VALENTINA BRIZI TELECOM ITALIA Technology & Operations - Network Engineering Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA Principali

VALENTINA BRIZITELECOM ITALIATechnology & Operations - Network Engineering

Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di

TELECOM ITALIA Principali applicazioni ed evoluzioni previste

UNIVERSITA’ LA SAPIENZA, 10 DICEMBRE 2009

Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009

Agenda► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini e le sue

applicazioni

– Le componenti fondamentali– Esempi di progettazione– Le applicazioni nella Rete TI

► L’evoluzione

– Il 100G – Le reti intelligenti “all optical”

Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 3

Concetti Chiave

► Sistemi DWDM: principi e componenti fondamentali

► Fibra ottica e caratteristiche relative

► Problematiche trasmissive nelle fibre ottiche e loro soluzione


Che cosa e’ il WDM?Wavelenght Division Multiplexing

Trasmissione di più segnali ottici multiplati a divisione di lunghezza d’onda (frequenza)

Mu

ltip

lex

er

1

2

3

4D

em

ult

iple

xe

r

Spetto del segnaleottico in ingresso

1

Spetto del segnaleottico in uscita

2

3

4

1 2 3 4

f.o.

f.o.

f.o.

f.o.

, , ,

f.o.

f.o.

f.o.

f.o.


Schema generale di un sistema DWDM Punto - Punto

Booster

Pre

OLA

OLA

OLA

OLA

Pre

Booster

Apparato Client

Inte

rfac

cia

Sta

ndar

d Interfaccia.

Standard

Interfaccia.

Standard

Interfaccia.

Colorata

Interfaccia.

Colorata

Mu

xD

emu

x

Inte

rfac

cia

Sta

ndar

dIn

terf

acci

a.

Col

orat

aIn

terf

acci

a.

Col

orat

a

Transponder

Mu

x D

emu

x

1

k

k+1

N

1

k

k+1

N

...

...

N lunghezze d’onda (o canali)per il trasporto di N segnali

Apparato Client

Apparato Client

Apparato Client Apparato

Client

Apparato Client

Apparato Client

Apparato Client

Transponder

Transponder Transponder

OSC

OSC OSC

OSC

OLA Optical Line Amplifiers

OSC Optical Supervisory Channel (tipicamente un segnale a 2 Mbit/s)

Pre Pre amplificatore

Booster amplificatore di lancio

OSC

OLT (Optical Line Terminal) OLT (Optical Line Terminal)


Bande di funzionamento DWDM

1530 1565

Fibra G.653Fibra G.653

Banda C Banda L

[nm]00=1550 nm=1550 nm

Fino a 12 canali a 10 Gbit/snon-equispaziati in frequenza

Fino a 40 canali a 10 Gbit/s (espandibili ad 80) equispaziati in frequenza (100 GHz e 50 GHz)

1530 1610/16251565

Fibra G.652 / G.655Fibra G.652 / G.655

[nm]

Fino a 40 canali (espandibili ad 80) a 10 Gbit/s equispaziati in frequenza (100 GHz e 50 GHz)

Fino a 40 canali (espandibili ad 80) a 10 Gbit/sequispaziati in frequenza (100 GHz e 50 GHz)

Banda C Banda L

1610/1625

Banda L


Tipi di sorgenti del segnale ottico

LED

Fabry-Perot DFB

Diodi LASER

Sorgenti

► LED (i primi utilizzati per la trasmissione in fibra)

Lenti, spettro relativamente ampio, luce poco focalizzata, ovvero cono di illuminazione ampio elevata perdita di accoppiamento con la fibra (10-20dB in fibre multi-mode e fino a 30 dB in single-mode)

► Laser (successivi ai LED e con prestazioni superiori)►Superano limiti dei LED e sono un fattore abilitante della tecnologia DWDM►Diverse tipologie di laser utilizzate(Fabry-Perot, Distributed Feedback (DFB) lasers, Distributed Bragg Reflector (DBR) laser


Modulazione On/Off Keying: due livelli di potenza luminosa “On” e “Off” sono associati ai bit “1” e “0”. Implementata in due modalità, NRZ ed RZ

► Non Return to Zero (NRZ): ad ogni “1” corrisponde il valore “On” di potenza luminosa per tutto il tempo di bit

► Return to Zero (RZ): ad ogni “1” corrisponde il valore“On” di potenza luminosa per un periodo limitato del tempo di bit (1/2 o 1/3)

RZ

NRZ

La modulazione del segnale ottico


Phase Shift Keying (PSK): la variazione sistematica e’ realizzata sulla fase del segnale luminoso e non sull’ampiezza

► Quadrature PSK (QPSK): i valori di fase ammessi (simboli della costellazione) sono 4

A ogni simbolo sono associati due bit► Differential QPSK (DQPSK)

Invece di associare ad ogni coppia di bit una coppia di valori di fase assoluti (es. 11 corrisponde a [+45°, +45°]) si modula la fase in funzione delle variazioni dei bit '00', '01', '11', '10' con 0°, 90°, 180°, -90° (es. da 00 a 01 si varia la fase di 90°)

La modulazione del segnale ottico


La multiplazione/demultiplazione delle lunghezze d’ondaI multiplatori/demultiplatori ottici sono componenti passivi in grado di multiplare/demultiplare i segnali colorati caratterizzati da diverse lunghezze d’onda

Possono essere realizzati con le seguenti modalità► Filtri di Fabry Perot► Reticoli: di Bragg, in fibra, in schiere di fibra ottica (AWG)► Filtri acusto-ottici► Interferometri Mach-Zehnder


