RETE DI TRASPORTO OTTICA
Architettura della rete di trasporto
¾ Strato di circuito
9 connessioni da estremo a estremo
instaurati e rilasciati per mezzo di
comandi inviati a sistemi di
commutazione
¾ Strato di cammino
9 attraverso gli elementi nodali di
permutazione (cross connect XC)
permette di associare in modo
variabile i cammini di rete
9 crea un ponte tra lo strato di
circuito e quello dei mezzi
trasmissivi
9 aggiunge flessibilità e affidabilità
alla rete di trasporto
¾ Strato dei mezzi trasmissivi
9 interconnessione tra nodi e tra nodi
e postazione degli utenti
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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1
Gradi di introduzione delle tecnologie ottiche
nella rete di trasporto
¾ Fino a metà degli anni ‘90 le tecnologie ottiche erano limitate
allo strato dei mezzi trasmissivi
¾ L’introduzione di sistemi trasmissivi che impiegano tecniche
ottiche di multiplazione (WDM, OTDM), insieme a cross-connect
ottici (OXC) ha permesso negli ultimi anni lo sviluppo di uno
strato di cammino completamente ottico
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INSTRADAMENTO BASATO SU WDM
¾ WDM utilizzato solo per
aumentare la capacità dei link
9 collo di bottiglia in ogni nodo dove
tutti i canali devono essere
convertiti da ottico a elettrico e
viceversa (DXC)
¾ Introducendo elementi ottici di
instradamento (OXC)
9 è possibile operare direttamente
sulle singole lunghezze d’onda
senza ulteriori conversioni
ottico/elettrico e viceversa
¾ Ulteriori vantaggi del cammino
ottico:
9 trasparenza rispetto ai sistemi di
trasmissione:
z PDH, SDH, ATM e quant’altro possono
essere contemporaneamente supportati
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2
Stato delle comunicazioni ottiche
¾ In ambiente Sonet/SDH
9 trasmissione ottica
9 multiplazione e cross-connessione elettronica (DXC)
z massimo livello di cross-connessione STM-1
z massimo throughput di un DXC 100-200 Gbit/sec
¾ Introduzione degli amplificatori ottici in fibra:
9 superamento dei limiti di lunghezza imposti dall’attenuazione
9 possibilità di amplificazione a “larga banda” (1530-1560nm)
¾ La richiesta di capacità raddoppia ogni due anni e mezzo:
9 E’ necessario incrementare la capacità sulle fibre installate
9 E’ necessario incrementare il throughput dei nodi di rete
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Possibili tecniche che permettono di
aumentare la capacità di un link ottico
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3
OTN (OPTICAL TRASPORT NETWORK)
CRESCENTI ESIGENZE
DI TRAFFICO
DISPONIBILITA’
DISPONIBILITA’ DI SISTEMI
A CAPACITA’
CAPACITA’ SEMPRE MAGGIORE
RETE OTTICA
¾ Funzionalità richieste
9 Trasporto
z trasmissione ottica
z mux/demux a livello ottico
z instradamento ottico
9 Gestione
z
z
z
z
z
configurazione di rete basata sulle esigenze di traffico
controllo della multiplazione e dell’instradamento
monitoraggio della qualità (QoS)
gestione degli apparati ottici e della rete
protezione di rete a livello ottico nel caso di guasti
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Il problema della trasparenza
¾ La multiplazione e l’instradamento nel dominio ottico permette di
asserire che lo strato ottico è uno strato di rete trasparente:
9 nei confronti del formato dei dati
z ogni singola portante può essere modulata in maniera indipendente rispetto alle altre
z se od ogni portante si associa un diverso flusso informativo, questo può attraversare la rete ottica
senza che questa conosca la tecnica di modulazione
9 nei confronti del rate binario
z ogni singolo flusso informativo (e quindi ogni singola portante) può essere modulato ad un rate
diverso e anche in questo caso la rete ottica non necessità di queste informazioni
¾ La completa trasparenza è irrealizzabile:
9 a causa delle caratteristiche fisiche della trasmissione ottica
z è necessario effettuare lungo il cammino una rigenerazione completa del segnale a causa dei
fenomeni ottici indesiderati
9 per soddisfare le esigenze degli operatori di mantenere e gestire la rete di
telecomunicazioni:
