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Multiplexador Óptico Deriva/Insere
Reconfigurável (ROADM) para redes WDM
Júlio César R. F. de Oliveira*, Luis Renato Monte, Juliano R. F. de Oliveira, Roberto Arradi,
Giovanni C. dos Santos, Alberto Paradisi
Este artigo apresenta as funcionalidades, o desenvolvimento e as aplicações de um Multiplexador Óptico
Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM). A construção do ROADM tem como base um módulo de
chaveamento e demultiplexação com tecnologia Planar Lightwave Circuit (PLC), que permite a inserção e
retirada de canais ópticos em um sistema WDM. Além da inserção e derivação de canais de forma
transparente, o ROADM oferece mecanismo de proteção rápida, interfaces de gerência (proprietária –
serial e Ethernet – e SNMP), além de empacotamento mecânico compacto. A utilização de ROADMs
eleva substancialmente o nível de reconfigurabilidade das redes ópticas, pois aumenta (otimiza) a
capacidade de transmissão e permite a reconfiguração ou até mesmo a ativação de novos “circuitos
ópticos” por meio de comandos remotos, ocasionando uma redução significativa nos custos de
manutenção e de operação das redes ópticas WDM.
Palavras-chave: ROADM. DWDM. Reconfigurabilidade. Proteção óptica. Redes WDM.
1
Introdução
Redes ópticas com roteamento de comprimento
de onda (canais) proporcionam aos sistemas de
comunicações um grande aumento em sua
capacidade de transmissão por meio da
otimização da utilização das fibras ópticas
disponíveis nos backbones. Nesse tipo de rede, o
provisionamento, a proteção e a restauração de
caminhos ópticos são processos dinâmicos e
automáticos. Essas funções são realizadas por
meio de elementos capazes de promover a
inserção e a remoção de sinais em determinados
pontos da rede, proporcionando um elevado grau
de reconfigurabilidade (OLIVEIRA et al., 2005).
Na implementação de uma rede óptica com
multiplexação de comprimentos de onda (redes
WDM), o provisionamento e a reconfiguração
das rotas que a compõem representam uma
necessidade fundamental, principalmente no
caso das redes metropolitanas, cujos serviços de
transporte de alta capacidade voltados para as
grandes áreas de negócios apresentam custos
excessivos que, em sua maior parte, devem-se à
configuração manual da rede. As operadoras da
camada óptica necessitam do provisionamento
de comprimentos de onda
em seus anéis
DWDM metropolitanos a um custo bem menor
que o oferecido pela tecnologia atualmente
disponível.
Com base nessas considerações, algumas
empresas fornecedoras de sistemas WDM
trabalham
no
desenvolvimento
de
Multiplexadores
Ópticos
Deriva/Insere
Reconfiguráveis
(Reconfigurable
Optical
Add/Drop Multiplexer – ROADMs), que
apresentem preços acessíveis e um sistema de
produção atrativo (em escala).
Muitas empresas e especialistas não consideram
alto o valor de mercado de um ROADM quando
considerados os benefícios resultantes de sua
implementação na rede e a possibilidade de
amortização total em alguns meses. O ROADM
permite que os servidores de serviços abram
uma janela em um computador e provisionem
uma conexão fim-a-fim de maneira simples e
remota. Exemplos: uma conexão Gigabit
Ethernet ou qualquer outra aplicação de alta
velocidade de longa distância ou na área
metropolitana. Semelhantemente à Virtual Private
Network (VPN), a conexão é rapidamente
estabelecida quando selecionamos a origem e o
destino, sendo que, no caso do ROADM, a
conexão é feita na camada óptica.
Com a tecnologia DWDM instalada atualmente,
que se baseia em sistemas ponto-a-ponto com
Multiplexadores Ópticos Deriva/Insere Fixos
(OADMs) entre os terminais, o cenário é bem
diferente do descrito. Há a necessidade de
configuração manual para cada serviço de nova
conexão (mesmo inter-office), não só nos
extremos do enlace, como em cada um dos
OADMs.
Para adequar as redes ópticas à dinâmica dos
sistemas metropolitanos (metro ou regional), cujo
tráfego é imprevisível, a reconfigurabilidade é
imprescindível, uma vez que o tráfego previsto
apresenta grande variabilidade em relação ao
que
realmente
é
utilizado.
Essa
reconfigurabilidade será o primeiro grande
impacto (e mais imediato) causado pela
utilização dos ROADMs.
