NGN - Guia Rápido
O advento das comunicações de voz e dados de alta velocidade trouxe a necessidade de um meio rápido para o transporte de informações. Os circuitos ou links digitais evoluíram com a necessidade de transmitir voz ou dados em formato digital.
A conversão da forma analógica para a digital segue um processo de quatro estágios ( veja a figura a seguir ) e será detalhada nas seções seguintes.
Amostragem
As frequências de voz assumem a forma de um sinal analógico, ou seja, uma onda senoidal ( consulte a figura a seguir ). Esse sinal deve ser convertido em uma forma binária para ser transportado por um meio digital. O primeiro estágio desta conversão é converter o sinal de áudio em umPulse Amplitude Modulation(PAM)sinal. Este processo é genericamente conhecido comosampling.
O processo de amostragem deve reunir informações suficientes das frequências de voz de entrada para permitir que uma cópia do sinal original seja feita. As frequências de voz estão normalmente na faixa de300Hz to 3400Hz, normalmente conhecido como commercial speech band.
Para obter uma amostra, uma frequência de amostragem é aplicada à frequência da voz original. A frequência de amostragem é determinada peloNyquist Sampling Theorem, o que dita que “the frequency of sampling should be at least twice the highest frequency component.”
Isso garante que uma amostra seja coletada no mínimo uma vez a cada meio ciclo, eliminando assim a possibilidade de amostragem em pontos zero do ciclo, que não teriam amplitude. Isso resulta na frequência de amostragem de no mínimo 6,8 KHz.
O padrão europeu faz a amostragem de um sinal de entrada em 8 KHZ, garantindo que uma amostra seja coletada a cada 125micro secondsou 1/8000 de segundo ( veja a figura a seguir ).
Quantização
A amplitude de cada amostra seria idealmente atribuída a um código binário (1's ou 0's), mas como pode haver um número infinito de amplitudes; portanto, deve haver um número infinito de códigos binários disponíveis. Isso seria impraticável, então outro processo deve ser empregado, que é conhecido comoquantizing.
A quantização compara o sinal PAM com uma escala de quantização, que possui um número finito de níveis discretos. A escala de quantização se divide em 256 níveis de quantização, dos quais 128 são níveis positivos e 128 são níveis negativos.
O estágio de quantização envolve a alocação de um código binário exclusivo de 8 bits apropriado para o intervalo de quantização no qual a amplitude do sinal PAM cai ( veja a figura a seguir ).
Isso compreende 1 bit de polaridade com os 7 bits restantes usados para identificar o nível de quantização ( como mostrado na figura acima ).
O primeiro bit como visto antes é o bit de polaridade, os próximos três bits para o código de segmento, dando oito códigos de segmento, e os quatro bits restantes para o nível de quantização, dando dezesseis níveis de quantização.
Companding
O próprio processo de quantização leva a um fenômeno conhecido como quantization distortion. Isso ocorre quando a amplitude do sinal amostrado cai entre os níveis de quantização. O sinal é sempre arredondado para o nível inteiro mais próximo. Essa diferença entre o nível amostrado e o nível de quantização é a distorção de quantização.
A taxa de variação da amplitude de um sinal varia em diferentes partes do ciclo. Isso acontece mais nas frequências altas, pois a amplitude do sinal muda mais rápido do que nas frequências baixas. Para superar isso, o código do primeiro segmento tem os níveis de quantização próximos. O próximo código de segmento terá o dobro da altura do anterior e assim por diante. Este processo é conhecido comocompanding, pois comprime sinais maiores e expande sinais menores.
Na Europa eles usam o A-law de compressão / expansão, em comparação com a América do Norte e o Japão que usam o μ law.
Como a distorção de quantização é equivalente ao ruído, o companding melhora a relação sinal / ruído em sinais de baixa amplitude e produz uma relação sinal / ruído aceitável em toda a faixa de amplitudes.
Codificação
Para que a informação binária seja transmitida por um caminho digital, a informação deve ser modificada em um código de linha adequado. A técnica de codificação empregada na Europa é conhecida comoHigh Density Bipolar 3 (HDB3).
HDB3 é derivado de um código de linha chamado AMI ou Alternate Mark Inversion. Dentro da codificação AMI, existem 3 valores usados: nenhum sinal para representar um binário 0 e um sinal positivo ou negativo que é usado alternadamente para representar um binário 1.
Um problema associado à codificação AMI ocorre quando uma longa sequência de zeros é transmitida. Isso pode causar problemas de loop de bloqueio de fase no receptor de extremidade distante.
HDB3funciona de maneira semelhante ao AMI, mas incorpora uma etapa de codificação extra que substitui qualquer string de quatro zeros por três zeros seguidos por um 'bit de violação'. Esta violação é da mesma polaridade da transição anterior ( veja a figura a seguir ).
Como pode ser visto no exemplo, 000V substitui a primeira string de quatro zeros. No entanto, o uso desse tipo de codificação pode levar à introdução de um nível DC médio no sinal, pois uma longa sequência de zeros pode estar presente, todos sendo codificados da mesma maneira. Para evitar isso, a codificação de cada quatro zeros sucessivos é alterada para B00V, usando um bit de 'violação bipolar' que alterna em polaridade.
A partir disso, pode-se supor que, com a codificação HDB3, o número máximo de zeros sem uma transição é três. Esta técnica de codificação é frequentemente referida como omodulation format.
Multiplexing
Até agora, temos nos concentrado apenas em um canal de voz. Agora, precisamos combinar vários desses canais em um único caminho de transmissão, um processo conhecido comomultiplexing. A multiplexação é um processo empregado no qual vários canais podem ser combinados para serem transmitidos em um único caminho de transmissão. O processo comumente usado em telefonia é conhecido comoTime Division Multiplexing (TDM).
Como vimos antes, a amostragem de um canal ocorre a cada 125 micro seconds. Isso possibilita amostrar outros canais durante este período. Na Europa, o intervalo de tempo é dividido em32 períodos de tempo, conhecidos como timeslots. Esses 32 intervalos de tempo podem ser agrupados para formar umframe( veja a figura a seguir ).
Conseqüentemente, o tempo de duração de um quadro pode ser considerado como 125 microssegundos. Agora também pode ser assumido que, como cada timeslot consiste em 8 bits de dados e é repetido 8000 vezes, uma taxa de canal de 64000 bits por segundo ou 64Kbits é atingível. Com essas informações, agora é possível determinar o número total de bits de dados transmitidos em um único caminho, conhecido comosystem bit rate. Isso é calculado usando a seguinte fórmula -
Taxa de bits do sistema = frequência de amostragem x número de timeslots x bits por timeslot = 8000 x 32 x 8, = 2048000 bits / seg, = 2,048 Mbits
Dos 32 canais disponíveis, 30 são usados para transmissão de voz e os 2 timeslots restantes são usados para alinhamento e sinalização. A seção a seguir irá explicar a função de todos os timeslots.
Timeslot 1 a 15 e 17 a 31
Estes 30 timeslots estão disponíveis para a transmissão do sinal analógico digitalizado na forma de 8 bits, com uma largura de banda de 64 kbit / s (por exemplo, dados dos clientes).
Timeslot 0
O sistema europeu recomendado define que o Timeslot 0 de cada frame é usado para sincronização, também conhecido como frame alignment( veja a figura a seguir ). Isso garante que os timeslots em cada quadro estejam alinhados entre a estação transmissora e a estação receptora.
o frame alignment word (FAW) é transportado em bits de dados 2 a 8 de cada quadro par, enquanto os quadros ímpares transportam um not frame alignment word(NFAW) no bit de dados 2 ( veja a figura a seguir ).