z determinare in qualunque punto del collegamento la qualità del segnale in termini di BER
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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4
Rigenerazione 3R
¾ Ri-amplificazione
¾ Ri-costruzione
¾ Ri-sincronizzazione
9 Nel dominio ottico può essere
effettuata esclusivamente la Riamplificazione
9 La necessità di effettuare
rigenerazioni di tipo 2R e 3R
all’interno della rete comporta:
z necessità di conoscere il rate del
segnale (estrattore di sincronismo)
z necessità di conoscere la tecnica di
modulazione del segnale
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Elementi costitutivi di una OTN
¾ Terminale
di linea
9 controllo lunghezza d’onda e
potenza dei segnali
9 amplificazione ottica lato Tx e/o Rx
9 multiplazione e demultiplazione
ottiche
9 aggiunta di informazioni per la
supervisione e la gestione
¾ Amplificatore
ottico
9 trasparenza ai diversi segnali
9 guadagno uniforme in frequenza
9 indipendente dall’add/drop di
canali ottici
¾ Rigeneratore
elettronico
9 hardware specifico per il tipo di
segnale
¾ Multiplatore
add-drop
9 inserzione / estrazione di uno o più
canali
9 possibilità di includere amplificatori
ottici e trasponder
9 possibilità di configurare le
lunghezze d’onda inserite ed
estratte
9 uso in reti con topologia ad anello
¾ Permutatore
ottico
9 cross-connessione di canali ottici
9 possibilità di includere amplificatori
ottici e trasponder
9 possibilità di conversione di
lunghezza d’onda
9 uso di reti con topologia magliata
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Esempio di architettura fisica di una OTN
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - CdL Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni N.O. - (Docente: Ing. Salvatore Serrano)
Topologia di una OTN
¾ Anello
9 basata su OADM
9 due porte di linea per nodo
9 protezione realizzabile
automaticamente
¾ Maglia
9 basata su OXC
9 due o più porte di linea per nodo
9 protezione per re-instradamento
¾ Mista
¾ Anello multi livello
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Limiti della trasparenza ottica
¾ Progetto di una OTN
completamente trasparente:
9 disponibilità di apparati ottici (ONE)
in grado di effettuare sia la
multiplazione che l’instradamento
¾ Problematiche:
9 si deve tenere conto del cammino
più lungo
9 Assenza di scalabilità
¾ Soluzione:
9 Suddivisione in sottoreti:
z domini di trasparenza (TD) collegati
mediante rigeneratori 3R
z interfacce intradominio (IaDI) - no
standard
z domini amministrativi (AD) collegati
mediante rigeneratori 3R
z interfacce interdominio(IrDI) - standard
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Architettura del livello ottico
¾ Optical Channel (OCh)
z
z
z
z
z
trasporto integrale dell’informazione del cliente trasparente da estremo a estremo
formato: dati codificati + overhead di gestione (OH-OCh)
rate prefissato
tutte le elaborazioni dipendenti dal segnale possono essere confinate ai bordi dell’OTN
sono disponibili commercialmente dei transponder multirate in grado di generare l’Och
a partire da un insieme ampio di segnali (SDH STM-1, STM-4 e GigabitEthernet)
¾ Optical Multiplex Section (OMS)
z trasporto di segnali aggregati multi-lunghezza d’onda
z insieme di canali ottici + OMS-OH
¾ Optical Transmission Section (OTS)
z trasmissione su diversi tipi di fibra di segnali aggregati multi-lunghezza d’onda
z definizione dei parametri fisici (lunghezza d’onda, potenza, OSNR,…) e dell’overhead
di gestione (OTS-OH)
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Schemi di collegamento attraverso la OTN
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Interfaccia 3R tra i nodi OTN
¾ Optical Network Node Interface
(ONNI)
¾ Struttura dell’OCh
9 Optical Channel - Payload Unit
(OPU)
9 Optical Channel - Data Unit (ODU)
9 Optical Channel - Transport Unit
(OTU)
¾ Tipologie di OCh
9 OCh-1: segnali tributari fino a
2.5Gbit/sec
9 OCh-2: segnali tributari fino a
10Gbit/sec
9 OCh-3: segnali tributari fino a
40Gbit/sec
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Esempio di collegamento attraverso OTN
