RETE DI TRASPORTO OTTICA

Transcript

1 RETE DI TRASPORTO OTTICA I sistemi di trasmissione WDM furono introdotti inizialmente per aumentare la capacità dei collegamenti punto-punto; con l introduzione di altri dispositivi come l Optical Add Drop Multiplexer, che permette di effettuare, a livello ottico, il prelevamento e l immissione di flussi ottici, e l Optical Cross Connect, che permette di instradare i flussi ottici, si è pensato di ampliare sempre di più questa rete ottica e quindi costruire a poco a poco una rete totalmente ottica: vedremo in seguito che costruire una rete totalmente ottica è impossibile, per cui si parla di reti quasi totalmente ottiche! Si è passati così, utilizzando gli OADM, a sistemi di trasmissione WDM Punto-Multipunto (reti metropolitane ad anello) e quindi con l introduzione degli OXC si comincia ad effettuare l instradamento dei flussi ottici passando all interconnessione delle reti ad anello e quindi alle reti ottiche a maglia. Questa evoluzione porta a quella che oggi chiamiamo Optical Transport Network (rete di trasporto ottica). La rete di trasporto viene schematizzata con tre strati: - Strato di circuito che permette connessioni da estremo a estremo tra due utenti, instaurate e rilasciate per mezzo di comandi inviati a sistemi di commutazione; - Strato di cammino che, attraverso gli elementi nodali di permutazione (cross connect XC), permette di associare in modo variabile i cammini di rete; in altre parole crea un ponte tra lo strato di circuito e quello dei mezzi trasmissivi ed aggiunge flessibilità e affidabilità alla rete di trasporto; - Strato dei mezzi trasmissivi che è quello dove abbiamo i mezzi trasmissivi che collegano i vari nodi della rete; La seguente figura da un idea dell evoluzione delle reti ed in particolare dell introduzione graduale delle tecnologie ottiche nei tre strati precedentemente definiti. Fino a metà degli anni 90 le tecnologie ottiche erano limitate allo strato dei mezzi trasmissivi; l introduzione di sistemi trasmissivi che impiegano tecniche ottiche di multiplazione (WDM, --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 130

2 OTDM), insieme a cross-connect ottici (OXC) ha permesso negli ultimi anni lo sviluppo di uno strato di cammino completamente ottico. Vantaggi del WDM I vantaggi delle reti WDM sono molteplici: - WDM realizza condotti virtuali sulle fibre esistenti; - si ha un incremento di capacità/connettività con il minimo costo incrementale; - si può configurare o riconfigurare la connettività su una topologia fisica fissata; - si possono creare percorsi alternati per protezione e/o reinstradamento; - è possibile introdurre canali di servizio per la supervisione e il controllo; - grazie agli OXC si realizza l instradamento mediante suddivisione spaziale e di lunghezza d onda per il traffico diretto e quindi si evita l esplosione delle dimensioni e dei costi dei DXC; - il carico di lavoro dei sistemi di gestione è molto alleggerito; - i meccanismi di protezione/reinstradamento sono efficienti e veloci; - si evita la moltiplicazione dell hardware necessario ad accettare diversi formati e velocità e di dover sostituire l hardware nel caso di aggiornamenti di rete; - consente di offrire interi canali ottici Osserviamo che se il WDM viene utilizzato solo per aumentare la capacità dei link si ha l effetto del collo di bottiglia in ogni nodo dove tutti i canali devono essere convertiti da ottico a elettrico e viceversa (DXC). E proprio grazie all introduzione degli elementi ottici di instradamento (OXC) che è possibile operare direttamente sulle singole lunghezze d onda senza ulteriori conversioni ottico/elettrico e viceversa Un ulteriore vantaggio del cammino ottico è la trasparenza rispetto ai sistemi di trasmissione: PDH, SDH, ATM e quant altro possono essere contemporaneamente supportati Le crescenti esigenze di traffico e la disponibilità di sistemi a capacità sempre maggiore hanno portato allo sviluppo della Rete Ottica che presenta funzionalità di trasporto e di gestione. Nel caso del trasporto i compiti principali sono: trasmissione ottica, multiplazione e demultiplazione a livello ottico e instradamento ottico. Nel caso della gestione, invece, si deve garantire: una configurazione di rete basata sulle esigenze di traffico, il controllo della multiplazione e dell instradamento, il monitoraggio della qualità (QoS), la gestione degli apparati ottici e della rete e la protezione di rete a livello ottico nel caso di guasti. La raccomandazione ITU-T G.872 (Architecture of optical transport network) definisce la rete di trasporto ottico come quella che realizza le funzioni di multiplazione, trasporto, instradamento, super-visione e protezione dei segnali client agendo principalmente nel dominio ottico. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 131