Uma verificação de erro também está disponível no timeslot 0, usando um cyclic redundancy check (CRC) para verificar o alinhamento do quadro, que é transportado no bit de dados 1 de todos os quadros. Também existe a facilidade de relatarFar End Alarms, que é indicado por um binário 1 sendo inserido no bit de dados 3 de todos os quadros ímpares. Os bits de dados restantes 4 a 8 dos quadros ímpares podem ser utilizados para alarmes nacionais e gerenciamento de rede.
Timeslot 16
O timeslot 16 possui 8 bits de dados disponíveis e, usando um código variável de 4 bits de dados, a sinalização pode ser realizada para 2 canais de voz em cada quadro.
Portanto, pode-se observar que são necessários 15 quadros para completar a sinalização para todos os canais de voz ( veja a Figura a seguir ).
Como agora existem vários quadros sendo transportados em uma ordem lógica, deve haver um dispositivo para alinhá-los. Isso é obtido usando o quadro anterior aos quadros que contêm informações de sinalização, conhecido como Quadro 0.
Timeslot 16 in Frame 0 contém um multi-frame alignment word(MFAW), usando bits de dados 1 a 4, e são usados para indicar o início de um multi-frame, que são verificados na estação receptora ( veja a Figura a seguir ).
O bit de dados 6 pode ser usado para indicar distant multi-frame alignment loss(DLMFA). Como pode ser visto, um multi-quadro consiste em todos os quadros necessários para completar todas as operações de voz e sinalização, ou seja, 16 quadros, e é conhecido como ummulti-frame( veja a figura a seguir ).
A duração de um multi-frame pode ser calculada usando o seguinte -
Duração do multiframe = Número de quadros x duração do quadro
= 16 x 125 microssegundos
= 2.000 microssegundos
= 2 mili segundos
Os canais restantes podem ser usados para transmissão de voz ou dados e são conhecidos como timeslots 1 a 15 e 17 a 31, e equivalem aos canais numerados de 1 a 30.
FAW = Palavra de alinhamento de quadros
MFAW = Palavra de alinhamento multiframe
DATA = palavras de dados de 8 bits
SIG = timeslot de sinalização CAS
A Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) foi desenvolvida em etapas a partir do sistema PCM básico de 30 canais (PCM-30).
Como pode ser visto na figura a seguir, existem três sistemas hierárquicos diferentes disponíveis, cada um suportando diferentes taxas de linha e taxas de multiplexação. As taxas agregadas mais altas podem, portanto, ser alcançadas agrupando as taxas mais baixas por meio do uso de multiplexadores.
Os links de taxa de bits mais alta também requerem bits adicionais para enquadramento e controle. Por exemplo, um sinal de 8,4 Mbits compreende 4 × 2,048 Mbits = 8,192 Mbits, com os 256 Kbits restantes sendo usados para enquadramento e controle.
Os sistemas de hierarquia europeu e norte-americano são frequentemente referidos pela carta ‘E’ para europeu e ‘T’para a América do Norte, com os níveis de hierarquia sendo numerados consecutivamente. Esses níveis de hierarquia podem ser comparados na seguinte Figura -
| Nível hierárquico | Taxa de bits (Mbits) | Canais de voz | |
|---|---|---|---|
| América do Norte | T1 | 1.544 | 24 |
| T2 | 6,312 | 96 | |
| T3 | 44,736 | 672 | |
| T4 | 274,176 | 4032 | |
| europeu | E1 | 2.048 | 30 |
| E2 | 8.448 | 120 | |
| E3 | 34.368 | 480 | |
| E4 | 139,264 | 1920 | |
| Não definido | 565.148 | 7680 |
Essas taxas de bits são frequentemente abreviadas para 1,5 meg, 3 meg, 6 meg, 44 meg, 274 meg e 2 meg, 8 meg, 34 meg, 140 meg e 565 meg respectivamente.
Como o legado do PDH é tão proeminente no setor de telecomunicações, tornou-se necessário acomodar essas taxas de linha em qualquer nova tecnologia a ser introduzida, portanto, muitas das taxas de linha PDH são suportadas pela Hierarquia Digital Síncrona (SDH). A única exceção é a omissão do nível de 8,4 Mbits, que não tem mais significado prático e não é suportado pelo SDH.
No sistema básico de 2 Mbits, os dados são intercalados em bytes, em que cada timeslot de 8 bits é enviado um após o outro. No caso dos níveis de hierarquia mais altos, os fluxos de dados são multiplexados bit a bit. Uma desvantagem desse sistema é que a taxa de bits de cada sinal de tributário pode variar do valor nominal devido a cada multiplexador ter suas próprias fontes de clock independentes. Esses desvios de clock são dependentes da taxa de linha e podem ser compensados usando técnicas de justificação dentro da largura de banda restante após o estágio de multiplexação. A taxa de linha também dita o código de linha usado para transmissão, como pode ser visto abaixo -
| Taxa de bits (Mbits) | Número de canais de 64 Kbit | Desvio de relógio permitido (ppm) | Código de interface | Meio preferido / código de linha | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Equilibrado | Coaxial | Fibra óptica | ||||
| 2.048 | 30 | ± 50 | AMI | HDB3 | ||
| 8.448 | 120 | ± 30 | HDB3 | HDB3 | HDB3 | |
| 34.368 | 480 | ± 20 | HDB3 | HDB3 | 4B3T 2B1Q |
5B6B |
| 139,264 | 1920 | ± 15 | CMI | 4B3T | 5B6B | |
Propriedades de PDH
Plesiocrônico - “Quase Síncrono”
Multiplexação de sinais de 2 Mbit / s em sinais multiplexados de ordem superior.
Colocar cabos entre locais de comutação é muito caro.
Aumentando a capacidade de tráfego de um cabo aumentando a taxa de bits.
4 sinais de ordem inferior multiplexados em um único sinal de ordem superior em cada nível.
A tecnologia PDH permite a multiplexação sucessiva de um sinal de 2 M - 8 M, de 8 M - 34 M, de 34 M - 140 M e finalmente 140 M - 565 M sistemas.
Também existiam muxes de “salto” ou “salto” que permitiriam a multiplexação de 16 sinais 2 M em um sinal 34 M sem o nível 8 M intermediário.
Limitações PDH
Synchronisation- Os dados são transmitidos em intervalos regulares. Com a temporização derivada do oscilador do transmissor, os dados são amostrados na mesma taxa em que estão sendo transmitidos.
Os dados são transmitidos em intervalos regulares. Com a temporização derivada do oscilador do transmissor, os dados são amostrados a uma taxa mais lenta do que a do transmissor. Uma das desvantagens do PDH era que cada elemento era sincronizado de forma independente. Para que os dados sejam recebidos corretamente, a taxa de amostragem na extremidade do receptor deve ser a mesma que a taxa de transmissão na extremidade do transmissor.
Os dados são transmitidos em intervalos regulares. Com a temporização derivada do oscilador do transmissor, os dados são amostrados em uma taxa mais rápida do que o transmissor. Se o oscilador na extremidade do receptor estivesse funcionando mais lentamente do que na extremidade do transmissor, o receptor perderia alguns bits do sinal transmitido.
Ou, se o relógio do receptor estava funcionando mais rápido do que o do transmissor, o receptor amostraria alguns dos bits duas vezes.
