recepção. Os transceptores convertem um sinal elétrico de transmissão em sinal de luz para fibra óptica e na recepção recebem um sinal de luz de outro transmissor e o converte para sinal elétrico;
  • Transponder: De acordo com a definição encontrada na ITU-T (Recomendation G.691 Terms and definitions, 3.1.4 - pg. 8), da União Internacional de Telecomunicações, um transponder é um dispositivo que combina um transmissor e um receptor, com ou sem recuperação de pulso e ajuste de temporização, que converte um sinal óptico em outro sinal óptico por uma transformação em sinal elétrico. Numa definição um pouco mais detalhada, um transponder óptico é composto por dois transceptores, um que transmite e recebe os sinais ópticos num comprimento de onda padrão e outro que transmite e recebe os sinais em outro comprimento predeterminado. A conexão entre os transceptores é elétrica.

Multiplexação TDM

Este método permite combinar múltiplos canais independentes de comunicação, combinando-os de acordo com uma sequência bem definida. Cada sequência é remontada do lado do receptor, baseada no conhecimento da sequência e na temporização. (Figura 1)

Figura 1 - Multiplexação do tipo TDM

Multiplexação WDM

Essa forma de multiplexação aumenta a capacidade de transmissão das fibras ópticas, definindo um comprimento de onda e uma determinada banda de tolerância para cada canal de comunicação, onde banda de tolerância refere-se a uma faixa máxima de variação de frequência em torno de uma frequência central. Assim pode-se até combinar canais multiplexados em TDM para canais em WDM aumentando consideravelmente a capacidade de transmissão. (Figura 2)

Figura 2 - Multiplexação WDM

Um sistema tradicional de WDM permite a transmissão simultânea de 2, 4, 8, 12 e 16 canais nas instalações. A transmissão utilizando esse tipo de técnica limita-se a distâncias abaixo de 100 km.

Para prosseguir na definição de WDM e DWDM e descrição de suas partes, vamos ilustrar o que é comprimento de onda. Por definição, comprimento de onda é a distância entre os máximos de uma onda. Portanto, quanto maior a frequência da onda, tanto menor o seu comprimento. (Figura 3)

Figura 3 - Onda senoidal e a relação entre comprimento e frequência

 Sistema DWDM

O DWDM é um sistema de multiplexação por múltiplos comprimentos de ondas, que são transmitidas em uma única fibra óptica. Neste modo de multiplexação cada comprimento de onda é um canal separado permitindo assim multiplicar a capacidade de transmissão da fibra.

O DWDM permite um espaçamento muito próximo de comprimentos de onda, alcançando assim uma capacidade de trafegar até mais de 128 canais a distâncias de alguns milhares de quilômetros, com amplificação apropriada ao longo da rota.

Cabe agora detalhar um pouco mais a arquitetura e as partes de uma rede de comunicação por fibra óptica que utiliza DWDM.

Nas formas tradicionais de comunicação em fibra óptica, os dados são transmitidos por meio de canais discretos, interligando os transmissores e receptores, cada canal com um par de fibras ópticas. Para ilustrar, vamos analisar um sistema hipotético com 9 canais, cada um com taxa de transmissão de 10 Gb/s, utilizando 9 pares discretos de fibras ópticas. No método tradicional SONET (Synchronous Optical Network), são necessários 3 regeneradores para condicionar o sinal em cada um dos canais de comunicação, totalizando 27 (Figura 4).

Figura 4 - Recursos necessários para implementar 9 canais SONET utilizando uma solução tradicional

Se for utilizado o DWDM, a comunicação de vários canais pode ser realizada através de um único par de fibras ópticas. DWDM é acrônimo de Dense Wavelength Division Multiplexing, que significa numa tradução livre “Multiplexação por divisão densa de comprimentos de onda”.

DWDM é uma técnica de transmissão por fibra óptica que utiliza comprimentos distintos de onda da luz para a comunicação de dados. A utilização de DWDM permite uma rápida implantação de redes de comunicação e uma significativa redução de custo na sua implantação. Essa implantação permite a utilização de menos fibra óptica e hardware e permite a utilização de uma largura de banda de transmissão bem maior do que as instalações convencionais de redes com fibras ópticas. Pode-se observar, na Figura 5, as diversas partes que compõem essa rede.

Figura 5 - Recursos necessários para implementar 9 canais SONET utilizando DWDM

No exemplo citado, os 9 canais podem ser transmitidos num único par de fibra óptica numa taxa equivalente a 90 Gb/s. (Figura 5)

Pode-se facilmente perceber que há um ganho e uma redução de custos de instalação e operação. Outra aplicação imediata é a de ampliar a capacidade de redes já instaladas e que operam na forma tradicional.

