A maioria das tecnologias de banda larga coloca eletrônica entre você e o provedor: um armário com energia, refrigeração e componentes que falham. O , sigla de Gigabit (rede óptica passiva gigabit), aposta no contrário. Entre o equipamento do provedor e a sua casa só existe vidro: fibras e pequenos splitters ópticos (divisores de luz) que não precisam de energia nenhuma. Só essa decisão de projeto já explica quase todo o resto do funcionamento.

Origens: quem chegou ao limite foi o cobre, não a fibra

A fibra até a casa (, fiber to the home) já era tecnicamente possível décadas antes de ficar acessível. O obstáculo nunca foi o vidro. O problema era que dar a cada assinante uma fibra dedicada até a central exigia uma porta, um laser e uma fibra por cliente, um custo que cresce de forma linear com o número de assinantes, exatamente o tipo de custo que uma operadora de telefonia não consegue bancar.

A rede óptica passiva (PON, passive optical network) é a resposta a esse problema econômico, e o que a define está numa palavra só: passiva. O splitter entre a central e as casas não tem alimentação elétrica, não tem eletrônica e não tem nada que possa falhar: ele divide a luz que chega entre as suas saídas e junta a luz que volta. Uma porta cara na central é compartilhada por muitas casas, e essa planta compartilhada não precisa de armário, nem de retificador, nem de visita de manutenção.

Essas gerações são padronizadas e vale a pena conhecê-las, porque há redes em operação de todas elas:

  • APON/BPON (ITU-T G.983, fim dos anos 1990): a primeira geração, baseada em , com velocidades modestas; foi a prova de que a divisão passiva funcionava em campo.
  • GPON (ITU-T G.984, de 2003 em diante): a mais implantada, com 2,488 Gbps no downstream (da central para as casas) e 1,244 Gbps no upstream (das casas para a central), compartilhados por toda a árvore.
  • EPON e 10G-EPON ( 802.3ah e sucessores): o ramo nativo em , dominante em partes da Ásia; a mesma física, com outro enquadramento (framing).
  • XG-PON e XGS-PON (ITU-T G.987, G.9807.1): 10 Gbps, sendo o XGS-PON simétrico. O ponto crucial é que eles usam comprimentos de onda diferentes dos do GPON, e assim a operadora pode rodá-los sobre a mesma fibra e o mesmo splitter e migrar os assinantes um a um.
  • NG-PON2 e 25/50G-PON: vários comprimentos de onda por fibra e taxas maiores, pensados tanto para backhaul móvel e serviços corporativos quanto para residências.

É essa convivência de comprimentos de onda na mesma fibra que faz da planta passiva um investimento tão bom: a eletrônica das duas pontas é trocada a cada geração, enquanto o vidro, os splitters e a obra civil, que são a parte cara e que mais transtorno causa, continuam lá.

A árvore de vidro

Uma rede GPON tem a forma de uma árvore. Na raiz, na central do provedor ou num armário de rua, fica a (Optical Line Terminal), o terminal de linha óptica. De uma porta da OLT sai uma única fibra em direção ao bairro. No caminho, ela passa por um ou mais splitters ópticos: componentes passivos que dividem a luz entre os ramos, como um divide um feixe de luz. Um splitter 1:2 manda metade da luz para cada lado; com as divisões em cascata, chega-se às razões mais comuns, de 1:32, 1:64 ou 1:128 assinantes compartilhando uma porta da OLT.

Em cada folha da árvore fica uma (Optical Network Terminal), a caixinha na parede da sua casa que converte a luz de volta em Ethernet. As normas também a chamam de ONU (Optical Network Unit), e os técnicos de campo usam os dois nomes como sinônimos.

Entre a OLT e a ONT, nada recebe energia elétrica. Não há eletrônica de armário para falhar numa onda de calor, nem bateria para trocar, nem nada que uma tempestade faça reiniciar. A planta é só vidro, conectores e bandejas de emenda. É daí que vem o passiva do nome, e é por isso que essa arquitetura venceu na era do FTTH: as partes caras e sujeitas a falha ficam só nas duas pontas.

Downstream: todo mundo ouve tudo

Como o splitter divide a luz sem fazer distinção, toda ONT da árvore recebe tudo o que a OLT transmite. O downstream do GPON é um broadcast a 2,488 gigabits por segundo: os frames (quadros) do seu vizinho chegam fisicamente à sua ONT, e os seus chegam à dele.