I ricevitori

Trasformano segnale luminoso in segnale elettrico

Sono dei fotodiodi con funzionamento opposto rispetto ai LED

Sono dispositivi che hanno una finestra di ricezione ampia (lo stesso fotorilevatore e’ in grado di convertire segnali luminosi a diverse lunghezze d’onda)

Esistono diverse categorie► Positive-Intrinsic-Negative (PIN) diode, corrente proporzionale alla potenza luminosa► Avalanche PhotoDiode (APD), extra-guadagno di corrente ma piu’ rumore

PINAlta velocità

Sensibilità Limitata

APDVelocità limitataAlta sensibilità

Fotodiodi


Ricevitorewideband

Segnale Client in

3R Trasmettitore

conversione

O-E-O

kSegnale Client out

rappresentazione schematica Transponder

nm (15xx) nmIn Out

InOut

Il Transponder

Effettua una traslazione del segnale ottico utente convertendolo in una frequenza compatibile con la griglia di funzionamento del sistema DWDM

Verso il Mux

Dal Demux

I transponder disponibili commercialmente sono “fully tunable”, ovvero i laser possono essere sintonizzati via software su qualsiasi delle 80 lunghezza d’onda disponibili nella griglia di funzionamento.


Problemi trasmissivi nelle fibre otticheEFFETTI LINEARI Attenuazione della fibra, dovuta alla struttura del materiale e alle impurità di produzione Dispersione Cromatica (CD): dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda Dispersione di polarizzazione (PMD): birifrangenza dovuta alla dipendenza dallo stato di polarizzazione del segnale Rumore introdotto dagli amplificatori ottici per emissione spontanea (ASE)

EFFETTI NON LINEARI:Fenomeni di diffusione (scattering): SBS retrodiffusione stimolata di Brilluoin: una parte del segnale trasmesso viene persa perché retroddiffusa SBR diffusione stimolata di Raman: una parte della Potenza del segnale relativo ad una λ passa ad una λ superiore

Fenomeni dovuti all’effetto Keer (indice di rifrazione dipendente dalla potenza ottica del segnale) SPM auto modulazione di fase: allargamento dello spettro XPM modulazione di fase incrociata: la variazione temporale della potenza di un canale induce una modulazione di fase su i canali adiacenti FWM miscelazione a 4 onde; l’Interazione tra tre segnali trasmessi ne genera un quarto


Diagramma a occhio

E’ il diagramma utile per visualizzare il degrado dei segnali trasportati su fibra

Soglia di decisione per gli 1

Soglia di decisione per gli 0Zona grigia

NRZ


Attenuazione

Riduzione del livello di potenza ottica all’aumentare della distanza (lineare)

E’ funzione della lunghezza d’onda (non tutte le lambda sono attenuate dello stesso fattore) e dovuta alla struttura molecolare della fibra, giunzioni e connettori

≈

lontano0 km

Potenza ottica


Compensazione dell’attenuazione: gli amplificatoriPer compensare gli effetti dell’attenuazione ed estendere la portata del segnale luminoso occorre amplificare il segnale dopo un certo numero di km con un Optical Line Amplifier (OLA)

OA

Potenza ottica

Prima dellaamplificazione

Dopo laamplificazione

Gli amplificatori ottici si basano sul principio dell’emissione stimolata:

► Amplificatori laser a semiconduttore (SOA)► Amplificatori a fibra drogata con terre rare (in genere erbio) (EDFA)

Da considerare come “side effect”:► l’ASE che amplificato si somma al segnale utile e degrada il rapporto segnale rumore ottico OSNR in uscita► l’insorgenza di effetti ottici non lineari nella fibra ottica► l’accumulo degli effetti dispersivi (CD e PMD)


Compensazione dell’attenuazione: gli amplificatori


Gli amplificatori Raman

Vengono utilizzati per compensare valori di attenuazione molto elevati, tipicamente su tratte molto lunghe (link sottomarini)


Allargamento nel tempo del segnale ottico all’aumentare della distanza (lineare) e del bit rate (quadratica)

La deformazione introduce errori nella decodifica del segnale

La Dispersione Cromatica (CD)


Compensazione della Dispersione Cromatica (CD)Esistono due modalità di compensazione della CD► Pre-distorzione del segnale nel tempo per compensare effetti

► Dispersion Compensating Module (DCM o DCF): introducono una compensazione opposta alla dispersione presentata dalla fibra


La Dispersione Modale (PMD)Allargamento del segnale ottico nel tempo all’aumentare della distanza (sqrt); è dovuta alla differente velocità di gruppo sugli assi del Core (processo di produzione, posa della fibra, stress esterni)

nx

nyEx

Ey

Impulso che entra nella fibra

Ex

Ey

Impulso che entra nella fibra

Ey

Impulso che entra nella fibra Impulso si allarga in uscita dalla fibraImpulso si allarga in uscita dalla fibra

y Direzione di propagazione z

La PMD è rilevante solo per segnali con bit rate superiore a 10Gb/s in quanto a questa velocità la durata del ritardo è uguale a quella del singolo bit 100ps


Rigenerazione del segnale ottico

Segnale trasmesso

Segnale ricevuto

1R = Reamplifing

2R = Reamplifing + Reshaping

3R = Reamplifing + Reshapig + Retiming

Per realizzare collegamenti DWDM su distanze per le quali i fenomeni descritti nelle slide precedenti hanno effetti tali da non consentire la fattibilità del collegamento ottico si possono inserire dei punti di “Rigenerazione 3R”, costituiti da due transponder posizionati back-to-back”


