Uma segunda classe importante de aplicações de fibras ópticas em sistemas de comunicações, em fase formidável expansão, é a dos sistemas locais. Aqui destacam-se as redes locais de computadores, utilizadas em sistemas privados de comunicações, voltados, principalmente, para a automação de escritórios e automação industrial. Também , pode ser incluída nesta classe de aplicações a integração de serviços a nível da rede publica urbana de assinantes (RDSI).
Rede Telefónica
Uma das aplicações pioneiras das fibras ópticas em sistemas de comunicações corresponde aos sistemas tronco de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano. Os sistemas tronco exigem sistemas de transmissão (em geral, digitais) de grande capacidade, envolvendo distâncias que vão, tipicamente, desde algumas dezenas até centenas de quilómetros e, eventualmente, em países com dimensões continentais, até milhares de quilómetros. As fibras ópticas, com suas qualidades de grande banda passante e baixa atenuação, atendem perfeitamente a esses requisitos.
Uma das aplicações pioneiras das fibras ópticas em sistemas de comunicações corresponde aos sistemas tronco de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano. Os sistemas tronco exigem sistemas de transmissão (em geral, digitais) de grande capacidade, envolvendo distâncias que vão, tipicamente, desde algumas dezenas até centenas de quilómetros e, eventualmente, em países com dimensões continentais, até milhares de quilómetros. As fibras ópticas, com suas qualidades de grande banda passante e baixa atenuação, atendem perfeitamente a esses requisitos.
Figura 2.2 Comparação do custo relativo de diferentes meios de transmissão de alta capacidade {5, 6} A alta capacidade de transmissão e o alcance máximo sem repetidores, permitidos pelos sistemas de transmissão por fibras ópticas, minimizam os custos por circuito telefónico, oferecendo vantagens económicas significativas. A Figura 2.2, por exemplo, compara os custos relativos de sistemas troncos digitais, a 140 Mbps e 560 Mbps, utilizando fibras ópticas e cabos coaxiais {5, 6}. A interligação de centrais telefónicas urbanas é uma outra aplicação das fibras ópticas em sistemas de comunicações. Embora não envolvam distâncias muito grandes (tipicamente da ordem de 5- 20 Km), estes sistemas usufruem da grande banda passante das fibras ópticas para atender a uma demanda crescente de circuitos telefónicos em uma rede física subterrânea geralmente congestionada. Inúmeros sistemas deste tipo estão instalados deste tipo estão instalados no país e no exterior.
No Japão, desde 1985, está instalado um sistema tronco nacional de telefonia com fibras ópticas, a 400 Mbps, interconectado várias cidades ao longo de um percurso de 3400 Km, com espaçamento entre repetidores de até 30 Km {7}. Com a flexibilidade de expansão permitida pelas fibras ópticas, já está sendo experimentada uma ampliação da capacidade de transmissão do sistema tronco para 1,7 Gbps. Nos EUA, os sistemas tronco da rede telefónica, instalados até o final de 1987, já consumiram mais de um milhão de quilómetros de fibras ópticas {8}. O espaçamento típico entre repetidores nos sistemas tronco americanos é de 48 Km e a taxa de transmissão é de 417 Mbps, prevendo-se também uma futura expansão da capacidade do sistema para 1,7 Gbps.
Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI)
No Japão, desde 1985, está instalado um sistema tronco nacional de telefonia com fibras ópticas, a 400 Mbps, interconectado várias cidades ao longo de um percurso de 3400 Km, com espaçamento entre repetidores de até 30 Km {7}. Com a flexibilidade de expansão permitida pelas fibras ópticas, já está sendo experimentada uma ampliação da capacidade de transmissão do sistema tronco para 1,7 Gbps. Nos EUA, os sistemas tronco da rede telefónica, instalados até o final de 1987, já consumiram mais de um milhão de quilómetros de fibras ópticas {8}. O espaçamento típico entre repetidores nos sistemas tronco americanos é de 48 Km e a taxa de transmissão é de 417 Mbps, prevendo-se também uma futura expansão da capacidade do sistema para 1,7 Gbps.
Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI)
Figura 2.3 Evolução da rede de assinantes: a-) fibra óptica para CATV; b-) sistema integrado; c-) apenas fibra óptica.
A rede local de assinantes, isto é, a rede física interligado os assinantes à central telefónica local, constitui uma importante aplicação potencial de fibras ópticas na rede telefónica. Embora as fibras ópticas não sejam ainda totalmente competitividade com os pares metálicos, a partir da introdução de novos serviços de comunicações (videofone, televisão, dados etc.), através das Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSI), o uso de fibras ópticas na rede de assinantes tende a ser imperativo. A Figura 2.3 ilustra a evolução no uso de fibras ópticas na rede de assinantes em RDSI {9}.