O sistema resolve isso do único jeito possível: com criptografia. O tráfego de downstream de cada assinante é criptografado com (Advanced Encryption Standard), com chaves negociadas para cada ONT; assim, os frames que a sua ONT não consegue decifrar são só ruído para ela. A ONT filtra pelo identificador e decifra apenas o que é dela. Aqui, privacidade num meio compartilhado não é gentileza; é exigência do protocolo.

Upstream: luz com hora marcada

O upstream é o problema mais difícil. Se duas ONTs transmitissem ao mesmo tempo, a luz das duas colidiria no splitter, porque ele funciona nos dois sentidos: junta a luz com a mesma facilidade com que a divide. Por isso, o upstream do GPON, a 1,244 gigabit por segundo, usa TDMA (Time Division Multiple Access, acesso múltiplo por divisão de tempo): a OLT concede a cada ONT time slots (janelas de tempo) precisos, e cada ONT só liga o laser, em bursts (rajadas), quando recebe autorização.

Para essa agenda funcionar, a OLT precisa saber a que distância está cada ONT: a luz de uma casa a 1 km e a de uma casa a 19 km levam tempos mensuravelmente diferentes para chegar. Na ativação, a OLT faz o ranging: mede o atraso de ida e volta (round-trip delay) de cada ONT e atribui a ela um atraso de equalização (equalization delay), para que cada burst caia no seu slot, seja qual for a distância. É por isso que uma ONT nova leva um momento para ficar online, e é por isso que a norma limita o alcance diferencial de uma árvore, isto é, a diferença de distância entre a ONT mais próxima e a mais distante.

A assimetria, 2,488 no downstream e 1,244 no upstream, foi uma aposta deliberada no perfil de tráfego dos anos 2000. O sucessor, o XGS-PON, em que XGS quer dizer 10 Gigabit Symmetric (10 gigabits simétricos), paga essa dívida: 10 gigabits nos dois sentidos, normalmente sobre o mesmo vidro, em comprimentos de onda diferentes, o que permite ao provedor rodar as duas gerações na mesma árvore durante a migração.

Para onde vão os decibéis

Todo link óptico trabalha com um orçamento de potência (power budget): o transmissor lança tantos dB de luz, o receptor precisa de tantos para enxergar o sinal, e tudo o que fica no meio gasta a diferença. A óptica GPON classe B+, a mais comum, tem um orçamento de cerca de 28 dB de ponta a ponta.

Quem mais gasta são os splitters. Cada divisão 1:2 custa cerca de 3,5 dB (metade da luz, por definição, mais uma pequena perda), então uma árvore 1:64 gasta uns 21 dB só com a divisão. A fibra em si consome cerca de 0,35 dB por quilômetro nos comprimentos de onda do GPON; cada conector, uns 0,3 dB; cada emenda por fusão, alguns centésimos. Somando tudo, uma divisão 1:64 a 20 km chega perto do limite do orçamento, e esse é exatamente o ponto de projeto da norma.

Essa conta faz parte do dia a dia do técnico de provedor. Um conector sujo que come 2 dB, um cabo drop dobrado além do raio mínimo de curvatura, uma emenda mecânica malfeita: qualquer um desses problemas pode levar para fora do orçamento uma folha da árvore que já estava no limite, e a falha aparece como perda de pacotes sem explicação, e não como falta de luz. O (Optical Time-Domain Reflectometer, reflectômetro óptico no domínio do tempo) existe para transformar esse mistério numa distância: ele dispara um pulso, lê as reflexões, e o traço mostra a quantos metros está o ponto onde o orçamento está vazando.

Arquitetura e os números que definem um projeto

A razão de divisão (split ratio) é o trade-off central. Uma divisão 1:32 reparte a capacidade de uma porta entre 32 casas; com 1:64, a fatia de cada casa cai pela metade, e o custo por assinante também. As divisões também costumam ser feitas em cascata: um splitter 1:4 num armário de rua alimenta splitters 1:16 nos postes, o que muda o ponto onde a perda acontece, mas não a perda total.

O orçamento de perdas é o próprio projeto. Cada divisão custa luz: cerca de 3,5 dB a cada vez que o número de saídas dobra, ou seja, algo como 17-18 dB para 1:32 e 20-21 dB para 1:64, antes de somar a atenuação da fibra, as emendas e os conectores. As normas definem classes ópticas com um orçamento total, e projetar é simplesmente fazer a conta para caber dentro dele. É por isso que, num 1:64, o assinante distante tem falhas enquanto outro, mais perto e na mesma árvore, funciona bem, e é por isso que a solução muitas vezes é mudar a razão de divisão, e não o fabricante.