Classificazione delle fibre

Step-Index Graded-IndexReti Locali

Multimodali

G.651

StandardG.652

Ottima per DWDM

Dispersion Shifted

G.653Ottima per SDH

Non-Zero-Dispersion

G.655

Ottima per DWDM

Monomodali

Fibre otticheG.650

Nella Rete di Trasporto di Telecom Italia sono presenti:

Fibra G.655 su lunga distanza (di posa recente)

Fibra G.653 su lunga distanza (di posa meno recente – ormai poco utilizzata)

Fibra G.652 su rete regionale e metropolitana


dB/km

1310 nm

II

1550 nm

III

Caratteristiche principali delle fibre

0.35

0.20

Gu

ad

agn

o d

eg

li E

DF

A

G.653

G.652

0

17

ps/nm km

D()


1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565

Lunghezza d’onda (nm)

6

5

4

3

2

1

0

7

8

6

5

4

3

2

1

0

7

8

E-LEAF

TrueWave

TrueWave RS

TeraLight

SMDS

Dis

per

sio

ne

cro

mat

ica

(ps/

nm

km

)

Dis

per

sio

ne

cro

mat

ica

(p

s/n

m k

m)

Fibre G.655Caratteristiche principali delle fibre NZD


Agenda► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini e le sue applicazioni

– Le componenti fondamentali– Esempi di progettazione– Le applicazioni nella Rete TI

► L’evoluzione

– Il 100G – le reti intelligenti “all optical”


Progettazione di un link DWDMLink Roma – Milano, con 2 OADM intermedi

Fibra G.652/G.655, lunghezza totale

Capacità: 80 lambda @ 10 Gbit/s (spaziatura 50 GHz)

Parametri di progetto:

Attenuazione = 0,24 dB/km

Dispersione Cromatica = 18 ps/km (652)

Dispersione Cromatica = 4,2 ps/km (655)

Coefficiente di PMD = 0,1 ps/SQRT(km)

0,5 dB di perdita per connettori

1 dB di perdita per ogni transito

5 dB di Margine EOL (End of Life)

PC

FI

MIM

RMI

BO

NEW


BMDX

Line Terminal

Topologia link e attenuazioni BoL (Begin of Life)

Milano

89Km

24 dB

LOFA1110

75

LOFA1120

XX DCM per G-655

25

CMDX

CMDX

E

24,5 dB

91,5 Km

B7B8B6 1

XX DCM per G-652

x Transiti

ILA

LOFA1120

LOFA1110

50

75

W E

Piacenza

EW OADM

LOFA1120

LOFA1110

10LOFA1110

75

LOFA1120

75

CMDXC

MDX

BMDX

BMDX

B8 B8

1CMDX

LOFA11x 0 LOFA + EPM

75


9,7dB

36 km

20,1dB

73,5 Km

17,9dB

70,6 Km

ILA

LOFA1110

LOFA1110

25

50

W E

ILA

LOFA1110

LOFA1110

50

10

W E

XX DCM per G-655

XX DCM per G-652

x Transiti

Firenze

EW OADM

LOFA1110

LOFA1110

50LOFA1110

75

LOFA1120

75

CMDXC

MDX

BMDX

BMDX

B8 B8

1


75



Line Terminal

BMDX

70,9 Km

12,5dB

75

LOFA1110

18dB

47,8 Km

Roma

LOFA1110

25

25,4 dB

95,4 Km

ILA

LOFA1120

LOFA1110

75

25

CMDX

CMDX B7

B8

B6

W E W

ILA

LOFA1110

LOFA1110

50

50

W E

XX DCM per G-655

XX DCM per G-652

x Transiti

1

ILA

LOFA1110

LOFA1110

50

50

W E

64,3Km

16.4dB

ILA

LOFA1110

LOFA1110

50

10

W E

34,7Km

9,3dBCMDX




Layout OLT

TRUTRU

Main ShelfMain Shelf

DCMDCM

c

PS

UP

FANS

ES

CTL1000

RA

IU

PS

UP

CM

DX

1010 B

8 8

Slave Shelf #1Slave Shelf #1

XX1 2

LOFA11x0

LOFA11x0

2 1XX

line

c

PS

UP

FANS

ES

CTL1000

BM

DX

1000

RA

IU

PS

UP

CM

DX

1010 B

8

OS

CU

1010

ALC

T1000 B

5

LO

FA

11xx x

x\9

LO

FA

11xx x

x\9

TR

BD

1121

TR

BD

1121

CM

DX

1010 B

7

Rack 1

TR

BD

1121

TR

BD

1121Reserv

ed

EP

M

CM

DX

1010 B

8 6

TR

BD

1121


Layout OADM

DCU1 2

LOFA

LOFA

1

DCU1 2

LOFA

LOFA

2 DCU

Line east

Line west

TRUTRU


DCMDCM

DCMDCM

Slave Shelf # 1

Slave Shelf # 1

2 DCU

Rack 1

c

PS

UP

FANS

ES

CTL1000

RA

IU

PS

UP

CM

DX

1010 B

8

CM

DX

1010 B

8

LO

FA

11xx x

x\9

c

PS

UP

FANS

ES

CTL1000

BM

DX

1000

RA

IU

PS

UP

ALC

T1000 B

5

LO

FA

11xx x

x\9

BM

DX

1000

OS

CU

1010

LO

FA

11xx x

x\9

LO

FA

11xx x

x\9

ALC

T1000 B

5

Reserv

ed

EP

M

Reserv

ed

EP

M

Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 33c

Layout ILA

PS

UP

FANS

XX1 2

LOFA11x0

LOFA11x0

2 1XXES

CTL1000

RA

IU

PS

UP

OS

CU

1010

LO

FA

11xx x

x\9

LO

FA

11xx x

x\9

Line east

Line west

TRUTRU


DCMDCM


Agenda► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue

origini e le sue applicazioni– Le componenti fondamentali– Esempi di progettazione– Le applicazioni nella Rete TI