Figura 2.4 Arquitecturas para a rede de distribuição dos assinantes com fibras ópticas.
A grande banda passante oferecida pelas fibras ópticas, além de suportar novos serviços de transmissão permite configurar a rede de assinantes em topologias mais económicas em termos de cabeação (Figura 2.4). Além disso, com as grandes quantidades de fibras ópticas necessárias para a rede de assinantes, o custo dos cabos ópticos deve cair consideravelmente, aproximando-se do custo dos cabos com pares metálicos.
Um outro desafio a considerar para a disseminação de fibras ópticas na rede de assinantes, além da redução dos custos actuais, é a interfaces ópticas adequadas aos aparelhos telefónicos. Essas interfaces exigem, por exemplo, a implementação de técnicas para accionamento da campainha e energização do aparelho telefónico via fibra óptica. Com os avanços da tecnologia de componentes optoeletrónicos e dispositivos de óptica integrada espera-se, entretanto, soluções satisfatórias num futuro não muito distante.
Um outro desafio a considerar para a disseminação de fibras ópticas na rede de assinantes, além da redução dos custos actuais, é a interfaces ópticas adequadas aos aparelhos telefónicos. Essas interfaces exigem, por exemplo, a implementação de técnicas para accionamento da campainha e energização do aparelho telefónico via fibra óptica. Com os avanços da tecnologia de componentes optoeletrónicos e dispositivos de óptica integrada espera-se, entretanto, soluções satisfatórias num futuro não muito distante.
O uso de fibras ópticas em redes de assinantes em cidades- piloto tem servido como laboratório, em diversos países, para o desenvolvimento da tecnologia de fibras ópticas e de novos serviços suportados pela rede telefónica (RDSI). É o caso, por exemplo, do projecto Biarritz {10} na França e do sistema BIGFON {11} na Alemanha. Em Tóquio, no Japão, experimenta-se desde 1984 o Sistema Modelo INS, envolvendo a transmissão por fibras ópticas de voz digitalizada, dados, fac-símile colorido e imagem, para mais de 300 assinantes {12}. Nos EUA, a AT&T oferece desde 1985 o sistema VIVID da AT&T usa fibras ópticas para conectar o terminal de vídeo digital do assinante ao comutador de vídeo na central telefónica local, a uma taxa de 45 Mbps.
Cabos Submarinos
Os sistemas de transmissão por cabos submarinos, parte integrante da rede internacional de telecomunicações, é uma outra classe de sistemas onde as fibras ópticas cumprem actualmente um papel de fundamental importância. Os cabos submarinos convencionais, embora façam uso de cabos coaxiais de alta qualidade e grande diâmetro para minimizar a atenuação, estão limitados a um espaçamento máximo entre repetidores da ordem de 5 a 10 Km {6}. As fibras ópticas, por outro lado, considerando-se apenas os sistemas de 3ª geração (1,3 mm), permitem actualmente espaçamentos entre repetidores em torno de 60 Km. Com a implantação dos sistemas de transmissão por fibras ópticas de 4ª geração (1,55mm), alcances sem repetidores superiores a 100 Km serão perfeitamente realizáveis. Além disso, as fibras ópticas oferecem facilidades operacionais (dimensões e peso menores) e uma maior capacidade de transmissão, contribuindo significativamente para atender à crescente demanda por circuitos internacionais de voz e de dados, a um custo mais baixo ainda que os enlaces via satélite.
Os sistemas de transmissão por cabos submarinos, parte integrante da rede internacional de telecomunicações, é uma outra classe de sistemas onde as fibras ópticas cumprem actualmente um papel de fundamental importância. Os cabos submarinos convencionais, embora façam uso de cabos coaxiais de alta qualidade e grande diâmetro para minimizar a atenuação, estão limitados a um espaçamento máximo entre repetidores da ordem de 5 a 10 Km {6}. As fibras ópticas, por outro lado, considerando-se apenas os sistemas de 3ª geração (1,3 mm), permitem actualmente espaçamentos entre repetidores em torno de 60 Km. Com a implantação dos sistemas de transmissão por fibras ópticas de 4ª geração (1,55mm), alcances sem repetidores superiores a 100 Km serão perfeitamente realizáveis. Além disso, as fibras ópticas oferecem facilidades operacionais (dimensões e peso menores) e uma maior capacidade de transmissão, contribuindo significativamente para atender à crescente demanda por circuitos internacionais de voz e de dados, a um custo mais baixo ainda que os enlaces via satélite.
