Corso di Reti di Telecomunicazione. Elementi delle reti WDM

Transcript

1 Corso di Reti di Telecomunicazione Elementi delle reti WDM

2 Elementi delle reti WDM CWDM vs. DWDM Elementi delle reti WDM Optical Line Terminals (OLT) Optical Line Amplifiers Optical Add/Drop Multiplexer (OADM) Optical Cross-Connect (OXC)

3 CWDM (1) CWDM (Coarse WDM) Scelta ideale per trasporto short-haul di dati, voce, video, multimedia Distanza minore di 50 km senza rigenerazione Modulazione diretta della sorgente laser Sistemi CWDM con bitrate fino a 2.5 Gbps (OC-48) e 18 canali Capacità 45 Gbps per ogni fibra Integrazione di trasmettitore e ricevitore in un unico transceiver Laser DFB senza controllo di temperatura più Fotodiodo APD

4 CWDM (2) Standard ITU G Channel spacing 20 nm (2500 GHz) Griglia equispaziata in lunghezza d onda Griglia di 18 canali tra 1270 e 1610 nm

5 DWDM (1) DWDM (Dense WDM) Scelta ideale per trasporto short-haul e long-haul di dati, voce, video, multimedia Sistemi ad elevata capacità metro e long-haul Alternativa all installazione di nuovi cavi in fibra Quando sono insufficienti i 18 canali del CWDM Sistemi DWDM tipici con bitrate fino a 10 Gbps (OC- 192) e 240 canali Capacità 2.4 Tbps per ogni fibra Sistemi nuovi a 40 Gbps su 300 canali Capacità 12 Tbps per ogni fibra Transceiver DWDM consumano molta potenza Serve raffreddamento, molto costosi

6 DWDM (2) Standard ITU G Rispettato da tutti i sistemi terrestri Griglia equispaziata in frequenza ancorata a THz ( nm) Channel spacing commerciale 50 o 100 GHz (0.4, 0.8 nm)... Ma lo standard prevede anche channel spacing 12.5 GHz (0.1 nm) e 25 GHz (0.2 nm)

7 Elementi delle reti WDM (1) CWDM vs. DWDM Elementi delle reti WDM Optical Line Terminals (OLT) Optical Line Amplifiers Optical Add/Drop Multiplexer (OADM) Optical Cross-Connect (OXC)

8 Elementi delle reti WDM (2) Reti WDM wavelength-routing Fornitura di lightpath ai client Connessioni end-to-end a commutazione di circuito Canale ottico (lunghezza d onda) tra due nodi della rete commutato tra nodi intermedi Nodi intermedi commutano e convertono lunghezze d onda Ogni link supporta N lunghezze d onda Lightpath instaurati e terminati su richiesta utenti Elementi delle reti WDM wavelength-routing Optical Line Amplifiers Optical Line Terminals (OLT) Optical Add/Drop Multiplexers (OADM) Optical Crossconnects (OXC)

9 Elementi delle reti WDM (3) Configurazioni ad anello e magliate OLT mux i canali in una singola fibra e demux la trama WDM nei singoli canali Usati agli estremi di link punto-punto Possono incorporare amplificatori di linea OADM sono usati dove è necessario prelevare solo una parte del traffico, il resto instradato altrove Configurazione lineare o ad anello OXC simili agli OADM, ma con elevato numero di porte e lunghezze d onda coinvolte Configurazione mesh, interconnessione di anelli Utenti della rete connessi a OLT, OADM o OXC Supporto di client multipli (IP, ATM, Sonet )

10 Elementi delle reti WDM (4)

11 Reti wavelength-routing (1) Caratteristiche Riutilizzo spaziale delle lunghezze d onda Lightpath diversi possono usare la stessa lunghezza d onda su link diversi Supporto di molti lightpath con poche frequenze Conversione della lunghezza d onda Migliora lo sfruttamento delle risorse della rete Accoppiamento segnali dall esterno della rete Es. lightpath E-X-F Trasparenza Trasporto di dati con diversi bitrate e protocolli Supporto concorrente di strati client multipli Es. trasporto di dati da router IP e terminali Sonet