3 La multiplazione e l instradamento nel dominio ottico permette di asserire che lo strato ottico è uno strato di rete trasparente sia nei confronti del formato dei dati, ossia del formato di modulazione numerica utilizzato, sia nei confronti del rate binario. Ciò implica l assenza di conversioni elettro-ottiche all interno dello strato, cioè lo strato ottico sarebbe in grado di garantire il trasporto di qualunque tipo di segnale numerico. Purtroppo la completa trasparenza è irrealizzabile; infatti a causa delle caratteristiche fisiche della trasmissione ottica DWDM è necessario effettuare lungo il cammino una rigenerazione completa del segnale a causa delle degradazioni accumulate (rumore ASE, dispersioni, non linearità); inoltre per soddisfare le esigenze degli operatori di mantenere e gestire la rete di telecomunicazioni occorre misurare lungo il collegamento la qualità del segnale numerico trasportato da ciascuna lunghezza d onda in termini di BER e per far ciò bisogna convertire ancora una volta il segnale da ottico ad elettrico. Definiamo Domini di Trasparenza (TD) quelle sottoreti totalmente ottiche, cioè quelle sottoreti dove il segnale entra ottico ed esce ottico senza essere convertito in elettrico nemmeno una volta; i vari domini di trasparenza sono collegati tra di loro mediante i rigeneratori 3R che richiedono, come già detto tante volte, la conversione elettro-ottica. Definiamo Domini Amministrativi (AD) l insieme dei domini amministrativi che fanno capo ad un unico gestore della rete; come si può vedere in figura i domini amministrativi non sono reti totalmente ottiche! Le reti di trasporto ottiche devono garantire la trasparenza al client, cioè i vari segnali rimangono inalterati passando da un nodo all altro, e la trasparenza al servizio, cioè la capacità della rete di fornire un servizio di trasporto indipendente dal segnale da trasportare (SDH, PDH, IP,ATM). La soluzione proposta dall ITU-T per permettere questa trasparenza dei dati si basa sul concetto di mappatura di segnali numerici diversi all interno di una stessa struttura numerica, detta Optical Channel (OCh). Si identifica così l insieme dei segnali client rispetto ai quali la OTN deve essere trasparente (ad es. SDH STM-N, Gigabit-Ethernet, IP-POS (Packet Over Sonet), ecc.) e si sceglie per ciascuno di essi la mappatura all interno dell OCh. Vengono anche associate altre informazioni dette di Over Head che permettono il controllo delle prestazioni e di altre funzioni di esercizio, manutenzione e gestione della OTN. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 132

4 L Optical Channel è l equivalente del Tributario Virtuale (sistemi SDH) che contiene tutta una serie di informazioni, anche dei livelli più bassi, che possono essere trasferite da estremo a estremo senza dover cambiare le caratteristiche del segnale. All Optical Channel vengono associate anche delle informazioni di OverHead che permettono la gestione ed il controllo delle prestazioni. Come è schematizzato in figura, l informazione del client diventa il payload dell OCh a cui si aggiunge l OverHead per realizzare il nostro Optical Channel. Il trasporto di un segnale client avviene mappandolo all ingresso della OTN all interno dell OCh, trasportando poi l OCh attraverso la rete in modo indipendente dalle caratteristiche del segnale trasportato (dal bit rate, dalla struttura di trama, ecc.) e infine restituendo a destinazione, attraverso la demappatura, il segnale trasmesso. Per la descrizione della OTN e delle funzioni richieste agli apparati si fa riferimento al modello di architettura di rete ottica illustrato nella Raccomandazione ITU-T G.872 (OTN, Optical Transport Network), in cui possono essere identificati uno strato di canale ottico (OCh, Optical Channel), uno di sezione di multiplazione (OMS, Optical Multiplex Section) e uno di sezione di trasmissione (OTS, Optical Transmission Section). I collegamenti all interno della OTN sono realizzati tramite canali ottici (lunghezze d'onda) bidirezionali (configurati nello strato di OCh) multiplati in segnali ottici multi-lunghezza d onda con tecnica DWDM e trasmessi su fibra ottica (livello OTS). All interno della rete i segnali ottici possono essere elaborati separatamente per ogni lunghezza d onda o come insieme multiplato. La disponibilità di sistemi DWDM, di apparati OADM per la elaborazione dei segnali ottici e di transponder capaci di garantire la trasposizione nel dominio ottico di una molteplicità di segnali client diversi (es.: SDH, IP, ATM, etc.) rende fattibile la realizzazione di una rete di trasporto ad alta capacità (800 Gbit/s aggregati per coppia di fibra), client independent, in grado di effettuare operazioni di instradamento e protezione di flussi (OCh, Optical Channel) a 2,5 Gbit/s e 10 Gbit/s direttamente nel dominio ottico. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 133

