Standard nelle fibre ottiche

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1 Standard nelle fibre ottiche

2 Il protocollo ethernet ottico Ethernet è una suite di protocolli originariamente sviluppati per realizzare LAN (Local Area Networks): Ethernet ha avuto molto successo ed è uno dei protocolli maggiormente utilizzati nelle LAN È ufficialmente standardizzata da IEEE, con la serie di specifiche denominate IEEE 802.3

3 Il protocollo ethernet ottico Il data rate originale era di 10 Mbit/s su cavi coassiali. Il protocollo Ethernet ha avuto una enorme diffusione, che continua a crescere La stragrande maggioranza dei PC è dotata di schede di rete Ethernet.

4 Il protocollo ethernet ottico Varie standardizzazioni successive hanno introdotto: Ethernet a 100 Mbit/s (denominato Fast Ethernet ) Ethernet a 1 Gbit/s (denominato Gigabit Ethernet ) Ethernet a 10 Gbit/s (nel 2003).

5 Il protocollo ethernet ottico Per i diversi bit rate, il protocollo Ethernet ha standardizzato soluzioni sia in rame (cavi UTP di varia categoria) che in fibra: Tuttavia, per Gigabit Ethernet la soluzione in fibra è di gran lunga la più utilizzata; Per 10 Gbit Ethernet, la fibra è l unica soluzione praticabile (esiste una soluzione in rame solo per brevissime distanze).

6 Il protocollo ethernet ottico Ethernet, a qualunque bit rate, è sempre stata standardizzata in modo da permettere soluzioni a basso costo. La fascia di costo è quella delle schede di rete da PC. Oggi (2003) sono disponibili schede di rete Gigabit Ethernet da PC. Un consorzio di grandi produttori sta per lanciare sul mercato schede 10 Gbit Ethernet.

7 Rthernet e componenti ottici Per ragioni di riduzione di costi, gli standard Ethernet ottici prevedono di utilizzare LED a 850nm o Laser (modulati direttamente) a 1300 nm; Fibre multimodo; Solo per le distanze più lunghe, fibre SMF. Tutte le soluzioni commerciali usano topologia a stella e collegamenti full-duplex su coppie di fibre L accesso multiplo CSMA-CD non è utilizzato nelle soluzioni ottiche.

8 Ethernet e componenti ottici Per Fast Ethernet in fibra ottica (100 Mbit/s) il protocollo prevede: 100 Base-FX (IEEE 802.3u) Fibra multimodo 62.5/125 (cavo con due fibre, una per direzione); uso di LED a 1300 nm; Link loss massima: 11 db (fibre+connettori); Distanze fino a 400 m circa, determinata non da requisiti di livello fisico, ma da massimo round-trip time.

9 Fast-Ethernet ottico Esistono schede di rete proprietarie che permettono di estendere il collegamento ben al di là dei 412 metri dello standard, sino tipicamente a 2 Km Si tratta spesso di media converter da rame (100-BaseTX) a fibra, per le situazioni in cui si devono coprire distanze superiori a quelle previste per la soluzione in rame; Esistono anche soluzioni per arrivare a decine di km, usando laser modulati direttamente. I costi sono tipicamente (nel 2003) inferiori a 100 Euro per apparato.

10 Cenni alla codifica di linea Tutta la famiglia di protocolli Ethernet in fibra ottica utilizza una codifica di linea. Per codifica di linea si intende una trasformazione dei bit di payload in ingresso in una nuova serie di bit.

11 Cenni alla codifica di linea In una codifica di linea (k,n) k bit in ingresso vengono trasformati in n bit di uscita, con n>k, secondo delle tabelle di conversione (look up table) predeterminate (e ovviamente note al ricevitore). Le codifiche di linea sono molto usate nelle trasmissioni ad alta velocità per ottenere particolari funzionalità utili a livello fisico.

12 Codifica 8B/10B Nel caso di Ethernet ottico, si usa la codifica 8B/10B 8 bit in ingresso (1 byte) vengono mappati in 10 bit in uscita. La mappatura è studiata in modo da ottenere, per qualunque dei 256 possibili byte in ingresso: Flusso in uscita con un numero sufficiente di transizioni 0/1, in modo da poter recuperare facilmente il clock in ricezione Flusso in uscita con un numero bilanciato di 0 e 1).

13 Codifica 8B/10B La mappatura è studiata in modo da ottenere, per qualunque dei 256 possibili byte in ingresso: Possibilità di aggiungere parole di controllo Notare infatti che le possibili parole di 10 bit sono 1024, mentre le possibile parole in ingresso sono solo 256; Alcune delle parole non corrispondenti a nessun ingresso possono essere usate per controllo (parole di start, stop, dummy, etc). Rivelazione di singoli errori sul bit (tramite codice a controllo di parità).