Os bits de justificação são adicionados aos sinais de ordem inferior para que possam ser multiplexados em uma única taxa. O oscilador do equipamento é usado como uma fonte de temporização para o processo de adaptação da taxa de bits na ordem inferior e também no processo multiplex. Os bits de justificação são descartados na extremidade recebida quando os sinais são desmultiplexados.
Por causa dos métodos de sincronização usados, era impossível desmultiplexar de um sinal de ordem alta para o sinal tributário de ordem mais baixa em um único equipamento. Foi necessário desmultiplexar em todos os níveis para acessar o sinal que estava sendo descartado em um local e, em seguida, re-multiplexar todos os outros canais de volta à taxa mais alta. Isso significa que deve haver muitos equipamentos no local para fazer isso. Isso é conhecido comoPDH Mux Mountain. Todo esse equipamento ocupava muito espaço no local e também aumentava a necessidade de peças sobressalentes nos locais.
A falta de resiliência nas redes PDH significava que se ocorresse uma quebra de fibra, o tráfego seria perdido. O gerenciamento de rede PDH simplesmente relata alarmes aos operadores NOC. Nenhuma ferramenta de diagnóstico ou corretiva está disponível para a equipe NOC. Um engenheiro de manutenção deve ser enviado ao local com um mínimo de informações. Cada elemento de rede requer uma conexão com a rede DCN, pois não existem instalações para transportar informações de gerenciamento através da rede PDH.
A falta de padrões de interconexão significava que não era possível interconectar equipamentos de vários fornecedores. O equipamento pode operar em comprimentos de onda diferentes, usar taxas de bits diferentes ou interfaces ópticas proprietárias.
A SDH Networks substituiu o PDH e tinha várias vantagens importantes.
As recomendações G.707, G.708 e G.709 ITU fornecem a base para a rede global.
As redes se beneficiam da resiliência do tráfego para minimizar a perda de tráfego no caso de quebra de fibra ou falha do equipamento.
A tecnologia de monitoramento integrada permite a configuração remota e a solução de problemas da rede.
A tecnologia flexível permite o acesso a tributários em qualquer nível.
A tecnologia preparada para o futuro permite taxas de bits mais rápidas à medida que a tecnologia avança.
Enquanto as redes PDH europeias não podem fazer interface com as redes dos EUA, as redes SDH podem transportar os dois tipos. Este slide mostra como as diferentes redes PDH se comparam e quais sinais podem ser transportados pela rede SDH.
SDH - Topologias de Rede
Sistema de Linha
Um único sistema é o sistema para a topologia de rede PDH. O tráfego é adicionado e descartado apenas nos pontos finais da rede. Os nós terminais são usados no final da rede para adicionar e eliminar o tráfego.
Em qualquer rede SDH, é possível usar um nó conhecido como regenerador. Este nó recebe o sinal SDH de alta ordem e o retransmite. Nenhum acesso de tráfego de ordem inferior é possível a partir de um regenerador e eles são usados apenas para cobrir longas distâncias entre locais onde a distância significa que a energia recebida seria muito baixa para transportar o tráfego.
Sistema de Anel
Um sistema de anel consiste em vários add / drop muxes (ADMs) conectados em uma configuração de anel. O tráfego pode ser acessado em qualquer ADM ao redor do anel e também é possível que o tráfego seja descartado em vários nós para fins de transmissão.
A rede em anel também tem o benefício de oferecer resiliência de tráfego, caso haja um tráfego de quebra de fibra que eu não perdi. A resiliência da rede é discutida em mais detalhes posteriormente.
Sincronização de rede SDH
Enquanto as redes PDH não foram sincronizadas centralmente, as redes SDH são (daí o nome de hierarquia digital síncrona). Em algum lugar da rede da operadora haverá uma fonte de referência primária. Essa fonte é distribuída pela rede pela rede SDH ou por uma rede de sincronização separada.
Cada nó pode alternar para fontes de backup se a fonte principal ficar indisponível. Vários níveis de qualidade são definidos e o nó mudará a próxima fonte de melhor qualidade que puder encontrar. Nos casos em que o nó usa a temporização da linha de entrada, o byte S1 na sobrecarga da MS é usado para denotar a qualidade da fonte.
A fonte de qualidade mais baixa disponível para um nó geralmente é seu oscilador interno, no caso em que um nó muda para sua própria fonte de relógio interno, isso deve ser corrigido o mais rápido possível, pois o nó pode começar a gerar erros ao longo do tempo.
É importante que a estratégia de sincronização para uma rede seja planejada cuidadosamente, se todos os nós de uma rede tentarem sincronizar fora de seu vizinho do mesmo lado, você obterá um efeito chamado loop de temporização, conforme mostrado acima. Esta rede começará a gerar erros rapidamente à medida que cada nó tenta se sincronizar entre si.
Hierarquia SDH
O diagrama a seguir mostra como a carga útil é construída e não é tão assustador quanto parece à primeira vista. Os próximos slides explicarão como o sinal SDH é construído a partir de cargas úteis de nível inferior.
Quadro STM-1
O quadro é composto de linhas de 9 overheads e 261 bytes de carga útil.
O quadro é transmitido linha por linha, conforme ilustrado abaixo. Os 9 bytes de overhead em uma linha são transmitidos, seguidos pelos 261 bytes de carga útil, a próxima linha é então transmitida de maneira semelhante até que todo o quadro seja transmitido. Todo o quadro é transmitido em 125 micro segundos.
STM-1 Overheads
As primeiras 3 linhas do overhead são chamadas de overheads da seção do repetidor. A 4ª linha forma os ponteiros AU e as últimas 5 linhas contêm os overheads da seção multiplex.
Para explicar os diferentes tipos de sobrecarga, considere um sistema em que a carga útil é passada por vários regeneradores intermediários antes de chegar ao ADM do qual está sendo adicionada / eliminada.
Os overheads da seção do repetidor são usados para comunicações e monitoramento entre quaisquer dois nós vizinhos.
Os overheads da seção multiplex são usados para comunicações e monitoramento entre dois nós que possuem recursos de adicionar / soltar, como ADMs.
Em um nível inferior, há também sobrecargas de caminho que são adicionadas a um nível de tributário, que serão discutidas em mais detalhes posteriormente.
O monitoramento de diferentes alarmes aéreos torna mais fácil localizar problemas na rede. Um alarme RS indica um problema no lado HO SDH entre dois nós, enquanto se estiver investigando um alarme MS você pode descartar problemas nos nós regeneradores.
SDH Path Trace
O rastreamento do caminho pode ser muito útil para identificar problemas de interconexão entre os nós. Pode haver várias interconexões físicas, como emendas e patches dentro de quadros óticos entre dois nós. Cada nó é configurado pelo operador de rede para enviar uma string exclusiva que o identifica.
Cada nó também é configurado com a string que deve receber de seu nó vizinho.
Se o rastreamento do caminho recebido pelo nó corresponder ao que eles esperam, está tudo OK.
Se o rastreamento do caminho recebido não corresponder ao rastreamento que o nó está esperando, isso indica um problema com a conexão entre os nós.
Gestão SDH
Os canais DCC contidos nos overheads da seção permitem fácil gerenciamento da rede SDH. Um sistema de gerenciamento de rede conectado a um nó da rede pode se comunicar com outros nós da rede usando os canais DCC. O nó que está conectado à rede DCN é conhecido como nó de gateway. Para fins de resiliência, geralmente há mais de um nó de gateway na rede.
Resiliência de rede SDH
Em uma configuração de anel, o tráfego é enviado para ambas as rotas ao redor do anel do ADM de origem (Add / Drop Multiplexer). Em qualquer ADM em que o sinal não seja interrompido, ele simplesmente passa. Embora o tráfego passe ao redor do anel em ambas as rotas, mas apenas uma rota seja usada para extrair o tráfego do ADM de recebimento, esta rota é aactive routeou caminho. A outra rota é conhecida comostandby route ou caminho.