12 Reti wavelength-routing (2) Commutazione di circuito Lightpath instaurati e terminati su richiesta utente a velocità piuttosto basse (oggi) e con tempi di vita elevati (mesi-anni) Nel futuro: possibilità di installare sistemi più dinamici Commutazione di pacchetto non a livello ottico Affidabilità Optical packet switching ancora immaturo Compito affidato a IP, ATM o simili (elettronico) In caso di guasto, routing su lightpath alternativo Topologia dei lightpath Grafo composto dai nodi della rete, e da archi che corrispondono ai lightpath attivi I livelli superiori vedono i lightpath come link fisici tra nodi, progettati ad hoc

14 Optical Line Terminals (1) Architettura molto semplice Mux e demux di canali a estremi di link punto punto Elementi funzionali principali Transponder Tipicamente opera in modalità O-E-O Adattamento alla rete ottica dei segnali dai client Adattamento ai client dei segnali dalla rete ottica Interfaccia variabile a seconda di bitrate e distanza La più comune è la Sonet/SDH short-reach Slide 30 Client dello strato ottico Ma si va verso VSR (very short reach) oltre i 10 Gbps Conversione a lunghezza d onda standardizzata ITU Quella di ingresso può anche essere a 1310 nm Aggiunta di overhead per gestione rete Aggiunta di codici FEC (B > 10 Gbps) Monitoraggio del BER nella rete

15 Optical Line Terminals (2) Adattamento In entrambe le direzioni (vedi esempio router IP) Solo in direzione uscente (vedi esempio terminale Sonet 1) Lunghezza d onda ITU direttamente al client Non necessario (vedi esempio terminale Sonet 2) Adattamento realizzato dal client Riduzione di costi, spazio, potenza dissipata ma interfaccia proprietaria non standardizzata Transponder componente dominante dell OLT per Costo, spazio occupato e consumo di potenza Riduzione numero transponder usati è punto chiave Multiplexer/Demultiplexer Mux/demux dei segnali a diversa lunghezza d onda Uso delle tecnologie descritte parlando di componenti AWG, TFMF, reticoli di Bragg in fibra

16 Optical Line Terminals (3) Amplificatori ottici Amplificazione di potenza del segnale in uscita Amplificazione del segnale entrante prima del demux Terminazione dell OSC Optical Supervisory Channel OSC su una lunghezza d onda separata rispetto ai dati Monitoraggio amplificatori di linea e rete in generale

18 Optical Line Amplifiers Posizionati in linea con periodo km Uso di due o più blocchi EDFA in cascata Accesso midstage per componenti con perdite elevate In particolare DCU e OADM Piazzamento ottimo che minimizza la figura di rumore Uso di Automatic Gain Control (AGC) Uso di sistemi di monitoraggio del segnale Drop e successivo Add dell OSC EDFA spesso combinato con amplificazione Raman Amplificazione separata delle bande C ed L

20 Optical Add/Drop Multiplexer (1) Metodo a basso costo per gestire traffico passthrough in reti metro e long-haul Posizionamento OADM Reti metro: elemento di rete stand-alone Reti long-haul: accesso midstage in amplificatori ottici Es. link full-duplex, rete lineare a 3 nodi 1 lunghezza d onda tra A e B, 1 tra B e C, 3 tra A e C Soluzione WDM punto punto Soluzione WDM con OADM

21 Optical Add/Drop Multiplexer (2) Soluzione punto punto 2 sistemi WDM punto punto A-B e B-C Ogni sistema punto punto terminato da OLT Nodo B contiene 2 OLT Ogni OLT contiene 4 transponder, quindi 8 in tutto Solo un canale è terminato in B, gli altri 3 passano 6 transponder gestiscono traffico passthrough Transponder elemento ad elevato costo nell OLT! Soluzione con OADM Rete wavelength-routing, OLT in A e C, OADM in B OADM estrae un canale, gli altri 3 sono passati usando semplice filtraggio ottico senza transponder Servono solo 2 transponder invece di 8 Grosso risparmio sui costi!