14 Codifica 8B/10B Il costo per ottenere i vantaggi precedentemente elencati è un aumento del bit rate in linea. La codifica 8B/10B aumenta infatti la velocità di trasmissione del 25%. Il bit rate in linea di Fast Ethernet è dunque pari a 125 Mbit/s.

15 Gigabit Ethernet ottico Per Gigabit Ethernet in fibra ottica (1 Gbit/s, IEEE 802.3z) il protocollo prevede le seguenti tipologie di link di livello fisico:

16 Gigabit-Ethernet ottico Anche in questo caso, esistono soluzioni proprietarie che permettono di andare ben al di là della distanza massima di 5 Km prevista dallo standard. Ad esempio, esistono soluzioni proprietarie per arrivare, usando laser a 1550 nm su fibra SMF, fino a circa 150 Km (senza amplificazione ottica nè compensazione di dispersione). Anche Gigabit Ethernet si basa sulla codifica 8B/10B, e dunque in linea trasmette a 1.25 Gbit/s.

17 Gigabit-Ethernet power budget Tabelle tratte da apparati commerciali

18 SDH

19 SDH e SONET SDH: Synchronous Digital Hierarchy Principale (e sostanzialmente unico) standard europeo (ITU-T) per trasmissioni ad alta capacità su reti geografiche. SONET: Synchronous Optical NETwork Analogo standard americano (ANSI). Le differenze tra le due soluzioni sono legate soprattutto alla terminologia e ai dettagli tecnici In questo corso, si utilizzerà la terminologia SDH, europea.

20 SDH e SONET Le prime standardizzazioni SDH/SONET furono introdotte a partire dagli anni 80, con i seguenti obiettivi: Upgrade dei precedenti sistemi di trasporto (detti PDH, da Plesiocronous Digital Hierarchy) Uso esteso delle fibre ottiche Interoperabilità tra apparati ottici di fornitori diversi Requisiti di altissima affidabilità Spesso i gestori richiedono: Affidabilità dei singoli apparati: 1 guasto ogni 25 anni Affidabilità di sistemi completi: pochi secondi di fuori servizio all anno.

21 Cosa è l SDH? Insieme di standard ITU-T (alcune migliaia di pagine!) che coprono i seguenti principali aspetti: Struttura di multiplexing TDM (Time Division Multiplexing) e dei relativi sistemi di sincronizzazione; Definizione di tecniche di gestione e protezione della rete; Definizione delle interfacce verso i protocolli di livello; superiore (ATM, IP) e i flussi a bit rate inferiore (tributari); Definizione delle interfacce di livello fisico. Nelle slide seguenti, analizzeremo principalmente le caratteristiche del livello fisico.

22 SDH Un dettaglio sul termine SDH - Synchronous Digital Hierarchy Digital Hierarchy si riferisce alla precisa strutturazione della multiplazione TDM (a divisione di tempo) in una gerarchia di bit rates; Synchronous si riferisce al fatto che le reti SDH sono altamente sincrone Grande attenzione è stata posta in tecniche che permettono ai vari nodi di una rete SDH di avere clock interni molto precisi e sincronizzati a livello globale.

23 commenti I costi degli apparati SDH sono molto maggiori, ad esempio, di quelli per Ethernet, anche a parità di bit rate. Gli apparati SDH hanno infatti un ambito di utilizzo specifico per le reti dei gestori di TLC, dove sono richiesti elevatissimi livelli di affidabilità ( % availability ); Funzioni di controllo e gestione complesse.

24 Gerarchia di multiplazione SDH-SONET

25 Gerarchia di multiplazione SDH-SONET In sostanza, relativamente alla struttura di multiplazione: SDH STM-n corrisponde a n flussi a Mbit/s multiplati in TDM in un unico flusso a n Mbit/s. SONET OC-n (o STS-n) corrisponde a n flussi a Mbit/s multiplati in TDM in un unico flusso a n Mbit/s.

26 Gerarchia di multiplazione SDH-SONET SDH è stato originalmente sviluppato per gestire traffico telefonico Per questo, i bit rates sono strettamente legati al PCM telefonico 8000 campioni al secondo (1 campione ogni 125 μs) su 8 bit per un totale di 64Kbit/s Il frame SDH dura 125 μs e può portare un numero intero di flussi PCM. Oggi SDH può in realtà supportare tutti i principali protocolli dati (Ethernet, Fiber Channel, etc) con opportune conversioni.

