evolution of optical networks - sbrtsbrt.org.br/sbrt2012/publicacoes/98767_1.pdf · ftth/ fttb hfc...

Evolution of Optical Networksfrom single wavelengths

to Tb/s and Photonic Switching

� Passado, Presente e Futuro

Evolution of Optical NetworksEvolution of Optical Networksfrom single wavelengths from single wavelengths

to Tb/s and Photonic Switchingto Tb/s and Photonic Switching

�� Passado, Presente e FuturoPassado, Presente e Futuro

mês/2003

Feec-Unicamp BRASIL

Felipe Rudge [email protected]

http://www.dsif.fee.unicamp.br/~rudge/

Save the humans.

SBrT´2012 – Brasilia DF – Brasil

2Direitos Reservados – Blue Sky Consult 211-212

Optical Communications – Introdução Geral

� Introdução Geral� conceitos básicos e definições;

� evolução histórica; gerações de tecnologias; � aspectos econômicos

� Bases Tecnológicas � componentes ativos e passivos; � amplificadores e roteadores óticos;

� Redes Óticas de Transporte e Acesso� redes WDM (tronco e metro) -- Gb/s; Tb/s

� redes óticas acesso -- Mb/s; Gb/s

� redes fotônicas [redes avançadas ] � Comutação Fotônica� Novas tecnologias ( Si-Photon, redes sensores)


Espectro EletromagnEspectro Eletromagnééticotico

LuzvisívelUVRaios-X

0,1 1nm 100 300 400 700 800 1µm 3 10 30 300 1000µm1 10 Å 1mm

IV

UV – ultra-violeta (ultra-violet UV)IV – infra-vermelho (infra-red IR)

próximo médio longo

400 500 600 700

Ē

BExB

cS

1=

Luz IV

Comunicações Ópticas

Dominio da Ótica

Ondas longitudinaisque nãonecessitam meios materiais para propagação.


� 1960 - Invenção Laser � 1962 - Laser Semicondutor (77 K)� 1970 - Laser Semicondutor T amb (300 K) � 1970 - Fibra Óptica (20 dB/km)

� 1973-75 - Laser, Fibras Óticas, Sistemas (no Brasil)

� 1980-84 - Laser 1300/1550 e Fibra Monomodo (0,25 dB/km)

� 1989-91 - Amplificador Ótico

� 1992-94 - Sistemas WDM Longa Distancia ( Internet- WWW)

� 1998- Sistemas WDM Metropolitanos

� 2000-2004 - Redes Óticas

� 2005- futuro - Redes Fotônicas

� Importante salientar que as várias tecnologias podem evoluir superpondo-se, ou podem ser substituídas ao longo do tempo...

HistHist óórico (rico ( marcos marcos tecnologicostecnologicos))

Com.Ópticas - Introdução Geral


Optical Communications – Introdução Geral

• Curtos comprimentos de onda

• Fibra multimodo

• Longos comprimentosde onda

• Fibra monomodo

• Optoeletrônica dealta velocidade

• Amplificação óptica

• Redes WDM• Redes Ópticas de Acesso

•• Processamento Processamento óópticopticode sinaisde sinais

• RedesRedesFotFotôônicasnicas

Anos 70

Anos 90

Anos 2000Redução de Custos de Transmissão e Aumento Capacidade

Alcance e FlexibilizaAlcance e Flexibilizaçãção o das Redes de Telecomunicadas Redes de Telecomunicaçãçãoo

Redes Redes ÓÓpticas Faixapticas Faixa--LargaLargaTransparentes aosTransparentes aosServiServiççosos

EvoluEvoluçãçãooSistemas Sistemas ÓÓpticos pticos

Anos 80

Tempo

Capacidade


Camadas Camadas →→→→→→→→ panorama dinpanorama dinââmico ; mico ; motor tecnolmotor tecnolóógicogico

Redes Ópticas -- Conceitos

�O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar os múltiplos usuários;..(com redes de equipamentos e sistemas inteligentes temos tambem a

Internet das Coisas (IoT) !! http://www.telecoms.com/35445/internet-of-things-grows-21/

Cliente/Usuário

G&C

ServiçosServiServiççosos

Transporte e AcessoTransporte e AcessoTransporte e Acesso

Planta FPlanta Fíísicasica

Rede Rede ÓÓpticapticaPoss

ibili

dade

s

Poss

ibili

dade

s

Deman

das

Deman

das

Novas tecnologias


Introdução Geral – Protocolos de Rede

SDHSDH

WDM Optical NetworkWDM Optical Network

HFC

PDH

ATM

IP

Cenário Atual – (voltaremos a isso..)