► L’evoluzione– Il 100G – le reti intelligenti “all optical”


La rete di trasporto nazionale di TI

La “rete” DWDM:

► Sistemi DWDM punto-punto non protetti

► Nessuna funzionalità di commutazione delle lambda: la protezione del traffico è demandata agli strati superiori di rete (SDH, ATM, IP).

► Supporto di interfacce: GbE, SDH 2,5-10 Gbit/s e 10 GbE

► Fibre G.652, G.653 e G.655

► Strato trasmissivo supporto di reti diverse: SDH (Arianna and Phoenix), IP (OPB) e servizi Lambda per Clienti Wholesale e Clienti Retail

OPBOptical Packet

Backbone

OPBOptical Packet

BackbonePhoenixPhoenix

Sistemi punto-punto DWDM

AriannaArianna

Un pò di storia…

Dal 1999: sistemi DWDM con canali a 2.5G

► 12 canali su G.653


► Ancora attivi

Dal 2001: sistemi DWDM con canali a 10G e laser tunabili

► 40 canali in L-band su fibre G.653

► 40 canali in C-band su fibre G.652/G.655

► Ancora attivi

Dal 2006: nuova generazione di sistemi DWDM ULH con canali a 10G

► Riduzione del numero di 3R

► Fino a 80 canali su fibre G.652/G.655

► Uso di F-OADM

► Lunghezza max senza 3R: 1.126 km

Un pò di storia…

Dal 1999: sistemi DWDM con canali a 2.5G



► Ancora attivi

Dal 2001: sistemi DWDM con canali a 10G e laser tunabili

► 40 canali in L-band su fibre G.653

► 40 canali in C-band su fibre G.652/G.655

► Ancora attivi

Dal 2006: nuova generazione di sistemi DWDM ULH con canali a 10G

► Riduzione del numero di 3R

► Fino a 80 canali su fibre G.652/G.655

► Uso di F-OADM

► Lunghezza max senza 3R: 1.126 km


I sistemi DWDM Nazionali

Distribuzione delle lunghezze dei sistemi DWDM nazionali (senza rigenerazione)

Length [km]

Freq

uenc

y [%

]

0%

5%

10%

15%

20%

25%

100 km 150 km 200 km 250 km 300 km 400 km 500 km 700 km 900 km 1200 km

171 sistemi punto – punto in esercizio

39.500 km lambda equivalenti

Lunghezza media sistemi: 230 km

Lunghezza massima sistemi senza rigenerazione: 1.126 km

Tecnologie attualmente impiegate: Alcatel-Lucent ed Ericsson

Segnali Client supportati trasparentemente: GBE, 10 GBE, STM-16, STM-64

171 sistemi punto – punto in esercizio

39.500 km lambda equivalenti

Lunghezza media sistemi: 230 km

Lunghezza massima sistemi senza rigenerazione: 1.126 km

Tecnologie attualmente impiegate: Alcatel-Lucent ed Ericsson

Segnali Client supportati trasparentemente: GBE, 10 GBE, STM-16, STM-64


Le reti “client” nazionali

M I

PD

TSBS

BO

TO

GE

FI

PA

RM

NA

BA

SV

AL

BGCO

VRVE

BZ

MORI

PI

ANPG

PE

CA

TA

CZ

CT

NL

M I

PD

TSBS

BO

TO

GE

FI

PA

RM

NA

BA

SV

AL

BGCO

VRVE

BZ

MORI

PI

ANPG

PE

CA

TA

CZ

CT

NL

► Tera-router nei POP

► Interfacce POS (Packet over Sonet) a 10 Gbit/s su DWDM

► Dal 2010 Interfacce POS a 40 Gbit/s su DWDM

► Rete ASON magliata

► Cross-connect SDH e link DWDM

► Control Plane

TO

AL

VR

VE

RM 2RM 1

MI 1MI 2

RM 2

CT

PA

RM 1

NA

RM 1RM 2

VR

VEMI 1MI 2

BO

PC

RM 1RM 2

SS

CA

SSBA

TANA

BO

PI FI

PC

RM 1RM 2

PE

AN

PG

RM 1

XX

► Anelli SDH a 2.5 Gbit/s

► Affidabilità eccellente


Come si protegge il traffico in una rete?