Figura 2.5 Cabo óptico submarino TAT-8 interligando os EUA e a Europa {8}
Se a demanda de tráfego entre os EUA e a Europa continuar com a taxa de crescimento dos últimos 30 anos (25% ao ano), o que é bastante provável, em 1992 será necessário um novo sistema transatlântico com capacidade duas vezes superior ao TAT-8. Para enfrentar esta perspectiva, já foi concebido e está desenvolvido o sistema TAT-9, operando em 1,55mm, com maior capacidade de transmissão e espaçamento entre repetidores {13,16}.
O sistema TAT-9 será composto por dois subsistemas a 560 Mbps, interligando, através de unidade de derivação e multiplexação, Manahawkim no EUA e Pennant Point no Canadá a três localidades na Europa (Goonhilly na Inglaterra, Saint Hilaire de riez na França e Conil na Espanha). No total serão 9.000 Kmde cabo óptico submarino com um espaçamento médio entre repetidores da ordem 110 a 120 Km.
No Japão existem actualmente vários sistemas de cabos submarinos com fibras ópticas interligando ilhas do arquipélago,desde sistemas sem repetidores operando nas diferentes hierarquias dos sistemas PCM (32, 6,3 e 1,5 Mbps com fibra índice gradual; 100 e 400 Mbps com fibra monomodo) até um cabo submarino tronco doméstico com repetidores {7}. Os sistemas sem repetidores têm alcances variando de 33 a 48 Km, segundo a taxa de transmissão, e operam a uma profundidade de até 1500 metros. O cabo óptico submarino que compõe o sistema tronco doméstico opera comercialmente desde 1986, a 400 Mbps, com repetidores espaçados de 40 Km, perfazendo um total de 1000 Km a uma profundidade de até 8000 metros.
Na Inglaterra, desde 1987, opera um sistema com cabo óptico submarino, interconectado Dartmouth à ilha de Guernsey no Canal da Mancha, numa distância de 135 Km sem repetidores.
Na França, um cabo óptico submarino interliga Marselha no continente a Ajaccio na Córsegaa, numa distância de 330 Km com 9 repetidores {13}.
Televisão por Cabo (CATV)
A transmissão de sinais de vídeo através de fibras ópticas é uma outra classe de aplicações bastante difundida {17}. As fibras ópticas tem sido utilizadas, por exemplo, para interligar, em distâncias curtas, câmeras de TV e estúdios ou estações monitoras externas instaladas em veículos. Também nos circuitos fechados de TV, associados a sistemas educacionais ou a sistemas de supervisão e controle de tráfego e segurança em usinas ou fábricas, tem-se utilizado fibras ópticas como suporte de transmissão. Entretanto,a aplicação maior consumidora de fibras ópticas para a transmissão de sinais de vídeo é constituída pelos sistemas de televisão por cabo (CATV).
As fibras ópticas oferecem aos sistemas de CATV, além de uma maior capacidade de transmissão, possibilidades de alcance sem repetidores (amplificadores) superior aos cabos coaxiais banda-larga. Nos sistemas CATV com cabos coaxiais banda-larga, o espaçamento entre repetidores é da ordem de 1 Km e o número de repetidores é em geral limitado a 10 em função do ruído e distorção, enquanto que com fibras ópticas o alcance sem repetidores pode ser superior a 30 Km {18}. Além de um melhor desempenho, a tecnologia actual de transmissão por fibras ópticas é competitiva economicamente e apresenta uma confiabilidade substancialmente melhor que os sistemas CATV convencionais com cabos coaxiais banda-larga {19}.
Embora a transmissão de imagem digital permita um desempenho superior, os custos dos equipamentos envolvidos com a digitalização têm restringido o uso de fibras ópticas em sistemas CATV com transmissão se sinais de vídeo, principalmente na forma analógica.
Um dos primeiro sistemas comerciais de CATV com fibras ópticas foi instalado em 1976, em Hasting, Inglaterra, {3}. Este sistema pioneiro tinha uma extensão de 1,4 Km, distribuindo sinais de vídeo para 34.000 assinantes. Um outro exemplo de sistema pioneiro de transmissão de vídeo por fibras ópticas, neste caso, de transmissão de vídeo digital, é dado pelo sistema instalado na cidade de London (Ontário), Canadá, interligando um estúdio central de distribuição ao conversor de frequências (head end) na extremidade do cabo tronco CATV {3}. A transmissão digital dos sinais de vídeo neste sistema é feita 322 Mbps, em um cabo óptico com 8 fibras, transportando 12 canais de vídeo e 12 canais FM estéreos numa distância de 7,8 Km. No Japão, um sistema experimental de CATV por fibras ópticas opera a 900 Mbps com 8 canais de vídeo e 16 canais de áudio num tronco de até 20 Km {20}. Grandes avanços neste campo são esperados são esperados com a introdução de multiplexação por divisão em frequência através dos sistemas ópticos coerentes.