MPLS

Ethernet

Serviços

Transporte

Rede óptica

Serviços (3P): voz; dados [Internet, imagem]; video


Optical Communications – Histórico

cada fibramuitos lambdas(amplificados)sem conv. E-O

muitas fibrasmetal

metal

Rede AcessoMultiserviço

muitas fibras

telefonia

telefonia

Rede AcessoMultiserviço

Regeneradoresc/ conv. O-E-O

1R = potencia 2R = + atraso

3R = + forma

EvoluEvoluçãção Sistemas o Sistemas ÓÓpticospticos---- detalhamento detalhamento

Anos 80

Anos 90


� Laser Semicondutor� Led

� Amplificador Ótico

� Sistemas WDM� Redes óticas)� Comutação Fotonica)

� Fotodetor PIN

� Fotodetetor APD

� Fibra Monomodo

� Fibra Multimodo� Free-space...

SistemaReceptor

FotoDetetor

Fibra

SistemaTransmissor

Laser Amp. ótico

Introdução Geral -- conceitos básicos

ida

volta

Enlace (link) Óptico

Cliente Cliente

$ $

Nó A Nó B


Optical Communications – Redes

Redes Redes ÓÓpticas WDMpticas WDM�� presente e futuro presente e futuro

Fibras Ópticas(everywhere)

Central B(comutação eroteamento)Rede Acesso A

Rede Acesso B Rede Acesso C

Rede Tronco(Anéis SDH)

Central A(comutação eroteamento)

Central NRede Acesso N


Natureza & ExtensNatureza & Extensããoo

Redes Ópticas

Acesso <30km

Metro 30-50 km

L.dist. > 50 km

Intercont. >1000km


Redes Ópticas de Acesso

Arquitetura Atual (e futuro próximo)

FTTC/ FTTCb

FTTH/ FTTB

HFC

Host Dig.ER UR

Fibra

MetalUR

UR

coax

par trç.

Central MultServBandLarg

NóOp

Fibra

(ONU)

(OLT )

(ONU)

(ONU)FTTA

Red

e P

ubl.S

ervi

ços

Provedor

Central Comutaçãoe Roteam.

DO

Roteador

(ONU)

(ERB)


De poucos kb/s

para centenas Gb/s

Transmission media – evolution !!

Optical FibersChaos

toOrder


100

10

1

0.1 1 10 100 1 10MHz GHz

Absorptionand

Attenuation Bandwidth

(dB/km)

Twisted pair

Transmission Frequency

(Hz)

Coax

MM Fiber

SM Fiber

Transmission media -- evolution

⇒diferentes meios de transmissão podem coexistir na mesma rede ,mas cuidado com a rede !!

Banda Passante – transmissão cabeada


0.10.1

0.20.2

0.30.3

0.40.4

0.50.5

0.60.6

Ate

nuaç

ão (

dB/k

m)

AFDE

140 nm� 18 THz

Espaçamento dos canais ópticos50-100-200 GHz

30 + 40 nm

AtenuaAtenuaçãção em Fibraso em FibrasÓÓpticaspticas

Rayleigh

IR

OH -80 nm�

13 THz

1600 1700140013001200 15001100Comprimento de Onda (nm)

Transmissão

Visível Infra-vermelho

2a. 3a.1a.850

1550 nm=> 100 Ghz ≈ 0,8nm1310 nm=> 100 Ghz ≈ 0,6nm


� Wavelength Division Multiplexing – multiplexação por divisão de comprimentos de onda (lambda);

� cada fibra (monomodo) suporta dezenas de lambdas, até >1 centena;� cada lambda suporta dezenas de Gb/s... até mais de 100 Gb/s... � portanto, 100λλλλx100G=10Tb, UMA fibra suporta > 10TeraB/s de informação!