Se houver uma quebra de fibra no caminho ativo, o ADM receptor alternará usando o sinal alternativo como o caminho ativo. Isso permite a restauração rápida e automática do fluxo de tráfego para os clientes. Quando a quebra da fibra é reparada, o anel não comuta de volta automaticamente, pois isso causaria um "impacto" de tráfego adicional, mas usará isso como caminho de espera em caso de falha futura no novo caminho ativo. O MUX que perde tráfego usará os bytes K para sinalizar a chave de proteção de volta ao MUX de origem.
As chaves de anel manuais também podem ser realizadas a partir do centro de gerenciamento de rede ou de terminais locais operados por engenheiros.
WDM é uma tecnologia que permite que vários sinais ópticos sejam transmitidos por uma única fibra. Seu princípio é essencialmente o mesmo da multiplexação por divisão de frequência (FDM). Ou seja, vários sinais são transmitidos usando diferentes portadoras, ocupando partes não sobrepostas de um espectro de frequência. No caso do WDM, a banda do espectro utilizada está na região de 1300 ou 1550 nm, que são duas janelas de comprimento de onda nas quais as fibras ópticas apresentam perda de sinal muito baixa.
Inicialmente, cada janela foi usada para transmitir um único sinal digital. Com o avanço dos componentes ópticos, como lasers de feedback distribuído (DFB), amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs) e fotodetectores, logo percebeu-se que cada janela de transmissão poderia de fato ser usada por vários sinais ópticos, cada um ocupando um pequena tração da janela de comprimento de onda total disponível.
Na verdade, o número de sinais ópticos multiplexados em uma janela é limitado apenas pela precisão desses componentes. Com a tecnologia atual, mais de 100 canais ópticos podem ser multiplexados em uma única fibra. A tecnologia foi então nomeadadense WDM (DWDM).
A principal vantagem do DWDM é seu potencial para aumentar em muitas dobras a largura de banda da fibra óptica de maneira econômica. A grande rede de fibras que existe ao redor do mundo pode repentinamente ter sua capacidade multiplicada por múltiplos, sem a necessidade de novas fibras longas, um processo caro. Obviamente, novos equipamentos DWDM devem ser conectados a essas fibras. Além disso, podem ser necessários regeneradores ópticos.
O número e a frequência dos comprimentos de onda a serem usados estão sendo padronizados pelo ITU (T). O conjunto de comprimento de onda usado é importante não apenas para interoperabilidade, mas também para evitar interferência destrutiva entre sinais ópticos.
A tabela a seguir fornece frequências centrais nominais baseadas em 50 GHz, espaçamento mínimo de canal ancorado na referência de 193,10 THz. Observe que o valor de C (velocidade da luz) é considerado igual a 2,99792458 x 108 m / seg. para converter entre frequência e comprimento de onda.
O ITU-T Grid (dentro da banda C), ITU (T) Rec. G.692
| Frequências centrais nominais (THz) para espaçamento de 50 GHz | Frequências centrais nominais (THz) para espaçamento de 100 GHz | Comprimentos de onda centrais nominais (Nm) |
|---|---|---|
| 196,10 | 196,10 | 1528,77 |
| 196,05 | 1529,16 | |
| 196,00 | 196,00 | 1529,55 |
| 195,95 | 1529,94 | |
| 195,90 | 195,90 | 1530,33 |
| 195,85 | 1530,72 | |
| 195,80 | 195,80 | 1531,12 |
| 195,75 | 1531,51 | |
| 195,70 | 195,70 | 1531,90 |
| 195,65 | 1532,29 | |
| 195,60 | 195,60 | 1532,68 |
| 195,55 | 1533,07 | |
| 195,50 | 195,50 | 1533,47 |
| 195,45 | 1533,86 | |
| 195,40 | 195,40 | 1534,25 |
| 195,35 | 1534,64 | |
| 195,30 | 195,30 | 1535,04 |
| 195,25 | 1535,43 | |
| 195,20 | 195,20 | 1535,82 |
| 195,15 | 1536,22 | |
| 195,10 | 195,10 | 1536,61 |
| 195,05 | 1537,00 | |
| 195,00 | 195,00 | 1537,40 |
| 194,95 | 1537,79 | |
| 194,90 | 194,90 | 1538,19 |
| 194,85 | 1538,58 | |
| 194,80 | 194,80 | 1538,98 |
| 194,75 | 1539,37 | |
| 194,70 | 194,70 | 1539,77 |
| 194,65 | 1540,16 | |
| 194,60 | 194,60 | 1540,56 |
| 194,55 | 1540,95 | |
| 194,50 | 194,50 | 1541,35 |
| 194,45 | 1541,75 | |
| 194,40 | 194,40 | 1542,14 |
| 194,35 | 1542,54 | |
| 194,30 | 194,30 | 1542,94 |
| 194,25 | 1543,33 | |
| 194,20 | 194,20 | 1543,73 |
| 194,15 | 1544,13 | |
| 194,10 | 194,10 | 1544,53 |
| 194,05 | 1544,92 | |
| 194,00 | 194,00 | 1545,32 |
| 193,95 | 1545,72 | |
| 193,90 | 193,90 | 1546,12 |
| 193,85 | 1546,52 | |
| 193,80 | 193,80 | 1546,92 |
| 193,75 | 1547,32 | |
| 193,70 | 193,70 | 1547,72 |
| 193,65 | 1548,11 | |
| 193,60 | 193,60 | 1548,51 |
| 193,55 | 1548,91 | |
| 193,50 | 193,50 | 1549,32 |
| 193,45 | 1549,72 | |
| 193,40 | 193,40 | 1550,12 |
| 193,35 | 1550,52 | |
| 193,30 | 193,30 | 1550,92 |
| 193,25 | 1551,32 | |
| 193,20 | 193,20 | 1551,72 |
| 193,15 | 1552,12 | |
| 193,10 | 193,10 | 1552,52 |
| 193,05 | 1552,93 | |
| 193,00 | 193,00 | 1533,33 |
| 192,95 | 1553,73 | |
| 192,90 | 192,90 | 1554,13 |
| 192,85 | 1554,54 | |
| 192,80 | 192,80 | 1554,94 |
| 192,75 | 1555,34 | |
| 192,70 | 192,70 | 1555,75 |
| 192,65 | 1556,15 | |
| 192,60 | 192,60 | 1556,55 |
| 192,55 | 1556,96 | |
| 192,50 | 192,50 | 1557,36 |
| 192,45 | 1557,77 | |
| 192,40 | 192,40 | 1558,17 |
| 192,35 | 1558,58 | |
| 192,30 | 192,30 | 1558,98 |
| 192,25 | 1559,39 | |
| 192,20 | 192,20 | 1559,79 |
| 192,15 | 1560,20 | |
| 192,10 | 192,10 | 1560,61 |
DWDM dentro da rede
Uma rede SDH típica terá duas fibras em cada lado de cada nó, uma para transmitir ao seu neighbor on e um para receber de seu neighbor on.
Embora ter duas fibras entre um site não soe tão ruim, na prática provavelmente haverá muitos sistemas em execução entre sites, embora eles não façam parte da mesma rede.
Com apenas as duas redes mostradas acima, quatro fibras agora são necessárias entre os locais C e D, e colocar entre os locais é extremamente caro. É aqui que entram as redes DWDM.