Na Seção 2, um subsistema contendo um
ROADM é apresentado e são discutidas as
diferentes tecnologias de fabricação. Na Seção 3,
são abordadas as novas funcionalidades
*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p. 71-75, jul./dez. 2006
Multiplexador Óptico Deriva/Insere Reconfigurável (ROADM) para redes WDM
apresentadas no cenário das redes ópticas
ágeis. Em seguida, a Seção 4 apresenta o
desenvolvimento da solução ROADM e as
funcionalidades do módulo adquirido, assim
como o plano de comunicação utilizado, a
gerência e o mecanismo de proteção óptica. Por
fim, é apresentada a conclusão.
2
Evolução das redes ópticas
Os ROADMs são considerados um avanço
tecnológico e não uma opção de substituição dos
sistemas
Sonet/SDH. Por meio
dos
multiplexadores, o método de organização do
Sonet/SDH é modificado, ou seja, em apenas um
par de fibra é possível, de forma transparente,
utilizar 32 ou 40 canais entre quaisquer pontos
de acesso do anel, sem a predefinição de canais
ou qualquer reconfiguração manual.
A Figura 1 ilustra o elemento ROADM inserido
em um sistema óptico de nova geração,
composto por Canal de Supervisão (OSC),
Módulo Compensador de Dispersão (DCM),
transponders, ROADM e amplificadores ópticos
na entrada e saída do nó (METCONNEX, 2006).
O ROADM realiza as funções de inserção e
retirada dos canais, assim como o controle de
atenuação por canal (equalização).
based), Integrated Wavelength Selectable Switch
(IWSS), entre outras –
apresentam certa
flexibilidade, tornando possível a utilização dos
ROADMs nas mais diversas configurações de
uma rede óptica. As topologias, como rede em
anel, em barramento ou rede em malha, são
suportadas pelos ROADMs sem a necessidade
de conversão óptica-elétrica-óptica.
A tecnologia necessária para a implementação
de ROADMs baseia-se em componentes
discretos conhecidos como atenuadores ópticos
variáveis,
splitters,
chaves
ópticas,
multiplexadores e demultiplexadores, existentes
no mercado há algum tempo. No entanto, a
dificuldade de integração desses componentes a
um produto compacto e com a possibilidade de
produção em escala eleva substancialmente o
custo dos ROADMs, tornando-os inicialmente
inviáveis para muitas operadoras.
Em poucos anos, a tecnologia de fabricação
evoluirá significativamente, e o problema de
compactação e produção em escala terá
melhorado substancialmente em razão de
tecnologias como a PLC (ELADA et al, 2006).
Por meio dessa tecnologia, todos os
componentes ópticos necessários de uma placa
(wafer) de silício são integrados e interligados,
possibilitando a manufatura confiável e em
grande escala.
Outras tecnologias, como as que se baseiam em
MEMs (Micro-Electro-Mechanical Systems) e
bloqueadores de comprimento de onda,
encontram sérias barreiras relacionadas à
confiabilidade e ao processo de manufatura.
3
Fonte: Metconnex 2006.
Figura 1 ROADM em um nó de uma rede óptica
Os benefícios resultantes da utilização dos
ROADMs serão apresentados em etapas. A
contribuição mais imediata está relacionada à
equalização das perdas entre os comprimentos
de onda do anel, reduzindo assim a necessidade
de equipamentos capazes de elevar a potência
de saída (amplificadores ou transponders) dos
canais do sistema. Em um segundo momento,
com o aumento da demanda por serviços para
suporte de redes de armazenamento (Storage
Area Networks – SANs) e outras aplicações
(office-to-office), a reconfigurabilidade torna-se
imprescindível.
As diferentes tecnologias utilizadas na fabricação
dos ROADMs – Planar Lightwave Circuit (PLC-
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Redes ópticas ágeis (AONs)
O cenário atual no mundo das comunicações
ópticas apresenta cada vez mais a tendência de
reconfigurabilidade das redes. O conceito de
reconfigurabilidade não se refere somente a
ROADMs, mas abrange a idéia de uma rede
inteiramente reconfigurável, composta por
transponders sintonizáveis, amplificadores com
controle de ganho e supressão de transientes,
entre outros.
Esse tipo de rede permite reduzir custos por
meio da otimização do desempenho das redes e
da utilização da infra-estrutura de fibras ópticas
existente.