� cabos de fibras contém dezenas até centenas de fibras (36, 72, 144)� entretanto, cada fibra requer UM amplificador optico.

Transmission media -- evolution

Sistemas Sistemas WWDDMM em Fibrasem FibrasÓÓpticaspticas

λλλλ1111λλλλ2222λλλλ3333λλλλκκκκλλλλn

uma fibra


Panorama Nacional (parcial)

Rede Óptica de Transporte da Embratel*Ano 2000-2009

Cui

Man

PVeRiB

2005-08

Na verdade tudo isso, e até mais, está implantado e operando !

*o proprietário da rede (linhas fisicas) é oGoverno brasileiro ,Embratel é concessionaria


Panorama Mundial


Protocolos de Transporte em Redes (décadas de desenvolvimento) � Telecom

� PDH – hierarquia digital plesiócrona (meados 1970-1980)� SONET -- rede ótica síncrona (meados 1980-1990-2000) � SDH -- hierarquia digital síncrona (meados 1980-1990-2000)� ... e continuam ...

� Redes Dados (computadores/Internet) � Ethernet (meados 1980-1990-2000)� TCP/ IP (v2,v4,v6..) � ... e continuam ...

Sistemas Ópticos – Protocolos de Transporte


Sistemas Ópticos

Multichannel(WDM)

Singlechannel(EDM)

OPTICALFIBER

SYSTEMS

Terabit Capacity

Gigabit Capacity

EvoluEvoluçãção Capacidade o Capacidade

primeiras linhas telefone

multiplex 12 linhas telefone em par cobre

primeiros sistemas coaxiais

“killer technology”

sistemas avançadoscoaxiais e satelite

=> Optical Communication systems have come to represent a

revolution in telecomm, not just an evolution. (Physics Today, Dec.2001)

Communication Satellites


Aspectos Econômico-Financeiros

The Money...Grana

=> mas quanto custa isso ??


CiênciaCiência TecnologiaTecnologia MercadoMercado

Quem paga a conta ??

SociedadeSociedade

Paga quem compra

ConhecimentoProdutos

Aspectos Tecno-Economicos e Sociais

$$$$


$$ The Money $$

Investimentos em Investimentos em TelecomTelecom& TI & TI (n(nãão o ReceitaReceita))

WWW Internet

“popular”

“Quebra”Nasdaq

Sept. 11

O que aconteceu nos bastidores...

Dow-Jones

Nasdaq

2000-200320002000--20032003


$$ The Money $$

O que aconteceu ... recentemente , mas não acabou ! 2008-200920082008--20092009

Jun

Bovespa => Eixo vertical pontuação diária

Nyse, Nasdaq => Eixo vertical US$ x1mi


The Money (cont.)

Nasdaq

NYSE

2009-201020092009--20102010O que temos ... HOJE !! ( recuperação lenta...)

US$ x1mi

Níveis de investimento em alta-tecnologiaatingiram só em 2011 os níveis Pré-2008 !!


The Money...

Brasil - e a “industria brasileira”... na conta-mão!

X

≈≈≈≈27%


Hoje os Sistemas Óticos são a referencia em Redes de Comunicações; além disso (ou por isso) são :

A única opção para altíssima capacidade (Terabits) nas Redes Longa Distancia e Metropolitanas tronco (backbone); ..

mais alta capacidade nas Redes de Acesso, (debate nos custos..)

� Altíssima confiabilidade e permanência;

� Banda passante maior que qualquer outro meio; o menor (custo/bit) / assinante;

� Permitiram o desenvolvimento mundial da Internet, e viabilizaram telecomunicações (junto com TI ) como uma das duas maiores atividades econômicas do planeta.

lembrando sempre que,

Combinação/composição com outras tecnologias é em geral necessária para múltiplas aplicações e para chegar ao usuário !

�� conclusconclusãão da Introduo da Introduçãção Geral ... o Geral ...

Sistemas & Redes de Comunicação Óptica

Advanced Optical Communications

Tecnologias de Transporte Digital

� Passado, Presente e Futuro

AdvancedAdvanced OpticalOptical Communications Communications

Tecnologias de Transporte DigitalTecnologias de Transporte Digital

�� Passado, Passado, Presente e Presente e FuturoFuturo

mês/2003

LTF-FEEC Unicamp BRASIL

Felipe Rudge Barbosa

Save the humans.