Usando um sistema DWDM, a quantidade de fibras necessária entre os locais C e D é reduzida a uma única fibra. O equipamento DWDM moderno pode multiplexar até 160 canais, representando uma enorme economia no investimento em fibra. Como o equipamento DWDM funciona apenas com o sinal físico, ele não afeta a camada SDH da rede. O sinal SDH não é finalizado ou interrompido, no que diz respeito à rede SDH. Ainda existe uma conexão direta entre os sites.
As redes DWDM são independentes de protocolo. Eles transportam comprimentos de onda de luz e não operam na camada de protocolo.
Os sistemas DWDM podem economizar grandes quantias de dinheiro das operadoras de rede ao instalar fibra, ainda mais em longas distâncias. Usando amplificadores ópticos, é possível transmitir um sinal DWDM para longas distâncias.
Um amplificador recebe um sinal DWDM de vários comprimentos de onda e simplesmente o amplifica para alcançar o próximo local.
Um op-amp amplificará os lambdas vermelhos ou azuis; se estiver amplificando os lambdas vermelhos, retirará os canais azuis recebidos e vice-versa. Para amplificar em ambas as direções, um dos dois tipos de amplificador é necessário.
Para que o sistema DWDM opere de forma satisfatória, os comprimentos de onda de entrada para o amplificador óptico devem ser equalizados.
Isso envolve definir todas as fontes ópticas de entrada para o sistema DWDM com níveis de potência óptica semelhantes. Os comprimentos de onda que não foram equalizados podem mostrar erros ao transportar tráfego.
Alguns fabricantes de equipamentos DWDM auxiliam os técnicos de campo medindo as potências ópticas dos canais de entrada e recomendando quais canais requerem ajuste de potência.
Equalizar os comprimentos de onda pode ser feito de várias maneiras; Um atenuador óptico variável pode ser instalado entre a estrutura de gerenciamento de fibra e o acoplador DWDM - um engenheiro pode ajustar o sinal no lado do acoplador DWDM.
Alternativamente, o equipamento de origem pode ter transmissores óticos de saída variável, o que permite que um engenheiro ajuste a potência ótica por meio de software no equipamento de origem.
Alguns acopladores DWDM têm atenuadores embutidos para cada canal recebido, um engenheiro pode ajustar cada canal no ponto de acesso DWDM.
Quando múltiplas frequências de luz viajam através de uma fibra, uma condição conhecida como mistura de quatro ondas pode ocorrer. Novos comprimentos de onda de luz são gerados dentro da fibra em comprimentos de onda / frequências determinadas pela frequência dos comprimentos de onda originais. A frequência dos novos comprimentos de onda é dada por f123 = f1 + f2 - f3.
A presença dos comprimentos de onda pode afetar adversamente a relação sinal / ruído óptico dentro da fibra e afetar o BER do tráfego dentro de um comprimento de onda.
COMPONENTES WDM
Os componentes WDM são baseados em vários princípios ópticos. A figura abaixo mostra um único link WDM. Lasers DFB são usados como transmissores, um para cada comprimento de onda. Um multiplexador óptico combina esses sinais na fibra de transmissão. Os amplificadores ópticos são usados para aumentar a potência do sinal óptico, para compensar as perdas do sistema.
No lado do receptor, desmultiplexadores ópticos separam cada comprimento de onda, para serem entregues aos receptores ópticos no final do link óptico. Os sinais óticos são adicionados ao sistema pelos ADMs óticos (OADMs).
Esses dispositivos ópticos são equivalentes aos ADMs digitais, organizando e dividindo os sinais ópticos ao longo do caminho de transmissão. Os OADMs geralmente são feitos de grades de guia de ondas em matriz (AWG), embora outras tecnologias ópticas, como grades de fibra, também tenham sido usadas.
Um componente chave do WDM é o switch ótico. Este dispositivo é capaz de comutar sinais ópticos de uma determinada porta de entrada para uma determinada porta de saída. É o equivalente a uma barra transversal eletrônica. Os interruptores óticos permitem que redes óticas sejam construídas, de modo que um determinado sinal ótico possa ser roteado para seu destino apropriado.
Outro componente óptico importante é o conversor de comprimento de onda. Um conversor de comprimento de onda é um dispositivo que converte um sinal óptico vindo de um determinado comprimento de onda em outro sinal em um comprimento de onda diferente, mantendo o mesmo conteúdo digital. Esse recurso é importante para redes WDM porque fornece mais flexibilidade no roteamento de sinais ópticos pela rede.
REDES DE TRANSPORTE ÓPTICO
As redes WDM são construídas conectando nós de conexão cruzada de comprimento de onda (WXC) em uma determinada topologia de escolha. Os WXCs são realizados por multiplexadores e demultiplexadores de comprimento de onda, switches e conversores de comprimento de onda.
A figura a seguir descreve uma arquitetura de nó WXC genérica.
Os sinais óticos, multiplexados na mesma fibra, chegam a um demultiplexador ótico. O sinal é decomposto em suas várias portadoras de comprimento de onda e enviado a um banco de interruptores ópticos. Os interruptores ópticos direcionam os vários sinais de comprimento de onda para um banco de saída.
Multiplexadores, onde os sinais são multiplexados e injetados nas fibras de saída para transmissão. Conversores de comprimento de onda podem ser usados entre o comutador óptico e os multiplexadores de saída para fornecer mais flexibilidade de roteamento. Os WXCs foram pesquisados por vários anos. As dificuldades com WXCs são crosstalk e taxa de extinção.
Um Nó de Conexão Cruzada de Comprimento de Onda
Redes de transporte óptico (OTNs) são redes WDM que fornecem serviços de transporte por caminhos leves. Um caminho de luz é um tubo de alta largura de banda que transporta dados de até vários gigabits por segundo. A velocidade do caminho da luz é determinada pela tecnologia dos componentes ópticos (lasers, amplificadores ópticos, etc.). Velocidades na ordem de STM-16 (2488,32 Mbps) e STM-64 (9953,28 Mbps) são atualmente alcançáveis.
Um OTN é composto de nós WXC, além de um sistema de gerenciamento, que controla a configuração e desmontagem de caminhos de luz por meio de funções de supervisão, como monitoramento de dispositivos ópticos (amplificador, receptores), recuperação de falhas e assim por diante. A configuração e desmontagem de caminhos de luz devem ser executados em uma grande escala de tempo, como horas ou mesmo dias, visto que cada um deles fornece capacidade de largura de banda de backbone.
Há muita flexibilidade em como os OTNs são implantados, dependendo dos serviços de transporte a serem fornecidos. Uma das razões para essa flexibilidade é que a maioria dos componentes ópticos são transparentes para a codificação do sinal. Apenas na fronteira da camada óptica, onde o sinal óptico precisa ser convertido de volta para o domínio eletrônico, a codificação importa.
Portanto, serviços óticos transparentes para suportar várias tecnologias de rede eletrônica legadas, como SDH, ATM, IP e frame relay, rodando no topo da camada ótica, é um cenário provável no futuro.
A camada óptica é dividida em três subcamadas -
A rede da camada de canal óptico, que faz interface com clientes OTN, fornecendo canais ópticos (OChs).
A rede de camada multiplex ótica, que multiplexa vários canais em um único sinal ótico.
A rede de camada de seção de transmissão óptica, que fornece a transmissão do sinal óptico através da fibra.
FORMATO DO FRAME OTN
Semelhante ao uso de um quadro SDH, o acesso ao OCh deve ser feito por meio de um quadro OC, que está definido atualmente. O tamanho do quadro básico corresponde à velocidade STM-16 ou 2.488,32 Mbps, que constitui o sinal OCh básico. A figura a seguir descreve um possível formato de quadro OCh.