A transmissão de sinais de vídeo através de fibras ópticas é uma outra classe de aplicações bastante difundida {17}. As fibras ópticas tem sido utilizadas, por exemplo, para interligar, em distâncias curtas, câmeras de TV e estúdios ou estações monitoras externas instaladas em veículos. Também nos circuitos fechados de TV, associados a sistemas educacionais ou a sistemas de supervisão e controle de tráfego e segurança em usinas ou fábricas, tem-se utilizado fibras ópticas como suporte de transmissão. Entretanto,a aplicação maior consumidora de fibras ópticas para a transmissão de sinais de vídeo é constituída pelos sistemas de televisão por cabo (CATV).
As fibras ópticas oferecem aos sistemas de CATV, além de uma maior capacidade de transmissão, possibilidades de alcance sem repetidores (amplificadores) superior aos cabos coaxiais banda-larga. Nos sistemas CATV com cabos coaxiais banda-larga, o espaçamento entre repetidores é da ordem de 1 Km e o número de repetidores é em geral limitado a 10 em função do ruído e distorção, enquanto que com fibras ópticas o alcance sem repetidores pode ser superior a 30 Km {18}. Além de um melhor desempenho, a tecnologia actual de transmissão por fibras ópticas é competitiva economicamente e apresenta uma confiabilidade substancialmente melhor que os sistemas CATV convencionais com cabos coaxiais banda-larga {19}.
Embora a transmissão de imagem digital permita um desempenho superior, os custos dos equipamentos envolvidos com a digitalização têm restringido o uso de fibras ópticas em sistemas CATV com transmissão se sinais de vídeo, principalmente na forma analógica.
Um dos primeiro sistemas comerciais de CATV com fibras ópticas foi instalado em 1976, em Hasting, Inglaterra, {3}. Este sistema pioneiro tinha uma extensão de 1,4 Km, distribuindo sinais de vídeo para 34.000 assinantes. Um outro exemplo de sistema pioneiro de transmissão de vídeo por fibras ópticas, neste caso, de transmissão de vídeo digital, é dado pelo sistema instalado na cidade de London (Ontário), Canadá, interligando um estúdio central de distribuição ao conversor de frequências (head end) na extremidade do cabo tronco CATV {3}. A transmissão digital dos sinais de vídeo neste sistema é feita 322 Mbps, em um cabo óptico com 8 fibras, transportando 12 canais de vídeo e 12 canais FM estéreos numa distância de 7,8 Km. No Japão, um sistema experimental de CATV por fibras ópticas opera a 900 Mbps com 8 canais de vídeo e 16 canais de áudio num tronco de até 20 Km {20}. Grandes avanços neste campo são esperados são esperados com a introdução de multiplexação por divisão em frequência através dos sistemas ópticos coerentes.
Sistemas de Energia e Transporte
A difusão de fibras ópticas nas redes públicas de telecomunicações tem estimulado a aplicação desse meio de transmissão em sistemas de utilidade pública que provêm suas próprias facilidades de comunicações, tais como os sistemas de geração e distribuição de energia eléctrica e os sistemas de transporte ferroviário. As facilidades de comunicações incluem, além dos serviços de comunicação telefónica, serviços de telemetria, supervisão e controle ao longo do sistema. As distâncias envolvidas podem ser de alguns quilómetros em sistemas de transporte metropolitanos- por exemplo, metrô- até centenas de quilómetros ao longo de linhas de transmissão ou linhas férreas. Embora estes sistemas geralmente não requeiram grandes bandas passantes, o uso de fibras ópticas é atraente, principalmente em função de suas qualidades de imunidade eletromagnética, isolação eléctrica e baixas perdas. Sistemas de transmissão digital PCM a 2 Mbps {18,21}, bem como cabos ópticos especiais {22,23} para este tipo de aplicação têm sido experimentados ou colocados em operação comercial nos últimos anos.
Redes Locais de Computadores
As comunicações entre computadores são suportadas por sistemas de comunicação de dados que costumam ser classificados, segundo as distâncias envolvidas, em redes de computadores a longa distância ou redes locais de computadores.