Nesse contexto, o termo “redes ópticas ágeis”
(Agile Optical Networks – AONs) compreende
uma
rede
(D)WDM
reconfigurável
dinamicamente, projetada para acelerar os
serviços triple play e habilitar aplicações
avançadas na camada óptica (comprimento de
onda) com significativa redução de custos.
De acordo com relatórios de mercado (OVUM,
2006), o mercado para os ROADMs – principais
elementos das AONs – superará o mercado dos
OADMs ainda neste ano e alcançará um
crescimento de mais de 40% ao ano.
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Rede fixa
AON
Reconfiguração
Reconfiguração
• Ajuste OADM fixo
• Instalação de transponder
• Ajuste ganho do amplificador
• Caracterização do enlace
• Ajustes finais e teste do enlace
“Clique”
Figura 2 Aprovisionamento de um novo comprimento de onda: rede fixa e AON
A natureza da reconfiguração dinâmica das
AONs oferece vantagens de custo e
competitividade únicas, pois possibilita aos
provedores de serviços de comunicações usar de
maneira
mais
eficiente
e
com
maior
escalabilidade a capacidade da rede, por meio de
um mecanismo rápido e fácil de provisionamento
e da possibilidade de modificação da topologia
da rede com o uso de simples comandos no seu
sistema de gerenciamento.
A Figura 2 ilustra uma comparação entre o
provisionamento em uma rede fixa convencional
e em uma AON. Na rede fixa, é necessário
seguir
os
diversos
passos
e realizar
manualmente os procedimentos em diferentes
localidades. Nas redes AONs, baseadas em
transponders sintonizáveis
e ROADMs, a
reconfiguração é realizada remotamente e em
sua totalidade, de modo que todas as etapas
manuais da reconfiguração em rede fixa podem
ser eliminadas. A reconfiguração remota é
realizada por meio do aplicativo de gerência, que
deve ser instalado em um computador conectado
à rede TCP/IP (DCN) da operadora detentora do
sistema óptico utilizado. A reconfiguração em si é
realizada por meio da gerência, que se comunica
com os módulos de inserção e retirada de canais
por meio de um canal de comunicação Ethernet
(até o ROADM) e I2C (internamente ao ROADM).
Na interface disponibilizada com o usuário, a
gerência executa qualquer reconfiguração de
tráfego ou mudança de topologia da rede óptica
em qualquer ROADM conectado.
Grandes empresas têm adequado seu portfólio
de produtos às necessidades das AONs,
permitindo que os serviços em comprimento de
onda se adaptem à demanda de tráfego de
forma remota e eficiente, suportando, a um custo
compatível, o desenvolvimento de novos
serviços.
Neste sentido, o primeiro passo para promover a
migração de redes fixas para
redes
reconfiguráveis é a inserção de ROADMs nas
redes fixas existentes.
Os benefícios de reconfigurabilidade e proteção
proporcionados pelo ROADM continuarão
válidos, mesmo se utilizados na infra-estrutura
das redes fixas tradicionais. Dessa maneira, o
ROADM pode ser utilizado tanto como upgrade
das redes fixas existentes quanto na
implementação das AONs.
4
Solução ROADM em desenvolvimento
Como resposta à demanda crescente por
reconfigurabilidade na camada óptica, alguns
fabricantes de sistemas e componentes
apresentam
soluções
que
viabilizam
a
construção de ROADMs. Essas soluções
encontradas no mercado se baseiam, em sua
maioria, nos módulos capazes de realizar a
inserção e retirada dos canais, com variações
nas
funcionalidades
de
equalização,
possibilidade de proteção e a otimização para
cada tipo de topologia de rede.
Entretanto, as etapas da construção do “produto”
ROADM, como firmware de controle, placa de
circuito impresso com suporte a controle e
equalização, mecanismo de proteção, gerência e
empacotamento mecânico, são realizadas por
quem os adquire. Dessa maneira, a construção
do produto ROADM é de responsabilidade das
áreas de desenvolvimento das operadoras ou
empresas de sistemas.
Para posicionar e atender as operadoras e o
mercado nacional de sistemas WDM, o CPqD
desenvolve uma solução ROADM, que provê,
além da inserção e retirada de canais, um
mecanismo de proteção rápida (< 50 ms),
gerência SNMP, gerência proprietária com
interfaces serial e Ethernet, além de topologia
otimizada para operação em redes do tipo anel
(2-D leste e oeste), que constitui a maior parte da
rede, mas também com suporte para redes em
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barramento (linha reta).