Nel mondo del trasporto esistono due modi per proteggere il traffico:

► Mediante meccanismi di protezione automatica

► Mediante meccanismi di restoration

I meccanismi di protezione automatica prevedono che le strade alternative siano dedicate al traffico da proteggere, mentre i meccanismi di restoration prevedono che le strade alternative possano essere condivise tra più flussi di traffico (a patto che siano rispettate certe specifiche condizioni) e possano essere modificate in tempo reale ed automaticamente dal piano di controllo in funzione delle condizioni della rete

Tipicamente la protezione automatica costa di più ma è più veloce rispetto alla restoration (la protezione ripristina il traffico in meno di 50 ms, la restoration lo ripristina in tempi che vanno dal secondo a qualche minuto)


Risorse di protezione dedicate o condivise

Nella protezione dedicata si configura un circuito di protezione su percorso disgiunto completamente dedicato ad un singolo circuito “working”

Quando la rete è magliata, si può decidere di condividere le risorse di protezione, cioè allocare una singola risorsa per la protezione di più circuiti

Si parla allora di circuiti protetti con “Restoration” che può essere di 2 tipi:

► Prepianificata: il circuito di protezione è condiviso ma è calcolato in anticipo;

► “On the fly”: il circuito di protezione è calcolato in tempo reale al momento del guasto

A

CB

DE


La restoration: più strade e più intelligenza

Circuito C-I

Circuito A-G

Risorse di protezione

Funzione di duplicazione

Funzione di selezione

Dopo il guasto le risorse pre-pianificate per il percorso di protezione del circuito C-I vengono immediatamente ricalcolate (mentre il circuito C-I non sta perdendo traffico) e dopo qualche decina di secondi la protezione di C-I e’ nuovamente pronta a intervenire in tempi dell’ordine delle centinaia di millisecondi

Per poter condividere la stessa risorsa trasmissiva tra più circuiti ho bisogno di una maggiore intelligenza e di aumentare il numero di vie uscenti da ciascun nodo

A

D

G I

F

CB

E

H

A

D

G I

F

CB

E

H

A

D

G I

F

CB

E

H

A

D

G I

F

CB

E

H


Come è fatta una Rete di Trasporto Intelligente (ASON) E’ una rete di trasporto con architettura a maglia basata su nodi ad alta capacità equipaggiati con controllori in grado di gestire i protocolli di routing e segnalazione (Control Plane) necessari per implementare i meccanismi di Restoration. Parte dell’intelligenza della rete (Control Plane) è quindi distribuita negli apparati stessi.

Nell’applicazione TI il piano di controllo è semi-distribuito; il routing è centralizzato (ASTN-Manager) mentre la segnalazione è distribuita. I protocolli utilizzati sono quelli tipici delle reti IP MPLS (OSPF-TE, RSVP-TE) adattati ai contesti trasmissivi

CONTROLLER

CONTROLLER

CONTROLLER

CONTROLLERPorte clientda 155 Mbit/sa 10 Gbit/s

Routing esegnalazione

Collegamento DWDM40x10 Gbit/s

Porte clientda 155 Mbit/sa 10 Gbit/s

Centralizedrouting

Distributedsignalling


► Nel caso specifico della rete Phoenix in nodi (cross connect ottici, ODXC) sono equipaggiati con matrici elettriche (SDH), interfacce Client sia ottiche sia elettriche e sono interconnessi tra di loro mediante sistemi DWDM

► Gli ODXC hanno alta capacità di switching (80 - 960 Gbit/s)

► Trasporta flussi Client da 155 Mbit/s a 10 Gbit/s

► Le performance degli schemi di Restoration applicati sono

► Restoration pre planned (80-250 ms)

► Restoration on the fly (40-50 s)

La Rete ASON di TI: caratteristiche generali

STM-16 STM-16

STM-64 STM-64

MSH2kMSHES

DWDM PLx40DWDM MHL3000

DWDM 1640WMDWDM 1626LM


Agenda► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue

origini e le sue applicazioni– Le componenti fondamentali– Esempi di progettazione– Le applicazioni nella Rete TI



L’evoluzione

Le due linee di evoluzione principale attualmente in essere riguardano:

► La velocità di linea: sono oggi commercialmente disponibili i transponder a 40Gbit/s ed i sistemi DWDM di ultima generazione sono in grado di trasportare sino ad 80 canali @ 40Gbit/s. Esistono i primi field trial per trasmissione a 100Git/s

► La flessibilità della rete, tramite l’introduzione dei cosiddetti nodi ROADM Multidegree che consentono di realizzare reti a Fotoniche a maglia (superando il concetto dei link punto-punto) e di introdurre meccanismi di “intelligenza” (Piani di controllo, come ad oggi utilizzati nelle reti IP) che consentono di implementare meccanismi di protezione e restoration anche nello strato fotonico


Il 40Gbit/s

► La trasmissione a 40G è tecnicamente matura e commercialmente disponibile presso i maggiori Vendor mondiali.

► Il Costo commerciale è però ancora tale da non giustificarne l’inserimento in rete al posto del 10G (rule of thumb:

Costo40/Costo10≤2,5~3)

► Al momento sono ancora poche le esigenze di Clienti per segnali nativi a 40G – le prime applicazioni previste sono per l’interconnessione dei router IP

1990 20102000

10Mb/s

10Gb/s

1Gb/s

100Mb/s

100Gb/s

anno

Bit

rate

di c

iasc

unca

nale

155Mbps

40Gbps

2.5Gbps

10Gbps

622Mbps

EDFA, DWDM, FEC, formati di modulazione, equalizzazione...Innovazionetecnologica

100Gbps

1990 20102000

10Mb/s

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1Gb/s

100Mb/s

100Gb/s

anno

Bit

rate

di c

iasc

unca

nale

155Mbps

40Gbps

2.5Gbps

10Gbps

622Mbps



100Gbps

Cap

acit

à(T

b/s

)

Lunghezza Link (x1000 km)