22 Optical Add/Drop Multiplexer (3) Cruciale il ruolo dell OADM in reti moderne Traffico passthrough tipicamente è frazione molto elevata del totale OADM permette radicale riduzione dei costi Osservazione (a) Perché i transponder per il traffico passthrough? Si potrebbero connettere demux e mux Teoricamente possibile, se OLT progettato ad hoc In pratica Attenuazione del segnale rende impossibile la connessione diretta Si vogliono potenze simili tra segnali entranti e aggiunti OADM attualmente usati sono statici

23 Architetture per OADM (1) Molte architetture proposte, basate sui filtri e mux già studiati AWG, TFMF, reticoli di Bragg in fibra OADM come scatola nera con due porte di linea e N porte locali per add e drop di canali Caratteristiche degli OADM Numero di lunghezze d onda supportate Massimo numero di lunghezze d onda per add/drop Vincoli sulle lunghezze d onda per add/drop Singolo canale, gruppi, pattern arbitrario Significativo impatto sul routing della rete Facilità dell operazione di add/drop Add/drop di canali addizionali distrugge il contenuto dei canali esistenti? Continua

24 Architetture per OADM (2) Modularità dell architettura Costo dovrebbe scalare con il numero di canali estratti Complessità del progetto del livello fisico Se le perdite per i canali passthrough non sono dipendenti dai canali add/drop il progetto è semplice Problema del crosstalk Riconfigurabilità dell OADM Selezione dei canali da estrarre o far passare da remoto via software, senza intervento manuale Architettura Parallela (a) Parallela modulare (b) Seriale (c) Band drop (d)

25 Architetture per OADM (3) Architettura parallela Architettura parallela modulare Architettura seriale Architettura band drop

26 Architetture per OADM (4) Architettura parallela Tutti i canali entranti sono demultiplexati Un set arbitrario di canali è estratto o aggiunto, gli altri passano Nessun vincolo sui canali da estrarre/aggiungere Minimi vincoli nella pianificazione dei lightpath Perdite indipendenti dai canali estratti/aggiunti OADM parallelo ben progettato non disturba i canali esistenti Architettura troppo costosa per pochi canali Un solo canale da estrarre implica completa demux Perdite elevate Architettura ottima in alcuni casi Molti canali da estrarre/aggiungere Richiesta di elevata flessibilità nell add/drop Completa demux implica passaggio per molti filtri Tolleranza sulle lunghezze d onda molto stringente

27 Architetture per OADM (5) Architettura parallela modulare Demux/mux in due stadi Primo stadio: separazione dei canali in bande Secondo stadio: separazione delle bande in canali Es. 16 canali divisi in 4 bande da 4 canali. Dovendo estrarre 4 canali, gli altri 12 passano a livello banda Minori costi, minori perdite e maggiore uniformità Architettura multistadio essenziale con molti canali Architettura molto usata per OADM commerciali moderni AWG, TFMF, possibile uso di interleaving Architettura seriale Add/drop un canale alla volta SC-OADM (Single-Channel OADM)

28 Architetture per OADM (6) SC-OADM in cascata per trattare più canali TFMF, reticoli di Bragg in fibra Complementare all architettura parallela Add/drop addizionale distruttivo, necessaria attenta pianificazione Architettura altamente modulare Costo proporzionale al numero di canali da estrarre Costo alto se elevato il numero di canali da estrarre Le perdite crescono linearmente con gli stadi Impatto indiretto sui costi Es. budget di potenza per ogni lightpath 25 db Lightpath B-D con perdite pari a 25 db (a) Nuovo lightpath instaurato tra A e C (b) Introduzione di un nuovo OADM in C, perdite 3 db Il lightpath B-D non funziona più!! Per risolvere il problema si rigenera il lightpath B-D in C Ma si aggiungono 3 db di perdite E si rischia di distruggere lightpath passanti per C

29 Architetture per OADM (7) Add/drop di canali addizionali va fatto con cautela: in SC-OADM influenza gli altri lightpath! Soluzione: EDFA e attento progetto del sistema I lightpath passthrough non vengono filtrati Ogni lightpath passa attraverso 2 filtri (al mittente e al destinatario) Tolleranza sulle lunghezze d onda meno stringente Architettura band drop Una banda di canali fissa è estratta dal flusso Ulteriore separazione in un secondo stadio Funzione Add con semplici accoppiatori Es. add/drop di 4 canali da un flusso di 32 Compromesso tra architettura seriale e parallela Tipo di filtro determina numero di canali add/drop Add/drop di canali addizionali del gruppo non disturba gli altri lightpath