Conforme pode ser visto na Figura 6, as partes constituintes de um sistema DWDM típicas são:

  • Transmissor:
    • Transforma sinais elétricos em pulsos de luz;
    • Utiliza uma frequência bastante específica;
    • Utiliza um Laser de banda estreita para gerar os pulsos ópticos.
  • Multiplexador / Demultiplexador:
    • Combina / Separa os sinais ópticos;
  • Amplificador Óptico que pode ser:
    • Pré-amplificador – amplifica os sinais ópticos no lado da recepção;
    • Pós-amplificador – amplifica os sinais do lado do transmissor (Pós-amplificador) e do lado do receptor (pré-amplificador);
    • Amplificador em linha (ILA) – é instalado na linha a diversas distâncias dos transmissores com a finalidade de recuperar o formato do sinal, degradado devido a perdas na fibra.
  • Fibra óptica:
    • Mídia de transmissão que transporta os pulsos ópticos;
    • São utilizados diversos tipos de fibra;
    • Frequentemente acomodadas em cabos com 144 a 256 fibras.
  • Receptor:
    • Converte pulsos ópticos para sinais elétricos;
    • Utiliza detectores a laser de banda larga.
Figura 6 - Sistema típico de DWDM representado de forma resumida

Dentre os componentes fundamentais para a implementação da multiplexação DWDM, encontra-se o laser sintonizável.

Um laser sintonizável é composto por múltiplos lasers individuais montados num único substrato de silício. Na Figura 7 pode-se observar 8 no total. Para utilizá-lo, liga-se o laser desejado, ajusta-se a temperatura para a operação até obter-se o comprimento de onda desejado.

Figura 7 - Laser sintonizável

Um guia de ondas alimenta um circuito combinador que soma o comprimento de onda de entrada de 1310 nm com o comprimento de onda desejado e depois conduz esse sinal do laser até o amplificador óptico em silício (SOA) que amplifica o sinal de saída. As configurações são controladas por software.

Dessa forma, um transmissor de fibra óptica pode utilizar um laser sintonizável como fonte de sinal. Para realizar a transferência de dados para a fibra óptica, utiliza-se um modulador, tal como indicado na Figura 8.

Figura 8 - Forma como é utilizado o modulador para transferir informação à fibra óptica 

Um modulador típico modifica o sinal de laser pulsando-o nos estados desligado e ligado, ou por alteração de fase, inserindo assim a informação a ser transmitida. Os sistemas DWDM utilizam tipicamente os moduladores que realizam uma modulação de fase do sinal.

Conclusão

Neste artigo foram apresentadas as vantagens de se utilizar o recurso de multiplexação de canais de comunicação por DWDM e as partes constitutivas de um transponder desse tipo. Esses transponders ópticos foram padronizados quanto às suas dimensões físicas e características elétricas e ópticas, por iniciativa dos diversos fabricantes desse tipo de produto, de forma a permitir a intercambiabilidade dos produtos. Trata-se do padrão conhecido por 300-pin MSA.

Referências

https://memoria.rnp.br/_arquivo/sci/2002/comunicacao_optica.pdf
http://www.dca.ufrn.br/~eyglys/std/aula_trasmissao_otica.pdf
http://www.fujitsu.com/downloads/TEL/fnc/pdfservices/DWDM_Tutorial.pdf
https://partners.fnc.fujitsu.com/training/resources/jsp/content/essf/showPrequisiteTutorials.do
https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-G.691-200603-I!!PDF-E&type=items
http://300pinmsa.org/documents.html
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Adriano Cabral
Adriano Cabral
21/09/2019 05:16

Parabéns Engenheiro Henrique, belo artigo. Estou estudando recentemente redes ópitcas, gostaria de aprender sobre como distribuir as frequências dos canais , respeitando uma certa largura de banda, para que se aproveite a banda e o Multiplexador (DWDM) não desperdice largura da banda. Meu e-mail é [email protected]

Willian Henrique
Willian Henrique
15/04/2015 14:27

Parabéns pelo post muito legal. Fiquei com uma dúvida, quando você fala em modificar a frequência você se refere a frequência da luz transmitida na fibra correto?

Muito bom o post.

Henrique Frank Werner Puhlmann
Reply to  Willian Henrique
16/04/2015 09:49

Caro William,

fico feliz que tenha gostado do artigo. Obrigado. Quanto à sua dúvida, quando me refiro à variação da frequência, me refiro à variação do comprimento de onda (frequência) da luz transmitida.
Abraço,

Frank

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15/04/2015 00:04

[…] artigo técnico Multiplexação DWDM em fibras ópticas [1] foram abordadas algumas técnicas de multiplexação de canais de comunicação por fibra óptica […]

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