27 SDH-strato fisico

28 SDH-strato fisico Principali documenti ITU-T su livello fisico SDH ITU-T G.957: Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy Singolo canale, singola tratta senza amplificatori ottici fino a 2.5 Gbit/s. ITU-T G.691: Optical interfaces for single-channel STM-64, STM-256 and other SDH systems with optical amplifiers Singolo canale, singola o multipla tratta con amplificatori ottici, fino a 40 Gbit/s. ITU-T G.692: Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers Multi canale (DWDM), singola o multipla tratta con amplificatori ottici, fino a 10 Gbit /s.

29 ITU-T G.957 e G.961 I sistemi sono classificati con la seguente notazione Type - Level. Suffix (esempio: L-64.2) Type indica la lunghezza del sistema: I intra-office ( fino a 2 Km); S- short-haul (20 Km); L- long-haul (40 Km o 80 Km); V- very long-haul (80 Km o 120 Km); U- ultra long-haul (120 Km o 160 Km).

30 fiber (NZDSF, ITU G.655). ITU-T G.957 e G.961 Type - Level. Suffix (esempio: V-64.2) Level indica il bit rate in termini di STM-n Ad esempio V-64 è un sistema very long haul STM-64, cioè a10 Gbit /s. Il Suffix indica (contemporaneamente) la lunghezza d onda della sorgente e la fibra utilizzata nm source, SMF fiber (ITU G.652); nm source, SMF fiber (ITU G.652); nm source, dispersion shifted fiber (DS, ITU G.653); nm sources, on non-zero dispersion shifted

31 SDH interfaccia di tipo fisico Ad esempio: V-64.3 è un sistema: Very long haul (120 Km) 10 Gbit/s Operante a 1550 nm su DS dispersion shifted fiber S-1.1 è un sistema: Short -haul (20 Km) 155 Mbit/s Operante a 1300 nm su SMF standard fiber.

32 Organizzazione standard SDH Le specifiche G.957 e G.691 si occupano di definire, separatamente, i parametri di: Trasmettitore; Link ottico (chiamato Optical Path ); Ricevitore.

33 DWDM

34 Setup di un sistema DWDM

35 Setup di un sistema DWDM I componenti tipici costituenti un sistema DWDM sono: Al trasmettitore: Laser DFB, Modulatori esterni in Niobato di Litio Multiplexer e Demultiplexer ottici Filtri AWG Amplificazione ottica in linea EDFA Al ricevitore: Fotodiodi PINFET a larga banda.

36 Spaziatura tra canali Scelta della spaziatura tra canali Larga: Riduce i requisiti sui componenti Permette futuri sviluppi dei sisitemi con bit rate più alti. Stretta: Permette di avere un maggior numero di canali nella banda di guadagno degli amplificatori ottici Impone notevole precisione e stabilità dei componenti ottici.

37 Separazione spettrale tra canali adiacenti La spaziatura minima tra canali, oltre a considerazioni tecnologiche, è fondamentalmente limitata dalla sovrapposizione degli spettri dei canali adiacenti. La situazione attuale è la seguente: Oggi la spaziatura tra canali nei sistemi commerciali deve essere almeno 5-10 volte il bit rate. Negli esperimenti di laboratorio sono stati dimostrati sistemi con spaziature prossime al bit rate. Per esempio, 25 GHz di spaziatura con canali a 10 Gbit/s, corrispondente ad una efficienza spettrale del 40%.

38 L uso di Bande di amplificazione alternative (S, L e XL) Spaziature minori: 50 GHz permette già oggi di avere sistemi commerciali con più di 100 canali. EDFA e massimo numero di canali La banda ottica disponibile è limitata principalmente dalla banda di guadagno degli EDFA. Esempio: EDFA C-Band 1540 nm nm 25 nm di banda disponibile, pari a 3.2 THz. Utilizzando un sistema DWDM con spaziatura 100 GHz si possono avere 32 canali.

39 Architettura dei sistemi WDM Nelle seguenti slide sono descritte le architetture tipiche dei sistemi DWDM I tributari di un sistema DWDM sono di solito dei canali SDH.

40 DWDM: trasmettitore

41 Punti di add-drop ottico intermedi (opzionalmente, solo nei sistemi più recenti). DWDM: collegamento Il collegamento tipico nei sistemi DWDM, oltre alla fibra, è composto da: EDFA Sistemi di monitoraggio ottico/elettrico Dispersion compensating units (DCU)

42 DWDM: collegamento

43 DWDM: ricevitore