Redes GPON: arquitetura, funcionamento e implementação de FTTH

O GPON (Rede Ótica Passiva Gigabit) é a tecnologia em que assenta a quase totalidade das implantações de FTTH em França e na Europa. Normalizada pela ITU-T sob a referência G.984, permite que um único equipamento central sirva até 128 assinantes através de uma rede de fibras e divisores passivos. Compreender a sua arquitetura e o seu funcionamento é essencial para qualquer profissional envolvido na conceção, implementação ou manutenção de redes de fibra ótica.

Definição e normas do GPON

O GPON é definido pela série de normas ITU-T G.984 (G.984.1 a G.984.6), publicadas entre 2003 e 2008. O seu nome completo — Rede Ótica Passiva com capacidade Gigabit — aponta duas características fundamentais: velocidades da ordem do gigabit e uma infraestrutura de distribuição totalmente passiva (sem alimentação elétrica entre a central e o assinante).

Os seus principais parâmetros de transmissão:

• Caudal descendente (OLT → ONU): 2,488 Gbps partilhados entre todos os assinantes de uma porta PON
• Valor do débito (ONU → OLT): 1,244 Gbps partilhados
• Comprimentos de onda : 1490 nm (descendente) / 1310 nm (ascendente) (+ 1550 nm para televisão analógica CATV opcional)
• Alcance máximo : 20 km entre o OLT e o ponto mais distante da ONU
• Rácio máximo de divisão : 1:128 (normalmente entre 1:32 e 1:64 nas implantações reais)

A título de comparação, a geração seguinte — XGS-PON (G.9807.1) — multiplica por 4: 10 Gbps simétricos de descarga e carga, na mesma infraestrutura de fibra e nos mesmos divisores.

Arquitetura de uma rede GPON: os 3 segmentos

Uma rede GPON divide-se em três segmentos sucessivos, cada um com uma função e equipamentos específicos:

Segmento 1 — Rede de transporte (Feeder)

A fibra de transporte liga oOLT (Terminal Ótico de Linha), situado no NRO (Nó de Ligação Ótica) do operador, até ao primeiro nível do divisor na rua ou no edifício. Este segmento utiliza normalmente cabos de alta densidade de fibras (48 a 288 fibras) instalados em condutas subterrâneas. A fibra é aqui um recurso valioso — cada fibra de transporte serve dezenas de assinantes a jusante.

Segmento 2 — Rede de distribuição

Este segmento vai desde os divisores de primeiro nível (1:4 ou 1:8) até aos divisores de segundo nível (1:8 ou 1:16) localizados na base dos edifícios ou nas caixas de rua (PBO). Trata-se do núcleo passivo da rede — sem qualquer equipamento ativo, apenas fibra ótica e divisores óticos. A manutenção deste segmento é praticamente nula ao longo de 25 a 30 anos.

Segmento 3 — Rede de ligação (Drop)

Este último segmento liga o PBO à habitação ou às instalações do assinante — normalmente uma fibra individual com 50 a 200 m, instalada na fachada ou no subsolo. Termina na PTO (Tomada Ótica Terminal) de parede na habitação, onde o assinante liga o seu cabo de ligação à ONU ou ao modem da operadora.

Como funciona o GPON: GEM, TDMA e DBA

A particularidade técnica do GPON reside no seu protocolo de transporte e no seu método de acesso ao meio partilhado. É necessário compreender três mecanismos:

GEM (Método de Encapsulamento GPON)

O GPON não utiliza a Ethernet nativa para encapsular os dados (ao contrário do EPON). Utiliza o seu próprio protocolo de transporte, o GEM, que encapsula todas as tramas Ethernet, IP, VoIP e IPTV em quadros GEM de dimensão variável. Cada fluxo de serviço (Internet, voz, televisão) é identificado por um GEM Port-ID único — o que permite uma separação clara dos serviços sem necessidade de VLANs complexas.

TDMA — Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo

No sentido descendente, o OLT transmite em fluxo contínuo para todas as ONU — cada ONU lê apenas os quadros que contêm o seu identificador (PLOAM). No sentido ascendente, várias ONU partilham a mesma fibra em direção ao OLT: para evitar colisões, o OLT atribui a cada ONU intervalos de tempo intervalos precisos (na ordem da microssegundo) durante os quais está autorizado a transmitir. Este é o princípio do TDMA.

DBA — Atribuição Dinâmica de Largura de Banda

A atribuição TDMA não é fixa: o DBA ajusta dinamicamente a largura de banda atribuída a cada ONU em função do seu tráfego em tempo real. Um assinante inativo liberta largura de banda para um vizinho que esteja a fazer uma transferência. Os algoritmos DBA estão definidos nos perfis T-CONT (Traffic Container) — cada T-CONT corresponde a um nível de garantia de serviço (Best Effort, Committed Information Rate, etc.).

Segurança e encriptação nas redes GPON

Uma rede GPON é uma rede partilhada: no sentido descendente, todas as tramas transmitidas pelo OLT são recebidas por todas as ONUs da mesma porta PON. Sem proteção, uma ONU mal-intencionada poderia aceder ao tráfego das suas vizinhas.