ULH sottomarinoULH terrestre

Record mondiali di trasmissione

su DWDM

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

World record25 Terabit/s

2007

Ultra-highcapacity

80x107G (2007)

164x111G (2008)

81x40G

25

20

15

10

5

0

Cap

acit

à(T

b/s

)

Lunghezza Link (x1000 km)

ULH sottomarinoULH terrestre

Record mondiali di trasmissione

su DWDM

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

World record25 Terabit/s

2007

Ultra-highcapacity

80x107G (2007)

164x111G (2008)

81x40G

25

20

15

10

5

0


Opportunità per i sistemi a 100 Gbit/s nel nuovo backbone

► Requisiti del mercato:

► Ulteriore crescita del traffico sul backbone

► Disponibilità della tecnologia trasmissiva a costi competitivi

► Requisiti di compatibilità:

► Compatibilità con griglia a 50 GHz

► Distanza di rigenerazione di almeno 800 km (senza amplificazione RAMAN)

► Tolleranza al filtraggio cumulativo (almeno 9 ROADM in cascata)

► Coesistenza con canali a 10 e 40 Gbit/s con diversi formati di modulazione

► Protezione 1+1 entro 50 ms (inclusi i tempi di training di eventuali compensatori adattativi)


Caratteristiche della trasmissione ad altissima capacità

FORMATI DI MODULAZIONE

2 LIVELLI

(1 BIT/SIMBOLO)

• NRZ

• RZ

• DPSK

MULTI-LIVELLO

(2 BIT/SIMBOLO)

• DQPSK

• QPSK

• QAM

MULTIPLAZIONE DI POLARIZZAZIONE

2 CANALI SU POLARIZZAZIONI

ORTOGONALI

RIVELAZIONE DIRETTA O COERENTE

RIVELAZIONE DIRETTA

• SI PERDE LA FASE OTTICA DEL SEGNALE

• NESSUNA EQUALIZZ. ELETTRONICA

RIVELAZIONE COERENTE

• MIGLIORA SENSITIVITY E OSNR

• ABILITA EQUALIZZ. ELETTRONICA DI CANALE (EDC)

• RX PIÚ ROBUSTO A CD E PMD

NESSUNA MULTIPLAZIONE DI POLARIZZAZIONE

DECISIONE A DSP O CONVENZIONALE

DECISIONE A DSP

• ELABORAZIONE DSP DI I e Q

• POSSIBILE DEMULT. DI POL

DECISIONE CONVENZIONALE

• CAMPIONAMENTO AL CENTRO DELL’OCCHIO


Formati di modulazione per il 40G: PolMul - DQPSK

Compatibile con spaziatura 50GHz

Post-processing del segnale non complesso

DQPSK-Modulators

datamodulation

lightsource

CWlaser

balanceddetectors

data demodulation

Q2

polarizationdemultiplexing

opto-electronicconversion

fiber link

transmission

Q1

I1

Q2

Q1

I2

delay lineinterferometers

I2

I1

polarization controller


Ottime prestazioni per sistemi ULH

Compensazione elettronica di CD e di PMD

Post processing coerente più complesso

QPSK-Modulators

datamodulation

optical hybrids

lightsource

CWlaser

balanceddetectors

opto-electr.conversion

I1

Q2

optical mixing

ADCsdigital signal processing

equalization &demodulation

local laser

analogue/digitalconversion

fiber link

transmission

Q1

I2

I1

Q2

Q1

I2

Formati di modulazione per il 40G: PolMul - Coherent QPSK


NRZ duobinary

RZ-DQPSK

PolMux-RZ-DQPSK

PolMux-NRZ-QPSK (coh.)

NRZ-DPSK

RZ-DPSK

PolMux-NRZ-DPSKPolMux-RZ-DPSK

0

2

4

6

8

10

12

14 16 18 20 22 24

OSNR(dB) @ BER 1e-4

DG

D t

ole

ran

ce

(p

s) Red: 4 bits/symbol

Blue: 2 bits/symbol

Magenta: 1 bit/ symbol

* DGD tolerance for coherent RX depends on implementation

Formati di modulazione per il 100G


I vantaggi del coerente

► Eccellente tolleranza alla PMD (30ps o oltre) senza bisogno di compensatori ottici esterni.

► Ottimizzazione della dispersione cromatica residua, senza bisogno di dispositivi ottici addizionali.

► Aggiustamento ultra-veloce (<50 mSec) della dispersione cromatica residua dopo reinstradamento, a differenza dei dispositivi di compensazione ottici tradizionali.

► Distanze di trasmissione non rigenerate superiori ai formati di modulazione non coerenti; i formati di modulazione (proprietari di alcuni vendor) si differenziano da quelli di prima generazione già proposti per una maggiore tolleranza agli effetti non lineari multicanale.

►Tutti i principali Vendor puntano sulla tecnologia coerente per la trasmissione del 100G; per la trasmissione del 40Gbit/s invece le scelte sono differenti.


Agenda► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini

e le sue applicazioni– Le componenti fondamentali– Le applicazioni nella Rete TI– Esempi di progettazione



Le reti intelligenti “all optical”

L’elemento chiave è costituito dai nodi Multidegree ROADM, ovvero nodi in grado di relizzare lo switch ed il rerouting di canali ottici tramite comandi da remoto.