Redes Óticas

2Dire

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2

Redes Óticas

Topologia anel (reconfiguravel p/ malha)

RedeTronco

WDM (denso)/SDH (high

RedeAcesso

WDM fixo/SDH low

Nós da Rede Ótica

Arquitetura

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2

G&CG&C

ServiçosServiServiççosos

Cliente/UsuárioCliente/Usuário

CamadasCamadas& Chamadas & Chamadas →→→→→→→→ compatibilidade compatibilidade ““ verticalvertical”” (ou(outransversa)transversa)

Redes Ópticas -- Conceitos

�O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar clientes e usuários, pros quais a rede deve funcionar de modo transparente e ininterrupto.

TransporteTransporteTransporte

Planta FísicaPlanta FPlanta Fíísicasica

Rede Rede ÓÓpticaptica

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Link

Physical

Application

Transport

Network

Link

Physical

Modelo OTN/ ITU-T

Modelo OSI/ ISO

Telecom Redes Comput Novas

tecnologias

4Dire

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2

Introdução Geral – Protocolos de Rede

SDHSDH

WDM Optical NetworkWDM Optical Network

HFC

PDH

ATM

IP

Cenário Atual --

MPLS

Ethernet

Serviços

Transporte

Rede óptica

Serviços (3P): voz; dados [Internet, imagem]; video

Cliente/Usuário

5Dire

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2

Cliente Cliente

SistemaReceptor

FotoDetetor

Fibra

SistemaTransmissor

Laser Amplif. ótico

ida

volta

Enlace (link) Óptico

Cliente Cliente

Sobre um enlace físico, é preciso haver protocolos de transporte, que são estabelecidos no sistema de transmissão. A transparência do enlace diminui nas bordas e aumenta no backbone óptico.

transparência

Transporte em Redes Ópticas

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2

Evolução Capacidade –três “mundos”...que se integram mais!!

SDH SONET Taxa Canais Voz

Sigla Sigla (Mb/s) (64k)

“STM 0” OC-1 (STS-1) 51,84 672 (810####) STM-1 OC-3 (STS-3) 155,52 1920

-- OC-9 (…) 466,56

STM-4 OC-12 622,08 7680

STM-16 OC-48 2488,32 (2,5 Gb/s )

30720 (**)

STM-64 OC-192 9953,28 (10 Gb/s )

122880 (**)

STM-256 OC-768 39813,12 (40 Gb/s )

491520 (**)

(**) equivalencia ilustrativa apenas.

(#) comunicação digital pura

PDH Taxa Canais de Voz (*)

Sigla (Mb/s)

E-0 0,064 1

E-1 2,048 30

E-2 8,448 120

E-3 34,368 480

E-4 139,264 1920

(*) equivalencia exata.

Ethernet Taxa

Sigla (Mb/s)

10 base T 10

Fast Eth 100

GbE 1 Gb/s

10 GE 10 Gb/s

100 GE 100 Gb/s

Sistemas Ópticos - Transporte

STM-1 pode ser constituído como:* 1 E-4 = 1920 can. voz * 4 E-3 = 1920 can. voz * 63 E-1 = 1890 can. voz

PDH, SDH = ITU-T ; Ethernet = IEEE ; SONET = Telcordia

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2

� Frame SDH � ITU-T Recom. G.707 (rev. March 1996)

T1518000-95

4

3

1

9

5

270 × N columns (bytes)

9 × N 261 × N

STM-N payload9 rows

Section overheadSOH

Section overheadSOH

Administrative unit pointer(s)

Tamanho (“área”) de um container:: STM-16 => (270x16)=4320 by ; 4320x9= 38880 bytes ;

Header=1296; Payload=37584 by

� The STM frame is continuous and is transmitted in a serial fashion, byte-by-byte, row-by-row, taking a total time of 125µs. (which is the same basic transmission procedure of Sonet)

125µs

(bits)

STM-containerSynchronousTransport Module

=> except STM-0 = 90 !!