O GPON integra dois mecanismos de segurança:

• Encriptação AES-128 do tráfego descendente — cada ONU dispõe de uma chave AES única, negociada com o OLT no momento do registo. O tráfego de um assinante é ilegível para os seus vizinhos, mesmo que estes captem fisicamente o sinal.
• Autenticação da ONU através do número de série — Cada ONU possui um número de série GPON único (8 caracteres hexadecimais). O OLT apenas valida as ONUs cujo número de série conste na sua lista de permissões, impedindo ligações não autorizadas.

Nas implementações empresariais, é frequentemente adicionada uma camada de segurança adicional através de VLAN por assinante e as regras de filtragem MAC do lado do OLT — mesmo que um ONU não autenticado conseguisse registar-se, só veria a sua própria VLAN isolada.

GPON residencial, empresarial e para campus

Embora o GPON tenha surgido para o FTTH residencial, as suas qualidades — elevado débito, infraestrutura passiva, longo alcance, multisserviços — levaram à sua adoção em ambientes muito mais amplos:

FTTH residencial — o caso de utilização original. Um OLT na central fornece serviço a um edifício ou a um bairro inteiro. Cada habitação dispõe de um ONU ou de uma caixa que integra um ONT GPON. Os operadores franceses (Orange, SFR, Bouygues) exploram milhões de portas GPON.

Rede empresarial e campus — O GPON substitui com vantagem a cablagem Ethernet de cobre em edifícios de grandes dimensões. Um OLT, instalado numa sala técnica central, serve as UNOs em espaços abertos, salas de reuniões e andares através de fibras passivas. Sem switches intermédios, sem alimentação na canalização técnica — a manutenção resume-se a uma intervenção apenas no OLT.

Hotelaria e residências com serviços — O GPON é ideal para hotéis e residências geridas: cada quarto dispõe da sua própria ONU (Internet, telefonia, IPTV), sendo a gestão centralizada efetuada através do software EMS do OLT. Consulte o nosso Estudo de caso da Hotenet para um exemplo concreto de instalação hoteleira totalmente baseada em GPON.

Zonas rurais e redes de iniciativa pública (RIP) — O alcance de 20 km da rede GPON permite servir aldeias afastadas a partir de um único NRO, sem necessidade de multiplicar os equipamentos ativos intermédios.

Planear uma implementação GPON

A conceção de uma rede GPON assenta em quatro parâmetros interdependentes:

1. Número de assinantes e rácio de divisão

A relação de divisão total (produto de todos os níveis de divisores no percurso OLT → ONU) determina quantos assinantes partilham uma porta PON. Uma relação de 1:4 × 1:16 = 1:64 é a mais comum em implementações residenciais. Abaixo de 1:32, cada assinante dispõe de uma largura de banda confortável, mesmo em horários de ponta.

2. Orçamento para equipamento ótico

A soma de todas as perdas ao longo do percurso (cabo, conectores, divisores) deve permanecer inferior ao orçamento ótico da classe de equipamento:

• Classe B+: orçamento de 28 dB — padrão para implantações urbanas até 20 km
• Classe C+: consumo de 32 dB — para longas distâncias ou rácios de divisão elevados
• Classe C++: limite de 35 dB — para implantações ultradensas ou zonas rurais extensas

3. Arquitetura do divisor

Duas abordagens: sistema de refrigeração centralizado (splitter único 1:64 em NRO, fibra dedicada até cada assinante) ou divisão distribuída em cascata (1:4 em NRO + 1:16 em PBO). A divisão centralizada simplifica a manutenção, mas consome mais fibras de transporte. A divisão distribuída otimiza a utilização dos cabos, mas implica uma maior complexidade dos nós intermédios.

4. Capacidade do OLT e escalabilidade

Um OLT de 4 portas PON suporta até 256 assinantes (rácio de 1:64). Preveja uma margem de 20 a 30 % para expansão futura e opte por um OLT cujas placas de linha sejam substituíveis, de modo a permitir uma migração de GPON para XGS-PON sem necessidade de substituir o chassis.

Migração de GPON para XGS-PON 10G

O GPON padrão (2,5G/1,25G) atinge os seus limites face às utilizações intensivas da nuvem e à multiplicação dos dispositivos ligados. A migração para o XGS-PON (10G/10G) está a decorrer em todos os operadores europeus.

A boa notícia: O XGS-PON e o GPON coexistem na mesma infraestrutura. Ambas as tecnologias utilizam comprimentos de onda diferentes (1270/1577 nm para XGS-PON vs. 1310/1490 nm para GPON), o que permite a sua coexistência através de filtros WDM nos mesmos cabos e divisores. A migração é, portanto, efetuada UNO a UNO — o equipamento do assinante é substituído durante uma intervenção no terreno, sem alterar a rede de distribuição passiva.

No que diz respeito ao OLT, os equipamentos modernos suportam placas de linha GPON e XGS-PON no mesmo chassis. Uma porta PON pode mesmo servir simultaneamente ONUs GPON (antigos assinantes) e ONUs XGS-PON (novos assinantes) com um OLT COMBO.

Perguntas frequentes — redes GPON