L’introduzione in rete dei nodi ROADM comporta per un Operatore i seguenti vantaggi:

► Riduzione delle rigenerazioni 3R (e quindi riduzione degli investimenti)

► Configurazione da remoto senza interventi in campo (e quindi riduzione e dei costi operativi

L’implementazione tecnologica più diffusa avviene tramite la tecnologia dei WSS (Wavelength Selective Switch):

► Soluzione scalabile perchè modulare: matrici fotoniche distribuite

► “Power Leveling” per il miglioramento delle performance chilometriche

► Utilizzabile per un’implementazione “semplice” della restoration fotonica con conseguente incremento di:

►efficienza, tramite la condivisione delle risorse►affidabilità, grazie alla possibilità di garantire la sopravvivenza

del traffico per guasti multipli►flessibilità, dovuta al fatto che il percorso di un circuito è

calcolato automaticamente ma può essere modificato


La Restoration Fotonica► Il Piano di Controllo delle reti fotoniche (dette anche trasparenti) è

sviluppato a partire dal Piano di Controllo delle reti ASON più tradizionali (dette anche opache; tipicamente SDH) con l’aggiunta delle funzioni IA-RWA (Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment)

► Il piano di controllo deve conoscere lo stato fisico della rete (tipo e lunghezza delle fibre, PMD, amplificatori, WSS attraversati) e calcolare le vie otticamente fattibili per ogni circuito e per la sue vie di protezione

► In caso di guasto deve inoltre provvedere a evitare conflitti nell’assegnazione delle risorse

► Il tempo di Restoration ottica è ancora limitato da

► Meccanismi di adattamento al carico degli amplificatori ottici

► Equalizzazione della potenza dei singoli canali ottici

► Tempo di intervento dei meccanismi di compensazione della dispersione cromatica (specialmente se ottici)

► Questa tecnologia non è stata ancora collaudata estensivamente in campo


Evoluzione delle tecnologie per ROADM

Wave Blocker

PLC

Two degree ROADM Two degree ROADM

2D MEMS Mirror Array

T-ROADM


La tecnologia Wavelength Blocker (WB)

Drop Signal Output

1 2 3 4

DEMUX

BABAIN OUT

DROP

Splitter

DE

MU

X MU

X

Add Signal Input

ADD

C2C2DWCDWCC1C1PAPA

MUX

Broadcast and Select Architecture

Splitter

1 2 3 4

TransmittersReceivers

Add/Drop

Pass Through

•Gestione di due vie•Controllo della potenza individuale della lambda

•Gestione di due vie•Controllo della potenza individuale della lambda


La Tecnologia Planar Lightwave Circuit (PLC)

• Gestione di due vie• Controllo della potenza individuale della lambda

• Gestione di due vie• Controllo della potenza individuale della lambda

ROADM

MUX

DM

UX

40

40

DMUX

PL

C

Add

Drop

Express In

Express out In

Out

PL

C

40

DMUX

40

1×2

1×2

1×2

1×2

In Out

Add

1x2 Switch


La tecnologia Wavelength Selective Switches (WSS)

• Gestione del Multiporta (N>2)• Equalizzazione Ottica• Rerouting di ogni singola lambda verso

qualsiasi delle N direzioni: architettura“directionless”

• Add/drop “colorless” • Implementazione con MEMs o LC (Cristalli

Liquidi)

WSS ROADM

Module

► Per l’add/drop colorless nuove architetture dotate di migliore scalabilità sono già state proposte tramite l’impiego di nuovi componenti ottici (ad es. matrici a MEMS)


Struttura di un nodo ROADM Multidegree a 3 vie

N

-

W EWSSPB P

B

PB

WSS

DEMUXMUX

WSS

WSS

T

Linea EstLinea Ovest

Linea Nord

Add Drop locale

Collegamenti verso altri ROADM

Transpondersintonizzabile

Ciascun WSS, mediante opportuni splitterottici, invia in Broadcast il segnale WDM verso tutte le direzioni. Il sistema di controllo dei singoli WSS collegato al piano di controllo della rete decide quale colore far passare e quale bloccare. In linea di principio è possibile replicare lo stesso segnale su tutte le uscite.

N

-

W EWSSPB P

B

PB

WSS

DEMUXMUX

WSS

WSS

T

Linea EstLinea Ovest

Linea Nord

Add Drop locale

Collegamenti verso altri ROADM

Transpondersintonizzabile

Ciascun WSS, mediante opportuni splitterottici, invia in Broadcast il segnale WDM verso tutte le direzioni. Il sistema di controllo dei singoli WSS collegato al piano di controllo della rete decide quale colore far passare e quale bloccare. In linea di principio è possibile replicare lo stesso segnale su tutte le uscite.

Grating: effettua la scomposizione in componenti spettrali (canali)

Array di MEMS: riflette ciascuna componente spettrale verso una fibra diversa

Lente per la collimazione

Canale BluCanale RossoPorta di ingresso multicanalePorta di uscita multicanale

Grating: effettua la scomposizione in componenti spettrali (canali)

Array di MEMS: riflette ciascuna componente spettrale verso una fibra diversa

Lente per la collimazione

Canale BluCanale RossoPorta di ingresso multicanalePorta di uscita multicanale


Architettura “Directionless”

Monitor

WS

S u

nit

WS

S u

nit

WSS unit

WSS unit

DSA DSA

DS

A

Monitor

Monitor


Monitor

WS

S u

nit

WS

S u

nit

WSS unit

WSS unit

DSA DSA

DS

A

Monitor

Monitor

Colourless ADU

Architettura “Directionless” e “Colorless”