Um quadro de canal óptico
A região mais à esquerda do quadro (mostrada na figura abaixo) é reservada para bytes de overhead. Esses bytes devem ser usados para funções OAM & P, semelhantes aos bytes de overhead do quadro SDH, discutidos anteriormente.
Entretanto, funções adicionais provavelmente serão suportadas, como o fornecimento de fibras escuras (reserva de um comprimento de onda entre dois pontos finais para um único usuário) e APS baseado em comprimento de onda. A região mais à direita do quadro é reservada para um esquema de correção de erros direto (FEC) a ser exercido em todos os dados de carga útil. Um FEC sobre uma camada de transmissão óptica aumenta o comprimento máximo do span e reduz o número de repetidores. Um código Reed-Solomon pode ser usado.
Vários OChs devem ser multiplexados juntos no domínio óptico, para formar o sinal do multiplexador óptico (OMS). Isso é paralelo à multiplexação de vários quadros STM-1 em um formato de quadro STM-N SDH. Vários OChs podem ser multiplexados para formar OMS.
O sinal do cliente óptico é colocado dentro do sinal de carga útil OCh. O sinal do cliente não é limitado pelo formato de quadro OCh. Em vez disso, o sinal do cliente deve ser apenas um sinal digital de taxa de bits constante. Seu formato também é irrelevante para a camada óptica.
WDM RINGS
Conceitualmente, um anel WDM não é muito diferente de um anel SDH. Os WXCs são interconectados em uma topologia em anel, semelhante aos ADMs SDH em um anel SDH. A principal diferença arquitetônica entre um anel SDH e um anel WDM está enraizada nas capacidades WXC de comutação e conversão de comprimento de onda.
Esses recursos podem ser usados, por exemplo, para fornecer níveis de proteção sem paralelo na tecnologia SDH. Em outras palavras, a proteção do comprimento de onda ou do caminho da luz pode ser fornecida, além da proteção do caminho e da linha.
Os protocolos ópticos APS são tão complexos quanto SDH APSs. A proteção pode ser fornecida no nível OCh ou no nível da seção ótica multiplex / seção de transmissão ótica. Alguns recursos extras de proteção podem ser implementados sem paralelo em anéis SDH. Por exemplo, um caminho de luz com falha (por exemplo, uma falha de laser) pode ser corrigido convertendo um sinal óptico de um determinado comprimento de onda em um diferente, evitando o redirecionamento do sinal.
Isso é equivalente à comutação de amplitude em SDH, com a diferença de que até mesmo dois anéis WDM de fibra podem fornecer essa capacidade para proteção OCh. Na camada OMS, entretanto, a proteção de amplitude exigirá quatro anéis de fibra, como no SDH. Esses recursos extras, sem dúvida, introduzirão complexidade extra nos protocolos APS da camada óptica.
Uma vez que o anel WDM esteja ativo, caminhos leves precisam ser estabelecidos de acordo com o padrão de tráfego a ser suportado.
REDES MESH WDM
As redes Mesh WDM são construídas com os mesmos componentes ópticos dos anéis WDM. No entanto, os protocolos usados em redes mesh são diferentes daqueles usados em anéis. Por exemplo, a proteção em redes mesh é uma proposição mais complexa, assim como o problema de roteamento e atribuição de comprimento de onda em redes mesh WDM.
É provável que as redes mesh sejam como infraestruturas de backbone conectando anéis WDM. Espera-se que algumas dessas conexões sejam ópticas, evitando gargalos ópticos / eletrônicos e proporcionando transparência. Outros exigirão a conversão do sinal óptico em domínio eletrônico para gerenciamento de monitoramento e talvez para fins de faturamento. A figura a seguir descreve uma rede WDM.
Infrastructure - Nesta figura, três camadas de topologia a seguir são mostradas -
- Rede de Acesso
- Rede Regional
- Rede Backbone
Infraestrutura de rede WDM
Estão incluídos anéis SDH e redes ópticas passivas (PONs) como redes de acesso. Eles geralmente são baseados em um barramento ou topologia em estrela e o protocolo de controle de acesso ao meio (MAC) é usado para coordenar as transmissões entre os usuários. Nenhuma funcionalidade de roteamento é fornecida em tais redes.
Essas arquiteturas são práticas para redes que suportam no máximo algumas centenas de usuários em curtas distâncias. Embora os PONs sejam redes mais baratas do que os anéis WDM, devido à falta de componentes ativos e recursos como roteamento de comprimento de onda, os lasers necessários nas fontes PON tornam a primeira geração desse equipamento ainda mais cara do que os anéis SDH. Isso favorece a solução SDH no nível da rede de acesso, pelo menos em um futuro próximo.
As redes de backbone contêm componentes ópticos ativos, fornecendo funções como conversão de comprimento de onda e roteamento. As redes de backbone terão que interagir de alguma forma com tecnologias de transporte legadas, como ATM, IP, PSTN e SDH.
O cenário geral é ilustrado na figura a seguir. Vários tipos de interface envolvidos na figura.
Sobreposição de uma rede de transporte WDM com tráfego ATM / IP.
Encapsulamento de quadro SDH
O quadro OCh deve ser definido para que o encapsulamento do quadro SDH possa ser feito facilmente. Todo o STM-16xc, por exemplo, deve ser transportado como uma carga útil OCh. Se um canal óptico STM-16 básico for usado, pode não ser possível encapsular SDH-16xc no canal óptico STM-16, devido aos bytes de overhead OCh.
O formato do quadro OCh está sendo definido. A figura a seguir exemplifica o encapsulamento de quadros SDH em quadros OCh.
SDH Interfaces para WDM
O equipamento WDM com interfaces físicas SDH fornecerá sinais ópticos para dispositivos SDH. Essas interfaces devem ser para compatibilidade com a tecnologia SDH. Portanto, o dispositivo SDH não precisa estar ciente da tecnologia WDM usada para transportar seu sinal (por exemplo, o dispositivo pode pertencer a um anel BLSR / 4).
Neste caso, o WXC irá baixar e adicionar ao meio óptico o comprimento de onda originalmente usado no anel SDH. Dessa forma, as camadas WDM e SDH são completamente desacopladas, o que é necessário para a interoperabilidade do WDM com equipamentos SDH legados.
Isso coloca restrições extras na seleção de comprimentos de onda na camada óptica, uma vez que o comprimento de onda do último salto, aquele que faz interface com o dispositivo SDH, deve ser o mesmo usado pelo dispositivo SDH para terminar o caminho óptico, se a conversão de comprimento de onda não for fornecida dentro do dispositivo SDH.
Um link WDM
| Tecnologia | Detecção | Restauração | Detalhes | |
|---|---|---|---|---|
| WDM | WDM-OMS / OCH | 1-10ms | 10-30ms | Anel / PP |
| SDH | SDH | 0.1ms | 50ms | Anel |
| APS 1 + 1 | 0.1ms | 50ms | PP | |
| ATM | FDDI | 0.1ms | 10ms | Anel |
| STM | 0.1ms | 100ms | ||
| ATM PV-C / P 1 + 1 | 0.1ms | 10msxN | Espera N = # saltos | |
| ATM PNNI SPV-C / P, SV-C / P | Anos 40 | 1-10s | ||
| IP | Border Gateway Protocol | 180ms | 10-100s | |
| Protocolo de roteamento de gateway interior e E-OSPF | Anos 40 | 1-10s | ||
| Sistema Intermediário | Anos 40 | 1-10s | ||
| Protocolo de roteamento da Internet | 180s | 100s |
De acordo com a tabela mostrada acima, embora a restauração seja mais rápida em WDM do que a tecnologia SDH, a detecção de falhas em WDM é mais lenta. Uma sobreposição mais segura de mecanismos de proteção WDM / SDH exige um esquema de proteção WDM mais rápido. Como alternativa, os SDH APSs podem ser artificialmente desacelerados se os clientes SDH puderem suportar a degradação de desempenho decorrente de tais procedimentos.