Quanto ao módulo responsável pela inserção e
retirada de canais, optamos pela tecnologia PLC
em virtude da alta densidade de componentes
que
proporcionam
um
compacto
empacotamento, confiabilidade e da manufatura
eficiente que já está provocando uma sensível
queda nos preços dos módulos.
Nas próximas subseções, o módulo escolhido, o
plano de comunicação entre hardware/firmware e
gerência, a própria gerência e o mecanismo de
proteção em desenvolvimento são apresentados.
4.1
Módulo ROADM e suas funcionalidades
74
Figura 3 Diagrama de blocos do ROADM em
desenvolvimento
4.2
Plano de comunicação (hardware/
firmware/gerência)
A definição do plano de comunicação entre o
hardware, o firmware e a gerência é uma fase
fundamental no processo de desenvolvimento do
ROADM. Nessa fase de desenvolvimento, são
definidos os padrões de comunicação entre as
unidades de processamento e os módulos,
levando em consideração a inteligência de rede
desenvolvida para o ROADM.
A Figura 4 apresenta um esquema das
comunicações existentes no ROADM em
desenvolvimento. Os módulos comunicam-se
com as unidades de processamento e as
unidades de processamento comunicam-se entre
si e com a gerência da rede.
No ROADM, são utilizados diversos padrões de
comunicações, como Ethernet, serial, SPI, entre
outros. Entretanto, parâmetros como velocidade,
sincronismo e segurança definem a utilização de
cada um dos padrões de acordo com a função
que a comunicação desempenhará no ROADM.
Ethernet/Serial
UP
UP
Módulo I
Ethernet/Serial
O módulo ROADM é composto por duas
unidades básicas: o Reconfigurable Optical Add
Multiplexer (ROAM) – responsável pela inserção
de até 40 canais e pelo controle da perda por
comprimento de onda (equalização) – e o
Demultiplexer (Demux) – responsável pela
retirada dos canais. Em ambos os módulos, são
realizadas as monitorações de potências, por
canal e total, e o controle por meio da utilização
de atenuadores ópticos variáveis, tanto por canal
como na potência total.
Como comentado anteriormente, os módulos
possuem as funcionalidades básicas para a
construção de um ROADM. No entanto, toda a
“inteligência” necessária (firmware de controle e
operação) e as demais etapas já citadas
necessitam ser desenvolvidas com base nos
módulos.
A Figura 3 ilustra a arquitetura 2-D (leste e oeste)
adequada para redes com topologia em anel ou
em barramento, adotada pelo CPqD para o
desenvolvimento do ROADM.
Há duas funções básicas, uma para cada
sentido, executadas no ROAM. A primeira delas,
em um dos sentidos, é a divisão do sinal (canais
transmitidos) e seu envio ao Demux e a outro
ROAM. No Demux, para retirada dos canais que
têm esse nó como ponto final, e no ROAM, para
passagem dos canais que não possuem esse nó
como destino final. A segunda função do ROAM
é promover a inserção dos canais por meio de
chaves ópticas 2x1 alocadas para cada canal,
possibilitando assim, de acordo com o
posicionamento da chave, a inserção de um novo
canal ou a passagem expressa de um canal.
No Demux, em ambos os sentidos, é realizada a
demultiplexação do sinal, assim como a
monitoração por canal da potência óptica que se
propaga na rede.
Dadas as funcionalidades dos módulos, o
produto necessita, primeiramente, de uma infraestrutura básica capaz de energizar o módulo,
comunicar-se com a gerência da rede, ler e
tomar decisões com base na análise dos alarmes
gerados pelo módulo, para só então poder
inicializar a operação.
Fonte: JDS Uniphase Corporation (Integrated PLC Reconfigurable Optical Add
Module - Product Especification)
Módulo II
Figura 4 Plano de comunicação interno do
ROADM
4.3
Gerência
O princípio que define as AONs é a possibilidade
de reconfiguração remota da rede óptica,
reduzindo
drasticamente
os
custos
de
manutenção da rede e acelerando sua
reconfiguração. Nesse contexto, a gerência da
rede exerce um papel fundamental, uma vez que
é por meio dela que se dará todo o processo de
reconfiguração. Há uma grande necessidade de
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que a gerência “visualize” e atue no ROADM de
forma simples e rápida, sendo capaz de obter o
status dos alarmes e de configurar novas rotas.