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� Frame Sonet -- syncronous optical network

GR-253-CORE from Telcordia (ex-Bellcore)

125 µµµµs

� For STS-N, the frame is transmitted as 3xN octets (bytes) of overhead, followedby 87xN octets (bytes) of payload. This is repeated nine times over until810xN octets have been transmitted, taking 125 microseconds.

9 rows(bits)

3 x N bytes 87 x N bytes

90 x N bytes

TOHTransport Overhead

SPESynchronous

Payload Envelope

STS-containerSynchronousTransport Signal

OC- optical carrier


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Ethernet Frame �� pacote com tamanho e duração variáveis !

SPD Preâmbulo Endereço de Destino

Endereço de Origem

Tamanho do campo de dados

Dados Soma de Verificação

1 Byte

8 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 46-1500 Bytes 4 Bytes

FRAME 802.3

Reservado SLD Reservado LLID CRC-8

FRAME Preâmbulo EPON

2 Byes1

Byte2 Byes 2 Byes 1 Byte

Header = 23 By (fixo)

Tamanho mínimo73 By

(mesmo “vazio”= 27+46)

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IEEE 802.3 (CSMA-CD) MAC - Ethernet

⇒ 10 Gigabit Ethernet couples the IEEE 802.3 (CSMA/CD) MAC to a family of 10 Gb/s Physical Layers.

The relationships among 10 Gigabit Ethernet, the IEEE 802.3 (CSMA/CD) MAC, and the ISO Open System Interconnection (OSI) reference model are shown in Figure 44-1, above.

Lasers e fibrasestão aqui

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Internet Protocol Suite (modelo TCP/IP)

Application LayerBGP · DHCP· DNS · FTP · GTP· HTTP · IMAP ·IRC · MGCP · NNTP · NTP · POP· RIP · RPC·

RTP · RTSP· SDP· SIP · SMTP· SNMP· SOAP·SSH· STUN · Telnet· TLS/SSL· XMPP ·

Transport Layer TCP UDP · DCCP· SCTP· RSVP· ECN · (more)

Internet LayerIP IPv4 IPv6) · ICMP · ICMPv6 · IGMP · IPsec·

Link LayerARP · RARP · NDP · OSPF· Tunnels(L2TP) ·

Media Access Control(Ethernet, MPLS,, DSL, ISDN, FDDI) -- Device Drivers·

Fonte (direta): Wikipedia

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Link

Physical

OSI

Protocolos de Transporte

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2

Sistemas & Redes de Comunicação Óptica

� avançando agora pra OTN --

� e detalhes da estrutura SDH

Tanenbaum - Computer Networks

Transporte SDH e Transporte Óptico WDM

(OTN, ASON)

Transporte SDH e Transporte Óptico WDM

(OTN, ASON)

ITU-T G.707, G.8080, G.709

2007-2006-2009

(in force)

Quadros, Pacotes e Containers

Pacotes – dezenas até centenas de bytes Quadros – centenas até (poucos) milharesContainers – vários milhares de bytes

Sistemas ConvencionaisRedes IP – pacotes IP sobre

Rede Ethernet – quadros Eth sobre

Redes SDH/Sonet – container/frame STM/STS

Redes Avançadas“Qualquer Coisa”sobre WDM - OTN

RedesRedesÓÓticasticas

� Hierarquia digital sincrona, desenvolvida na década de 1980;

� Embora SDH seja desde inicio para Redes Óticas, o enorme legado dastelecom (outros formatos e outras hierarquias) tem que ser sempre considerado;

� Historicamente, 22 anos (1988-2010..)

� ... Ao que se vê, continuará por mais um bom tempo! (10, 20 anos)...

� Definições:

� STM-N – synchronous transport module; é o quadro (frame) que vai efetivamente ser transportado na fibra otica; hierarquia N;

� AUG – administrative unit group; hierarquia N ;

� TUG – tributary unit group; hierarquia N ;

� VC – virtual container ; unidade básica do quadro SDH;

Transporte SDH

Transporte Ótico

SDHSDHSDHSDH2007in force

Transporte SDH

Hierarquias SDH/Sonet

SDH SONET Taxa Canais Voz

Sigla Sigla (Mb/s) (64k)

“STM 0” OC-1 (STS-1) 51,84 672 (810####) STM-1 OC-3 (STS-3) 155,52 1920

-- OC-9 (…) 466,56

STM-4 OC-12 622,08 7680

STM-16 OC-48 2488,32 (2,5 Gb/s )

30720 (**)

STM-64 OC-192 9953,28 (10 Gb/s )

122880 (**)

STM-256 OC-768 39813,12 (40 Gb/s )

491520 (**)

(**) equivalencia ilustrativa apenas.