Scalabilità di un nodo ROADMstep 1: Terminale con WSS 1 via


Scalabilità di un nodo ROADMstep 2: Roadm con WSS su 2 vie


Scalabilità di un nodo ROADMstep 3: Roadm con WSS su 3 vie


Scalabilità di un nodo ROADMstep finale: Roadm con WSS su N vie


Gestione e supervisione di un nodo ROADM

Il nodo multidegree ROADM è gestito e configurato dal sistema di gestione come un unico Network Element per quanto riguarda:

Eventi di guasto Gestione degli allarmi Upgrade dei servizi

Single network element


NetworkManager

Scambio dati con il sistema di Gestione

SignalingRouting

Traffico

PROTOCOLLI SNMP, CLI

Tool di Pianificazione/ProgettazionePiano di Controllo

WSON/GMPLS Piano di ControlloWSON/GMPLS

La catena gestionale di una rete con ROADM


L’evoluzione della Rete TI a fronte delle opportunità offerte dalle nuove tecnologie fotoniche

Tunnel otticoTrasparente (OCh) CP CP

CP

CP

CP

CP CPCP

Ultra Long-HaulDWDM

Multi-degreeROADM

► Minor numero di rigeneratori

► Risparmio negli investimenti

Control PlaneGMPLSEvoluto

► “Provisioning” end-to-end

► Protezione e restoration di lambda

► Risparmio nei costi operativiPercorso di protezione

o di restoration


Il nuovo Backbone Fotonico TI: architettura e tecnologia

Nodo ROADMNodo ROADM solo transito

G 655

G 653

G 652

►Architettura “target”: 40 nodi ROADM Multidegree in tecnologia WSS► 63 sistemi DWDM ULH con 80 lambda@ 40 Gbit/s

► Pronta per il 100G

► Diametro di rete: 2400-3100 km (working-protection)

► Optical Protection e Restoration con Control Plane

► Sviluppo dal 2010

PG

PI FI

ALTO/L

BZ

PD

VR/S.M.

PC

VE TO

MI M.

TS

UD

MI B.

RM I.

RM S.

RIM.

AN M.

GE L.

SV

TN

PES.

BOP

1

232

3

4

5

6

7

8 910

11

12

1314

15

16

17

1819

20 21

22

24

25

26 27

28

2930

31

32

34

35

36

MO

37PR38

CIV.39

CA

BA

CT/A

PA/R

LAM/A

NA T.

NOLA

CZ

TA

Mazara

55

57

56

54

47

53

50

49

41

46

42

40

4543

48

52

51

POM44

SS

TORT

GA

59

60

6162

58

33

63

ROADM

Evoluzione architettura dei nodi


Qualche cenno sulla fotonica integrata: un’opportunità tecnologica

► Il termine ottica integrata compare per la prima volta nel 1969 in un articolo apparso su The Bell System Journal: “Integrated Optics: an introduction”; 40 anni dopo il piu’ sofisticato circuiti ottico integrato (PIC, Photonic Integrated Circuit) contiene meno di 100 elementi… ma offre applicazioni interessanti

► Oggi esistono PIC che integrano la funzione di multiplazione, demultiplazione, trasmissione e ricezione multicanale a 10 Gbit/s (e a breve anche a 40 Gbit/s e a 100 Gbit/s)

► L’integrazione garantisce la riduzione del costo della rigenerazione 3R: si passa da reti “trasparenti” a reti “opache”

► Oltre all’indubbio vantaggio di ridurre il costo della rigenerazione e di facilitare quindi la realizzazione di reti fotoniche complesse evitando di dover realizzare collegamenti molto lunghi non rigenerati, l’introduzione della fotonica integrata rende disponibili punti di accesso al segnale in transito per la verifica della qualità digitale (e non solo della potenza del segnale ottico come succede nelle reti “trasparenti”) o per la realizzazione di funzioni più sofisticate


Qualche cenno sulla fotonica integrata: un’opportunità tecnologica


Conclusioni

Nell’ultimo decennio le architetture, le tecnologie e le funzionalità della rete trasmissiva di Telecom Italia sono significativamente cambiate, a seguito dei nuovi driver emersi (requisiti dei nuovi servizi e crescita del traffico) e dell’evoluzione delle tecnologie impiegate, in particolare di quelle Fotoniche

Tale processo evolutivo è stato ed è tuttora governato dai seguenti fattori:

• Utilizzare efficientemente le risorse di rete ottimizzando gli investimenti• Rendere automatiche alcune funzionalità di rete riducendo i costi operativi• Realizzare maggiori capacità a minor costo


Letture interessanti

OFC 2005 - Tutorial on “Current Trends in Optical MEMS”, University of California Berkley ECOC 2009 - Tutorial on “High-Speed PIC Transceivers for Terabit Transport Networks”, Alcatel-Lucent ECOC 2009 – Tutorial on “Coherent receivers: Principles and Real-time implementation”, Alcatel-Lucent White paper on “The Road to 100G Networking”, Ciena, 2008 ECOC 2008 - Tutorial on “Coherent transmission systems”, University of Tokyo ECOC 2009 – White Paper on “POLMUX-QPSK modulation and coherent detection: the challenge of long-haul 100G transmission”, Nokia Siemens Network


Ringraziamenti

Ringrazio i colleghi di Telecom Italia per i contribuiti fondamentali alla stesura di questo lavoro, in particolareMarco Schiano e Piergiorgio Pagnan


Grazie per l’attenzione

[email protected]

Documents

VALENTINA BRIZI TELECOM ITALIA Technology & Operations - Network Engineering Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA Principali