Para que tais funcionalidades sejam efetivadas, é
importante que o ROADM possua uma rápida
interface de comunicação com a gerência
(padronizada ou proprietária). No ROADM em
desenvolvimento no CPqD, tanto uma gerência
padronizada como uma proprietária estão sendo
construídas. A gerência padronizada baseia-se
no protocolo Simple Network Management
Protocol (SNMP) e é utilizada tanto para
aquisição ou escrita de qualquer objeto da
Management Information Base (MIB) definida
como para a geração de traps (avisos), que
informam uma máquina predefinida pelo gerente
da rede sobre qualquer anormalidade na
operação. A gerência proprietária é responsável
pela configuração e reconfiguração da rede
(realizada por meio de uma interface gráfica) e
também é capaz de ler e escrever em qualquer
objeto da MIB do ROADM.
4.4
Proteção na camada óptica
Nas redes fixas já instaladas, a proteção na
camada óptica representa um custo muito
significativo, tanto na implantação como na
manutenção da rede. Usualmente, são utilizadas
chaves eletroópticas na recepção de cada canal.
Algumas operadoras constroem um outro
sistema para proteção, idêntico ao que está em
operação. Dessa maneira, a proteção nas redes
fixas atuais é substancialmente elevada,
podendo inclusive aumentar em 100% o custo
com a implantação.
Utilizando ROADMs e conceitos de engenharia
de tráfego e proteção em redes ópticas, é
possível projetar um algoritmo de proteção óptica
rápido e eficiente, baseado apenas nas chaves
ópticas e nos pontos de monitoração de potência
presentes no ROADM. Um algoritmo com essas
características está em desenvolvimento no
CPqD para ser utilizado no ROADM.
5
Conclusão
O cenário atual das comunicações ópticas
revela a necessidade de maior agilidade e
otimização da infra-estrutura, assim como de
uma redução dos custos de manutenção das
redes
ópticas.
Dessa
maneira,
a
reconfigurabilidade das redes surge como uma
das soluções mais promissoras. De transponders
sintonizáveis, passando por amplificadores
inteligentes até ROADMs, a migração das redes
fixas para as reconfiguráveis tornou-se uma
tendência cada vez mais forte, principalmente
após os avanços tecnológicos que possibilitaram
a fabricação em escala de módulos ROADMs a
preços viáveis.
O ROADM em desenvolvimento tem como
finalidade não só a redução dos custos e a
obtenção de um alto grau de reconfigurabilidade
resultante de sua implantação, mas também o
posicionamento das operadoras e do mercado
brasileiro de sistemas WDM em um estado de
vanguarda no que diz respeito a subsistemas
ópticos. As patentes referentes às fases de
desenvolvimento do ROADM e ao subsistema
ROADM de 40 canais baseados em PLC,
descritas neste artigo, estão sendo elaboradas
para prover proteção intelectual aos resultados
obtidos.
Referências
ELADA, L. et. al. 40-channel ultra-low-power
compact PLC-based ROADM subsystem. In:
OFC (OPTICAL FIBER COMMUNICATION
CONFERENCE AND EXPOSITION), Anaheim,
EUA, 2006.
METCONNEX. ROADM Architectures and
Implementations.
Disponível
em:
<http://www.metconnex.com/Productspage/roadm.htm>. Acesso em: 12 set. 2006.
OLIVEIRA, J. C. R. F. et al. EDFA com controle
automático de ganho eletrônico para aplicações
em redes WDM. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE
TELECOMUNICAÇÕES, Campinas, Brasil, 2005.
OVUM. Transition to Agile Optical Networks
drives ROADM and related modules growth.
Disponível em: <www.jdsu.com/aon/insight_agile
_modules_oc_global_2.8.06.pdf>. Acesso em: 12
set. 2006.
Abstract
This paper introduces the detailed analysis of a Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer (ROADM)
functions, development and applications. The ROADM is built on an optical module composed by optical
switches and demultiplexers based on PLC technology (Planar Lightwave Circuit), which provides the
add/drop functions to optical channels of WDM systems. Besides transparent channel add/drop, the
ROADM provides a fast protection mechanism, proprietary (Serial and Ethernet) and SNMP management
interfaces, and a compact package. ROADMs improve substantially the optical network reconfigurability
level, increasing and optimizing the transmission capacity and enabling remote reconfigurations of new
optical circuits, in addition to reducing significantly the installation and operational costs of WDM
networks.
Key words: ROADM. DWDM. Reconfigurability. Optical protection. WDM networks.
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