A recuperação de falha desnecessária em camadas superiores pode causar instabilidade de rota e congestionamento de tráfego; portanto, deve ser evitado a todo custo. As verificações de persistência de falha podem ser usadas em camadas superiores para evitar uma reação precoce a falhas em camadas inferiores.
Uma recuperação de falha na subcamada OMS pode substituir os procedimentos de recuperação de várias instâncias dos sinais SDH servidos pela camada ótica. Assim, um número potencialmente grande de clientes SDH é poupado de iniciar procedimentos de recuperação de falha em suas camadas. Portanto, uma única recuperação de falha na subcamada OMS óptica pode poupar centenas.
Evolução para uma rede de transporte totalmente ótica
A evolução para uma rede WDM totalmente óptica deve ocorrer gradualmente. Primeiro, os dispositivos WXC serão conectados às fibras existentes. Alguns componentes extras podem ser necessários no link ótico, como EDFAs, para tornar os links de fibra legados adequados para a tecnologia WDM. Os WXCs farão interface com equipamentos legados, como SDH e interface de dados distribuídos de fibra (FDDI).
Uma vantagem de uma rede de transporte totalmente ótica transparente é que a transferência de funções SDH para a camada acima (IP / ATM) ou abaixo (WDM) do SDH provavelmente acontecerá, trazendo economia em termos de atualização e manutenção da rede. Essa reorganização da camada pode afetar as redes de transporte, supondo que o tráfego em tempo real, incluindo voz, seja empacotado (IP / ATM). Isso pode levar à extinção dos sinais SDH dos VCs.
Uma questão chave seria como empacotar de forma mais eficiente os pacotes em SDH, ou mesmo diretamente em quadros OCh. Qualquer que seja o novo método de encapsulamento que surja, a compatibilidade com encapsulamento IP / PPP / HDLC e ATM é obrigatória.
O DWDM usa um conjunto de comprimentos de onda ótica (ou canais) em torno de 1.553 nm com espaçamento de canal de 0,8 nm (100 GHz), cada comprimento de onda pode transportar informações de até 10 Gbps (STM 64). Mais de 100 canais podem ser combinados e transmitidos em uma única fibra. Esforços estão sendo feitos para comprimir ainda mais os canais e aumentar a taxa de bits de dados em cada canal.
Experimentalmente, a transmissão de 80 canais, cada um carregando 40 Gbps (equivalente a 3,2 Tbits / s) em uma única fibra, foi testada com sucesso em um comprimento de 300 km. A implantação de rede óptica DWDM ponto a ponto e baseada em anel requer um tipo mais novo de elementos de rede que podem manipular sinais em execução sem uma conversão OEO cara. Amplificadores ópticos, filtros, multiplexadores ópticos de adição, desmultiplexadores e conexão cruzada óptica são alguns dos elementos essenciais da rede. MEMS desempenha um papel importante no projeto e desenvolvimento de tais elementos de rede.
MEMS é um acrônimo para Micro Electro Mechanical Systems. É usado para criar dispositivos ultra-miniaturizados, com dimensões de alguns mícrons a alguns centímetros de diâmetro. Eles são bastante semelhantes a um IC, mas com a capacidade de integrar partes mecânicas móveis no mesmo substrato.
A tecnologia MEMS tem suas raízes na indústria de semicondutores. Eles são fabricados usando um processo de fabricação em lote semelhante a um VLSI. Um MEMS típico é um microssistema integrado em um chip que pode incorporar partes mecânicas móveis, além de elementos elétricos, ópticos, fluídicos, químicos e biomédicos.
Funcionalmente, MEMS inclui uma variedade de mecanismos de transudação para converter sinais de uma forma de energia para outra.
Muitos tipos diferentes de micro-sensores e micro-atuadores podem ser integrados com processamento de sinal, subsistemas ópticos e micro-computação para formar um sistema funcional completo em um chip. A capacidade característica do MEMS é incluir peças mecânicas móveis no mesmo substrato.
Devido ao tamanho pequeno, é possível usar MEMS em locais onde dispositivos mecânicos são virtualmente impossíveis de colocar; como, por exemplo, dentro de um vaso sanguíneo de um corpo humano. O tempo de comutação e resposta dos dispositivos MEMS também é menor do que as máquinas convencionais e consomem menos energia.
Aplicação de MEMS
Hoje, os MEMS encontram aplicação em todas as esferas. Telecomunicação, biociências e sensores são os principais beneficiários. Sensores de movimento, aceleração e estresse baseados em MEMS estão sendo implantados maciçamente em aeronaves e espaçonaves para aumentar a segurança e a confiabilidade. Os satélites do Pico (pesando cerca de 250 g) são desenvolvidos como dispositivos de inspeção, comunicação e vigilância. Eles usam sistemas baseados em MEMS como carga útil, bem como para seu controle orbital. MEMS são usados em bicos de impressoras jato de tinta e cabeçotes de leitura / gravação de unidades de disco rígido. A indústria automotiva está usando MEMS em 'sistemas de injeção de combustível' e sensores de airbag.
Os engenheiros de projeto estão colocando MEMS em seus novos projetos para melhorar o desempenho de seus produtos. Reduz o custo e o tempo de fabricação. A integração de várias funções em MEMS fornece maior grau de miniaturização, menor contagem de componentes e maior confiabilidade.
Técnicas de Design e Fabricação
Nas últimas décadas, a indústria de semicondutores cresceu até a maturidade. O desenvolvimento de MEMS é amplamente beneficiado por essa tecnologia. Inicialmente, as técnicas e materiais usados para design e fabricação de circuitos integrados (IC) foram emprestados diretamente para o desenvolvimento de MEMS, mas agora muitas técnicas de fabricação específicas de MEMS estão sendo desenvolvidas. Micromaquinagem de superfície, micromaquinagem a granel, gravação iônica reativa profunda (DRIE) e micromoldagem são algumas das técnicas avançadas de fabricação de MEMS.
Usando o micromachining method, várias camadas de polissilício, geralmente de 1-100 mm de espessura, são depositadas para formar uma estrutura tridimensional com condutores de metal, espelhos e camadas de isolamento. Um processo preciso de corrosão remove seletivamente um filme subjacente (camada sacrificial), deixando um filme de revestimento referido como a camada estrutural capaz de movimento mecânico.
Surface micromachiningé usado para fabricar uma variedade de dispositivos MEMS em volumes comerciais. Camadas de polissilício e metal podem ser vistas antes e depois do processo de corrosão.
Bulk micromachiningé outro processo amplamente usado para formar componentes funcionais para MEMS. Um único cristal de silício é padronizado e moldado para formar peças tridimensionais de alta precisão, como canais, engrenagens, membranas, bicos, etc. Esses componentes são integrados com outras peças e subsistemas para produzir MEMS completamente funcionais.