O alcance costuma ir até 20 km, e, na prática, o que limita normalmente é o orçamento de perdas, não a distância.

A terminologia, que todo documento dá como conhecida. A OLT (optical line terminal) é o equipamento do lado da central; a ONT ou ONU (optical network terminal ou optical network unit) é o aparelho na casa do assinante; a ODN (optical distribution network) é a planta passiva entre as duas.

Ranging e equalização. Como as casas ficam a distâncias diferentes, os bursts de upstream colidiriam mesmo com um escalonamento perfeito. A OLT mede o atraso de ida e volta de cada ONT e lhe passa um ajuste de equalização, para que cada burst chegue no seu slot, seja qual for a distância. É também por isso que uma ONT rogue, transmitindo fora do seu slot, degrada a árvore inteira, e por isso encontrá-la é uma caçada na camada física, e não uma revisão de configuração.

A segurança é consequência da topologia. Os frames de downstream chegam a todas as casas da árvore, então a criptografia não é um enfeite opcional: o GPON criptografa o tráfego de downstream de cada assinante, com a chave definida na ativação. Quem já estudou meios compartilhados vai reconhecer o argumento das redes wireless: se o meio é compartilhado, a confidencialidade precisa ser acrescentada, e não presumida.

Interoperabilidade e dependências

A interoperabilidade é o ponto fraco. As normas especificam a óptica e o enquadramento, mas historicamente deixaram de fora a interface de gerência do equipamento da casa; por isso, uma OLT e uma ONT de fabricantes diferentes muitas vezes não interoperam por completo. O OMCI, o canal de gerência definido nas normas, é o que torna possível uma rede com vários fabricantes, e saber até onde cada fabricante implementa o OMCI é uma questão de compra com efeitos de longo prazo, porque a operadora presa a um único fornecedor de ONT só descobre isso no pior momento: numa falta de equipamentos no mercado.

Fora a óptica, as dependências que de fato derrubam o serviço são as que estão em volta dela: a energia na casa (a rede de fibra só sobrevive a uma queda de energia enquanto durar a bateria da ONT, e foi por isso que a telefonia sobre fibra mudou as premissas das chamadas de emergência); a plataforma de gerência de assinantes, que autoriza a ONT a entrar na árvore; a atribuição de endereços e o CGNAT (carrier-grade NAT) por trás dela; e os registros físicos: uma rede passiva não tem como dizer qual porta de qual splitter atende qual casa, então a documentação é a topologia.

Os fabricantes, por categoria

  • Grandes fabricantes de telecom: Huawei, Nokia, ZTE, Ericsson. Plataformas de OLT em escala de operadora, integração profunda com os próprios sistemas de gerência e as restrições geopolíticas que hoje definem quais deles uma operadora pode implantar.
  • Especialistas em acesso: Calix, Adtran, DZS e similares, fortes entre operadoras regionais e comunitárias, normalmente com uma plataforma de gerência pensada para equipes de engenharia menores.
  • Merchant silicon e white box: chips da Broadcom por baixo de boa parte do mercado, com sistemas de gerência abertos e OLTs desagregadas, que atraem as operadoras que querem escapar de ONTs amarradas a um fabricante.
  • Fornecedores de ONT, muitas vezes diferentes do fabricante da OLT, e é exatamente aí que a questão da interoperabilidade do OMCI pega.

Na hora da compra, a pergunta que importa não é a taxa da linha, que as normas já fixam. É quais ONTs a OLT vai aceitar e gerenciar, porque é isso que decide se a operadora tem um único fornecedor ou um mercado inteiro à disposição.

Para lembrar

Uma fibra, dividida de forma passiva e compartilhada por agenda. O downstream é um broadcast criptografado; o upstream é um coral cronometrado, regido pela OLT. O projeto inteiro troca eletrônica no campo por contas em decibéis, e, quando o GPON se comporta mal, a resposta quase sempre está nessas contas.

Fontes

Cada taxa de linha e geração citada acima é uma Recomendação ITU-T com número, portanto cada uma pode ser conferida na fonte em vez de em folha de dados de fabricante.