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Trasmissione monocanale e WDM
¾ Le fibre ottiche sono utilizzate nelle telecomunicazioni nelle bande:
9 1300nm (seconda finestra)
9 1550nm (terza finestra, minimo assoluto dell’attenuazione)
¾ La banda trasmissiva nelle due finestre è di circa 25000GHz
¾ Fino ad oggi i vari flussi numerici si sono suddivisa la banda mediante
multiplazione TDM nel dominio elettronico
9 massima capacità 40Gbit/sec (anno 2002)
¾ Capacità maggiori possono essere ottenute con tecniche nel dominio
ottico
9 Optical Time Division Multiplexing (OTDM)
z ancora a livello sperimentale
z massima capacità in laboratorio 40x10Gbit/sec (2000)
9 Wavelength Division Multiplexing (WDM)
z tecnologia a livello commerciale
z massima capacità ottenuta in laboratorio 132x20Gbit/sec (2000)
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9
Fibre ottiche
¾ Fibre ottiche standard
¾ Problematiche
9 ITU-T G.652
z ottimizzata per l’uso in II finestra
9 ITU-T G.653
z ottimizzata per l’uso in III finestra
z Dispersion Shifted
9 ITU-T G.655
z ottimizzata per l’uso in III finestra
z Non Zero Dispersion
9 attenuazione
9 dispersione
z cromatica
z di polarizzazione
9 effetti non lineari
z
z
z
z
z
Brillouin
Raman
Kerr (Self-Phase Modulation - SPM)
Cross-Phase Modulation (CPM)
Four Wave Mixing (FWM)
9 Diafonia
9 Rumore ottico negli amplificatori
ottici (ASE)
9 Rumore di fase nei laser
trasmettitori
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Componenti
¾ Sistema monocanale
9 tratta in fibra ottica
9 trasmettitori
z laser
z LED
9 rivelatori
9 amplificatori ottici
z in fibra drogata
z Semiconductor Optical Amplifier (SOA)
9 transponder
9 accoppiatori
9 isolatori e circolatori
¾ Sistemi multicanale, oltre ai
precedenti dispositivi:
9 multiplatori e filtri
z reticoli
di Bragg
in fibra
in schiere di guida ottica
z
z
z
z
Fabry-Perot
a film sottile multistrato dielettrico
interferometri di Mach-Zehnder
accordabili acusto-ottici
9 commutatori
9 convertitori di lunghezza d’onda
z optoelettronici
z XGM, XPM, wave mixing
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Vantaggi del WDM
9 Realizza di condotti virtuali sulle fibre esistenti
z
z
z
z
incremento di capacità/connettività con il minimo costo incrementale
configurare o riconfigurare la connettività su una topologia fisica fissata
creare percorsi alternativi per protezione e/o reinstradamento
introdurre canali di servizio per supervisione e/o controllo
9 Realizza l’instradamento mediante suddivisione spaziale e
di lunghezza d’onda per il traffico diretto
z evita l’esplosione delle dimensioni e dei costi dei DXC
z alleggerisce il carico di lavoro dei sistemi di gestione
z consente meccanismi di protezione/reinstradamento efficienti e veloci
9 Fornisce collegamenti trasparenti alla velocità e al formato
z evita la moltiplicazione dell’hw necessario ad accettare diversi formati e
velocità
z evita di dover sostituire l’hw nel caso di aggiornamenti di rete
z consente di offrire interi canali ottici
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Allocazione delle lunghezze d’onda
¾ Wavelength path (WP)
9 ogni flusso dati è instradato
attraverso la rete in base alla sua
lunghezza d’onda senza che essa
sia mai cambiata
¾ Virtual Wavelength Path (VWP)
9 il cammino percorso in rete da ogni
flusso dati è caratterizzato da un
vettore di lunghezze d’onda, uno
per ogni ramo di rete attraversato
(conversione di lunghezza d’onda)
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Procedure di progetto dei sistemi DWDM
¾ La procedura di progetto si basa sul rispetto di tre vincoli:
9 garantire un rapporto segnale rumore ottico al ricevitore sempre
superiore ad un valore minimo specificato dal costruttore;
9 garantire che la dispersione cromatica totale e la dispersione di
polarizzazione totale accumulata sia inferiore al valore massimo tollerato
dai ricevitori;
9 mantenere, con una certa tolleranza, le distorsioni e l'interferenza
introdotte dalle non linearità al di sotto dei valori dichiarati dal costruttore.