As redes de computadores a longa distância utilizam –se basicamente dos meios de transmissão comuns à rede telefónica. Embora geralmente usem técnicas distintas (comutação de pacotes, modems etc), essas redes a longa distância são implantadas ou integradas nos mesmos suportes físicos de transmissão da rede telefónica. Assim sendo, o uso de fibras ópticas em sistemas de comunicação de dados a longa distância acompanha a evolução da aplicação de fibras ópticas na rede telefónica (cabos troncos, cabos submarinos, RDSI etc).
As redes locais de computadores, utilizadas para interconectar recursos computacionais diversos (computadores, periféricos, bancos de dados etc.) numa área privada e geograficamente limitada (prédio, usina, fábrica, campus etc), caracterizam-se pela especificidade e variedade de alternativas tecnológicas quanto ao sistema de transmissão {2}. Voltadas principalmente para aplicações em automação de escritórios e em automação industrial, com requisitos exigentes em termos de confiabilidade, capacidade de transmissão e facilidades operacionais, as redes locais de computadores têm nas fibras ópticas uma excelente alternativa de meio de transmissão. Embora os custos e alguns problemas tecnológicos ainda inibam sua competitividade com os suportes convencionais, as fibras ópticas, em determinadas aplicações, apresentam-se como a melhor e às vezes única alternativa de meio de transmissão para as redes locais de computadores.
Sistemas centralizados, envolvendo um computador de grande porte (mainframe) e vários terminais remotos, embora não sendo propriamente uma rede de computadores, constituem sistemas de comunicação de dados em nível local onde a substituição de cabos metálicos por fibras ópticas pode ser vantajosa {24,25}. Utilizadas em barramentos internos serializados ou na interligação dos terminais remotos, as fibras ópticas permitem, desde um melhor desempenho em termos de alcance e banda passante, até maiores facilidades (menor volume e peso) na instalação dos cabos.
Existem vários exemplos do uso de fibras ópticas em redes locais de computadores {2, 26, 27}. De um modo geral, as iniciativas buscam usufruir de uma ou mais qualidades das fibras ópticas a fim de atenderem a situações diversas, tais como, por exemplo:
-necessidade de maior alcance da rede ou de segmentos dentro da rede;
-demanda de novos serviços de comunicação local exigindo grandes bandas passantes;
-necessidade de maior confiabilidade do sistema em ambientes hostis etc.
em razão dos custos associados aos nós de comunicação serem ainda relativamente altos, o uso da tecnologia de fibras ópticas em redes locais de computadores tem se limitado principalmente aos grandes sistemas {28}. É o caso, por exemplo, do sistema RIPS (Research Onformation Processing System) do Centro de Pesquisa de Tsukuba no Japão {2} e da rede com integração de voz que a companhia Delta Air Lines opera no aeroporto internacional de Atlanta nos EUA {29}. O sistema RIPS, cuja configuração geral é mostrada na Figura 2.6, integra, através de fibras ópticas, serviços de transmissão de voz, dados e imagem para atender às atividades de P&D de mais de 3.000 pessoas. Uma outra classe de aplicação, justificando economicamente o uso de fibras ópticas em redes locais de computadores, tem sido em fábricas ou plantas onde os processos têm requisitos de confiabilidade imperativos (usinas nucleares, elétricas etc) ou exigem grandes capacidades de transmissão, como os sistemas de manufatura integrada (CAD, CAM etc).
-necessidade de maior alcance da rede ou de segmentos dentro da rede;
-demanda de novos serviços de comunicação local exigindo grandes bandas passantes;
-necessidade de maior confiabilidade do sistema em ambientes hostis etc.
em razão dos custos associados aos nós de comunicação serem ainda relativamente altos, o uso da tecnologia de fibras ópticas em redes locais de computadores tem se limitado principalmente aos grandes sistemas {28}. É o caso, por exemplo, do sistema RIPS (Research Onformation Processing System) do Centro de Pesquisa de Tsukuba no Japão {2} e da rede com integração de voz que a companhia Delta Air Lines opera no aeroporto internacional de Atlanta nos EUA {29}. O sistema RIPS, cuja configuração geral é mostrada na Figura 2.6, integra, através de fibras ópticas, serviços de transmissão de voz, dados e imagem para atender às atividades de P&D de mais de 3.000 pessoas. Uma outra classe de aplicação, justificando economicamente o uso de fibras ópticas em redes locais de computadores, tem sido em fábricas ou plantas onde os processos têm requisitos de confiabilidade imperativos (usinas nucleares, elétricas etc) ou exigem grandes capacidades de transmissão, como os sistemas de manufatura integrada (CAD, CAM etc).
Figura 2.6 Configuração geral do sistema RIPS