30 Architetture per OADM (8) Architettura band drop complica la pianificazione delle lunghezze d onda e dei lightpath Lo stesso set di canali è estratto/aggiunto ad ogni nodo Es. canale 1 estratto ad un nodo e aggiunto al successivo Canali nella stessa banda estratti e aggiunti anche se sono passthrough! Difficile fare passthrough senza rigenerazione Difficile fare il power budget della rete! Uso di OADM con bande composte in modo diverso Complicazione nel progetto della rete, in particolare se il traffico cambia dinamicamente Nessuna architettura è perfetta Tutte sono fattibili e disponibili in commercio W: numero totale canali D: numero canali add/drop

32 Optical Cross-Connect (1) OADM usati per semplici topologie Lineare, anello E relativamente poche lunghezze d onda OXC gestisce topologie mesh e elevato numero di canali OXC può usare commutazione ottica o elettronica OXC elemento chiave per reti riconfigurabili Setup dinamico di lightpath Si consideri un CO di un importante operatore Es. CO metro o nodo di rete long-haul Terminazione di elevato numero di fibre, molti canali Altri canali devono essere passati oltre OXC svolge tutte queste funzioni in grande

33 Optical Cross-Connect (2) OXC lavora con elementi Sonet/SDH, router IP, switch ATM, terminali WDM, OADM Alcune porte connesse a dispositivi per WDM Altre a dispositivi che portano traffico ad utenti Es. router IP, switch ATM, ADM Sonet OXC fornisce efficiente passthrough, allo stesso tempo gestisce traffico da dispositivi locali OXC non comprende gli OLT che lo circondano Sono prodotti separati, spesso con produttori diversi

34 Funzioni degli OXC (1) Fornitura flessibile del servizio Setup automatizzato dei lightpath Importante in presenza di molti nodi e canali Soprattutto in presenza di traffico fortemente variabile Configurazione da remoto vs. operatore in centrale Protezione Fondamentale protezione dei lightpath contro guasti OXC rileva il guasto e redirige il lightpath OXC permettono di installare reti realmente mesh Uso efficiente della banda Trasparenza al bitrate Capacità di instradare segnali con bitrate arbitrario Monitoraggio delle prestazioni Visibilità esterna delle prestazioni del sistema Porte dedicate alla diagnostica

35 Funzioni degli OXC (2) Conversione di lunghezza d onda Fondamentale per sfruttamento efficiente delle risorse Multiplexing e grooming OXC gestiscono segnali al rate di linea Ma internamente anche a granularità inferiori Es. a livello STS-1 (51 Mbps) Si tratta di mux/demux Sonet/SDH a livello elettronico incorporato in OXC invece di avere dispositivo a parte OXC composto da 2 sezioni Nucleo di switching Porte Composto dagli switch che realizzano il cross-connect Insieme di schede e interfacce con altri dispositivi Possono includere conversione O-E o O-E-O Diverse configurazioni per connessione OXC - OLT

36 Tipologie di OXC OXC opaco elettrico OXC opaco ottico con O-E-O OXC opaco ottico OXC ottico trasparente

37 OXC completamente ottico (1) OXC (d) merita approfondimento particolare Conveniente dal punto di vista dei costi, ma è carente di 3 funzioni Grooming Aggregazione/disaggregazione flussi a basso bitrate Rigenerazione del segnale Compensazione delle perdite Conversione di lunghezza d onda Efficiente sfruttamento delle risorse della rete Es. 3 lunghezze d onda disponibili, 2 lightpath già settati (a) Niente conversione in B, lightpath A-C impossibile (b) Conversione in B, si può instaurare lightpath A-C

38 OXC completamente ottico (2) OXC completamente ottico realistico OXC completamente ottico più OXC con core switch elettrico Il secondo fonisce i servizi di grooming, rigenerazione e conversione di lunghezza d onda Switching della maggior parte del traffico a livello ottico Quando serve si passa a livello elettrico e si riconverte Si ottiene un dispositivo con Basso costo Elevata capacità di switching Elevata capacità di elaborazione Switching di bande di canali Risparmio di porte