¾ Il rispetto dei tre vincoli deve essere verificato per il massimo
ritmo binario che si prevede di utilizzare su quel collegamento
(ad esempio oggi si progetta a 10 Gbit/s)
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Definizione di “progetto di un collegamento
DWDM”
Tratta nesima:
TX
1
2
N-1
3
N
B
Sito nesimo:
0
P
N-2
1
2
3
N-1
Amplificatore
di linea:
L
L
L
L
L
Rigeneratore :
P 3R B
P 3R B
P 3R B
P 3R B
P 3R B
RX
N
Ponticello:
RX
Terminale di ricezione DWDM
TX
Terminale di trasmissione DWDM
P 3R B
Stadio di rigenerazione
DWDM
P
Preamplificatore ottico
L
Amplificatore ottico di linea
B
Amplificatore ottico di potenza
(Booster)
Ponticello in fibra
¾ La progettazione di un collegamento DWDM corrisponde alla
determinazione di tutte le configurazioni fattibili (che rispettano i
tre vincoli su OSNR, dispersione e non linearità) e alla scelta di
una di esse in base a predefiniti criteri di convenienza
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Calcolo dell’attenuazione
A j = α f ⋅ L j + α g ⋅ L j + n j ⋅ Ac + M e
Lj [km]
αf [dB/km]
αg [dB/km]
Ac [dB]
nj
lunghezza della tratta j-esima;
attenuazione introdotta dalla fibra ottica;
attenuazione equivalente introdotta dai giunti;
attenuazione introdotta dal singolo connettore;
numero di connettori utilizzati per l’attestazione delle fibre della
tratta j-esima e per eventuali transiti in centrale.
margine di esercizio
Me
Valori tipici di questi parametri sono i seguenti:
αf = 0,25 dB/km;
αg= 0.02 dB/km;
Ac= 0.6 dB;
nj = 2
Me = 3 dB
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Calcolo dell’OSNR
(Optical Signal to Noise Ratio)
Terminale
DWDM: TX
Terminale
DWDM: RX
g1
g2
g3
g n-1
L
L
L
L
gn
Mux
Demux
B
a1
SASE(f)
∆ν
a2
PS,n
PS,n
Fhν(g-1)
ν
OSNR =
PS,n
=
PN,n
a3
P
an
F: figura di rumore
g: guadagno
h: costante di Planck
ν: frequenza del canale
∆ν: banda passante del filtro ottico di
ricezione (prima del fotodiodo)
OSNR
PS,0
n
PN,0 + Fhν∆ν∑ ai
i=1
Vincolo da rispettare: OSNR ≥ OSNRmin
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Dispersione cromatica e sua compensazione
¾ Sia L [km] la lunghezza della OMS e D [ps/nm/km] il coefficiente
di dispersione cromatica della fibra ottica in esame.
¾ Sia [Dispmin , Dispmax] [ps/nm] l’intervallo di valori di
dispersione cromatica residua accettati dal ricevitore:
¾ Vincolo da rispettare: Dmin > L · D > Dmax
¾ In condizioni di mancato rispetto del vincolo è possibile
utilizzare i moduli di compensazione detti DCM (Dispersion
Compensation Module) costituiti da spezzoni di fibra ottica
opportunamente drogata (con pendenza della curva di
dispersione opposta alla fibra di trasmissione) . Tipicamente
sono inseriti tra i due stadi degli amplificatori ottici di linea
(OLA).
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Esempio di configurazione fattibile
OMS1 (L1 km)
OMS2 (L2 km)
OMS3 (L3 km)
Terminale
DWDM: TX
Terminale
DWDM: RX
B
L
L
P 3R B
L
P 3R B
L
P
Demux
Mux
Tratte accorpate
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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RETE NAZIONALE TELECOM ITALIA NEL
2000
BZ BG
BackBone rings
(4 f.o. MSSPRing)
SV
Join rings
91.500 km-λ al 2000
UD
D. BS K.
VR TR
TS
AO COMO
M.
MIMI
B.BS/A
PD/A
S.M./V
VE T.
MI/R
TO/L
PC/A
AL TOR.
BO/A
GE
1Q 2001
2000
BOP
S
P
PI
AN
FI
PG/A
PG
LUCIGN./A
PE
PE/A
GR
RM I.RM/N PE ST.
CV
RM S. RM/S
FG/A
POMEZIA
NOLA SGT
FORMIA/A SA C.
NAT
G. ARANCI
SA P.
National network
SS
Regional
network (level 2)
CA
Regional network
(level 1)
BA D.
TA
CASTR./A
SCALEA
CZ
SIANO S. CONO
LAMEZIA/A
PA/R
ME/A
S.AGATA/A LOCRI/A
TP/A
MEM. RC
S.AGATA
PA/ITC
CT
MAZARA/A
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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Rete Phoenix
ottobre 2004
RETE DI TRASPORTO OTTICA
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15