Alguns blocos de construção padronizados para processamento de MEMS e componentes MEMS são processos MEMS multiusuário (MUMPs). Esses são os alicerces de uma plataforma que está levando a uma abordagem específica do aplicativo para MEMS, muito semelhante à abordagem específica do aplicativo (ASIC), que tem tido tanto sucesso na indústria de circuitos integrados.
Todas as redes DWDM ópticas e MEMS
Os especialistas em telecomunicações de hoje estão enfrentando desafios sem precedentes para acomodar uma gama cada vez maior de serviços de alta largura de banda em redes de telecomunicações. A demanda por largura de banda está aumentando exponencialmente devido à expansão da Internet e dos serviços habilitados para Internet. A chegada da Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda Densa (DWDM) resolveu essa escassez tecnológica e mudou completamente a economia da rede óptica central.
O DWDM usa um conjunto de comprimentos de onda óticos (ou canais) em torno de 1553 nm com espaçamento de canal de 0,8 nm (100 GHz), cada comprimento de onda pode transportar informações de até 10 Gbps (STM 64). Mais de 100 canais podem ser combinados e transmitidos em uma única fibra. Esforços estão sendo feitos para comprimir ainda mais os canais e aumentar a taxa de bits de dados em cada canal.
Experimentalmente, a transmissão de 80 canais, cada um carregando 40 Gbits / s (equivalente a 3,2 Tbits / s) em uma única fibra foi testada com sucesso em um comprimento de 300 km. A implantação de rede óptica DWDM ponto a ponto e baseada em anel requer um tipo mais novo de elementos de rede que podem manipular sinais em execução sem uma conversão OEO cara. Amplificadores ópticos, filtros, multiplexadores ópticos add drop, desmultiplexadores e cross connect óptico são alguns dos elementos essenciais da rede. MEMS desempenha um papel importante no projeto e desenvolvimento de tais elementos de rede. Discutiremos o Optical Add Drop Mux (OADM) e o Optical Cross Connect (OXC) em detalhes.
Avanço em Comutação Ótica
Um interruptor óptico prático baseado em MEMS foi demonstrado por cientistas do Bell Labs durante o ano de 1999. Ele funciona como uma barra de gangorra com espelho microscópico folheado a ouro em uma extremidade. Uma força eletrostática puxa a outra extremidade da barra para baixo, levantando o espelho que reflete a luz em um ângulo reto. A luz que entra, portanto, se move de uma fibra para a outra.
O sucesso tecnológico é, na verdade, um bloco de construção de uma variedade de dispositivos e sistemas, como multiplexadores add / drop de comprimento de onda, switches de provisionamento óptico, cross-connect óptico e equalizadores de sinal WDM.
Optical Add Drop Multiplexer
Semelhante às redes SDH / SONET baseadas em anel, as redes baseadas em DWDM totalmente ópticas estão começando a decolar. A superioridade da rede baseada em anel sobre a rede mesh já foi estabelecida por projetistas de rede SDH. No anel totalmente óptico, as larguras de banda (ls) podem ser reservadas para fins de proteção. Os multiplexadores ópticos Add Drop (OADM) são funcionalmente semelhantes aos SDH / SONET Add Drop Multiplexers (ADM). Um grupo de comprimentos de onda selecionados (ls) pode ser adicionado ou retirado de um sinal de luz de vários comprimentos de onda. OADM elimina a dispendiosa conversão OEO (óptico para elétrico e reverso).
Uma matriz bidimensional de interruptores ópticos conforme descrito acima é usada para fabricar tal OADM e oferece muito pouca flexibilidade. Os Multiplexadores Add Drop reconfiguráveis (R-OADM), por outro lado, permitem flexibilidade total. Qualquer canal que esteja passando pode ser acessado, descartado ou novos canais podem ser adicionados. O comprimento de onda de um canal específico pode ser alterado para evitar o bloqueio. Os interruptores óticos ou OADM deste tipo são conhecidos como interruptores 2D ou N2 porque o número de elementos de comutação necessários é igual ao quadrado do número de portas e porque a luz permanece em um plano de apenas duas dimensões.
Um OADM de oito portas requer 64 micro espelhos individuais com seu controle em um dispositivo MEMS. É bastante semelhante aos interruptores de 'barra cruzada' usados em centrais telefônicas.
Os interruptores óticos deste tipo foram submetidos a rigorosos testes mecânicos e óticos. A perda média de inserção é inferior a 1,4 db com excelente repetibilidade de ± 0,25 db em 1 milhão de ciclos. OADM tipo 2D / N2 com configuração maior que 32 × 32 (1024 espelhos de comutação) torna-se praticamente impossível de gerenciar e não econômico. Várias camadas de switch fabrics menores são usadas para criar configurações maiores.
Optical Cross Connect
A limitação do switch ótico do tipo 2D foi superada por uma tecnologia de comutação ótica ainda inovadora da Bell Labs. É popularmente conhecido como‘Free Space 3-D MEMS’ ou ‘Light Beam Steering’. Ele usa uma série de micro-espelhos de eixo duplo como uma chave óptica. O micro-espelho é montado em um dos eixos de um conjunto de anéis de gimbal com acoplamento cruzado, por meio de um conjunto de molas de torção. Este arranjo permite que o espelho se mova ao longo de dois eixos perpendiculares em qualquer ângulo desejado. O espelho é acionado por força eletrostática aplicada em quatro quadrantes abaixo do espelho. A unidade de micro-espelho completa é replicada usando a tecnologia MEMS para formar uma 'malha de switch' de 128 ou 256 micro-espelhos.
Uma matriz de fibras de entrada colimadas é alinhada a um conjunto de espelhos que podem redirecionar a luz inclinando o espelho nos eixos X e Y para o segundo conjunto de espelhos alinhados às fibras de saída colimadas. Ao apontar precisamente um conjunto de espelho nas fibras de entrada e saída, uma conexão de luz desejada pode ser feita. Este processo é denominado 'direção do feixe de luz'.
O tempo de comutação do switch 3D MEMS é inferior a 10 ms e os micro-espelhos são extremamente estáveis. As conexões cruzadas ópticas com base nesta tecnologia oferecem várias vantagens exclusivas sobre as conexões cruzadas do tipo OEO. Os OXC são de alta capacidade, escalonáveis e verdadeiramente independentes de taxa de bits de dados e formato de dados. Ele roteia de forma inteligente os canais ópticos sem conversão OEO dispendiosa. Baixa pegada e consumo de energia são vantagens adicionais da tecnologia de comutação totalmente óptica.
Os primeiros sistemas WDM transportavam dois ou quatro comprimentos de onda amplamente espaçados. O WDM e as tecnologias “subsequentes” de CWDM e DWDM evoluíram muito além dessa limitação inicial.
WDM
Os sistemas WDM passivos tradicionais são amplamente difundidos com 2, 4, 8, 12 e 16 contagens de canais sendo as implantações normais. Essa técnica geralmente tem uma limitação de distância de menos de 100 km.
CWDM
Hoje, o WDM grosso (CWDM) normalmente usa espaçamento de 20 nm (3000 GHz) de até 18 canais. A Recomendação CWDM ITU-T G.694.2 fornece uma grade de comprimentos de onda para distâncias alvo de até cerca de 50 km em fibras monomodo conforme especificado nas Recomendações ITU-T G.652, G.653 e G.655. A grade CWDM é composta por 18 comprimentos de onda definidos na faixa de 1270 nm a 1610 nm espaçados por 20 nm.
DWDM
O espaçamento comum de WDM denso pode ser 200, 100, 50 ou 25 GHz com a contagem de canais atingindo até 128 ou mais canais a distâncias de vários milhares de quilômetros com amplificação e regeneração ao longo de tal rota.