(#) comunicação digital pura

Mux SDH

Fonte: ITU-T Rec. G.707/Y.1322 (Jan2007)

Virtual Containers


Frame SDH


(bits)

� G.709 -- Interfaces para Rede de Transporte Ótico (OTN);

� Hierarquia digital para redes WDM, (optical transport hierarchy, OTH), desenvolvida no final década de 1990;

� supports the operation and management aspects of optical networks of

various architectures, e.g., point-to-point, ring and mesh architectures;

� Administra a multiplexação de redes WDM em unidades de transporte ótico;

� transporte SDH (e outros..) está contido dentro de cada UM canal ótico;

� continuará por mais algumas décadas...mas evoluindo, e adaptando !!

� por vezes a evolução requer uns passos atrás !!...

Transporte Ótico

Fonte: ITU-T Rec. G.709/Y.1331 (Mar2003)

Transporte Ótico

OTNOTNOTNOTN2003-2009in force

� Definições: � OTM (n.m) – optical transport module; é um quadro (frame) que vai administrando o

trasnporte WDM na fibra otica; the indices n and m define the number of supported

wavelengths and bit rates at the interface;

� OTU (k) -- optical channel transport unit ; the OTUk is the information structure used for transport of an ODUk over one or more optical channel connections.

� It consists of the optical channel data unit and OTUk related overhead (FEC and overhead for management of an optical channel connection). It is characterized by its frame structure, bit rate, and bandwidth. OTUk capacities for k = 1, k = 2, k = 3 are defined ;

� ODU (k) -- optical channel data unit; the ODUk is an information structure consisting of

the information payload (OPUk) and ODUk related overhead;

� OPU (k) -- optical channel payload unit (OPUk); the OPUk is the information structure used to adapt client information for transport over an optical channel. It comprises client information together with any overhead needed to perform rate adaptation between the client signal rate and the OPUk payload rate;

� k -- the index "k" is used to represent a supported bit rate and the different versions of

OPUk, ODUk and OTUk.

� k = 1 represents an approximate bit rate of 2.5 Gbit/s, k = 2 represents an approximate bit rate of 10 Gbit/s, and k = 3 represents an approximate bit rate of 40 Gbit/s

� TUG – tributary unit group; hierarquia N ;

Transporte Ótico

empa

cota

men

to

Frame OTM

� The order of transmission of information in all the diagrams in this Recommendationis first from left to right and then from top to bottom. Columns are bytes and rows are bits.

The most significant bit (bit 1) is transmitted first.

Clie

nt P

aylo

ad

Montagem: OTM � OTU � ODU � OPU � client “stuff”

(bytes)

(bits

)

OTM construction

Transporte Ótico

ITUITUITUITU----T Recommendation T Recommendation T Recommendation T Recommendation G.8080G.8080G.8080G.8080/Y.1304/Y.1304/Y.1304/Y.1304

�o passo atrás passou a frente...... e de novo foi passado !

ASONASONASONASON2006

Transporte Ótico

ITUITUITUITU----T Recommendation T Recommendation T Recommendation T Recommendation G.8080G.8080G.8080G.8080/Y.1304 (/Y.1304 (/Y.1304 (/Y.1304 (ASONASONASONASON) ) ) )

Control PlaneControl Plane

OpticalTransport Plane

OpticalTransport Plane

Management PlaneManagement Plane

ASONASONASONASON2006

Optical SystemsEvolution

Fonte: Ram Singh, David Harame, Modest Oprysko, Silicon Germanium – Technology, Modeling, and Design, IBM Technology, IEEE Press/ John Wiley, New Jersey, USA, 2004.

Fim desta parte=> Redes Avançadas

..OPS,OBS,OCS

evolution of optical networks - sbrtsbrt.org.br/sbrt2012/publicacoes/98767_1.pdf · ftth/ fttb hfc...

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