5 Possiamo definire, quindi, tre tipi di Optical Channel : 1 Optical Channel (OCH) che permette il trasporto integrale dell informazione del cliente trasparente da estremo a estremo; il formato è dato dall insieme dei dati codificati più l overhead di gestione (OH-OCh); il rate è prefissato (2,5 Gbit/sec, 10 Gbit/sec, 40 Gbit/sec); 2 Optical Multiplex Section (OMS) che permette il trasporto di segnali aggregati multilunghezza d onda (DWDM); -3 - Optical Transmission Section (OTS) che permette la trasmissione su diversi tipi di fibra di segnali aggregati multi-lunghezza d onda. Quanto detto finora è schematizzato molto bene nella figura seguente: Tipologie di Optical Channel La raccomandazione G.709 stabilisce tre tipi diversi di OCh: (a) OCh-1: segnali tributari fino a 2.5Gbit/sec (b) OCh-2: segnali tributari fino a 10Gbit/sec (c) OCh-3: segnali tributari fino a 40Gbit/sec Questa suddivisione è giustificata da motivi tecnologici, allo scopo di evitare di realizzare unità transponder (che generano l OCh) complesse e costose, dovendo operare su intervalli di frequenza molto estesi. Esempio di collegamento attraverso OTN --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 134

6 Allocazione delle lunghezze d onda Introduciamo il concetto di Wavelength path (WP) cioè il fatto che ogni flusso dati è instradato attraverso la rete in base alla sua lunghezza d onda senza che essa sia mai cambiata. Per esempio per collegare i nodi estremi viene utilizzata la lunghezza d onda verde, mentre le altre sono utilizzate per altri collegamenti. E possibile realizzare opportune strade in base al percorso che interessa. In questo esempio i nodi instradano semplicemente le varie lunghezze d onda: ci sono dei nodi, invece, capaci di convertire le lunghezze d onda. Il secondo esempio sfrutta proprio questa tecnica di conversione di lunghezza d onda: per effettuare analoghi collegamenti vengono utilizzate solamente due lunghezze d onda! Definiamo Virtual Wavelength Path (VWP) il cammino percorso in rete da ogni flusso dati che è caratterizzato da un vettore di lunghezze d onda, uno per ogni ramo di rete attraversato (conversione di lunghezza d onda). Riepiloghiamo nello schema seguente quali sono gli elementi fondamentali di una rete ottica: --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 135

7 I vari flussi ottici a lunghezza d onda diverse che entrano nell OADM vengono ad essere selezionati e prelevati nel modulo DROP (quelli che non vengono prelevati continuano a viaggiare verso l altra estremità della fibra) per essere utilizzate localmente; se poi da una certa località voglio trasmettere dei flussi, questi vengono aggiunti agli altri flussi (che erano passati in maniera trasparente) nel modulo ADD ed inviati in linea verso il nodo successivo. Il discorso è analogo in ricezione. Per quanto riguarda gli Optical Cross Connect, le varie lunghezze d onda vengono separate in uscita al multiplatore permettendo --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 136

8 l interconnessione con le uscite dall altra parte della matrice ottica. Nella figura a sinistra abbiamo Cross Connect che collegano lunghezze d onda uguali. Nella figura di sotto abbiamo, invece, dei Cross Connect che oltre al collegamento effettuano anche la conversione di lunghezza d onda. Come si può vedere nella seguente figura, poiché i Cross Connect hanno a che fare con segnali ottici, saranno realizzati con degli specchi messi in posizioni opportune: infatti, sono posizionati a matrice e nel caso in cui il flusso deve passare tutto in maniera trasparente allora gli specchietti saranno tutti abbassati, altrimenti se si vuole deviare un particolare raggio dovrò fare in modo che lo specchietto opportuno sia in posizione verticale! In base ai dispositivi che vengono utilizzati in una rete, questa può essere classificata come segue: 1 - Rete ad Anello - basata su OADM - due porte di linea per nodo - protezione realizzabile automaticamente --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 137

9 2 - Rete a Maglia - basata su OXC - due o più porte di linea per nodo - protezione per re-instradamento Le reti di trasporto sono generalmente reti con topologia a maglia, mentre le reti a basso livello sono ad anello. Un aspetto molto importante da analizzare per questi sistemi è l Affidabilità. Infatti nel caso di interruzione di un collegamento ottico di portate elevate, se non ci fossero adeguate soluzioni, sarebbe un gravissimo evento che porterebbe alla disconnessione dalla rete di migliaia e migliaia di utenti! La protezione dai guasti consiste in due aspetti: - introduzione di ridondanze nei mezzi trasmissivi e delle risorse dello strato di cammino; - algoritmi di riconfigurazione della corrispondenza tra topologia logica definita nello strato di cammino e topologia fisica disponibile. Vediamo come realizzare un collegamento ad anello che sia abbastanza robusto ai guasti verificabili. Supponiamo di avere un anello costituito da quattro fibre e siano A B C D E i vari nodi del collegamento. Si voglia collegare il nodo A con il nodo C utilizzando un collegamento con una certa lunghezza d onda, mentre il nodo B con D utilizzando ovviamente una diversa lunghezza d onda. Supponiamo che ad un certo punto due delle quattro fibre si guastano causando una brusca interruzione del collegamento: una soluzione potrebbe essere quella di deviare il traffico sulle altre due fibre disponibili oppure quella di bypassare un certo nodo trovando un percorso alternativo su altri nodi. Nel caso in cui si guasta completamente una tratta bisogna fare necessariamente il percorso più lungo e bypassare un certo nodo. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 138

10 Schema di un nodo intermedio di un anello backbone con sistemi DWDM Sono evidenziate due vie, quella principale e quella di riserva che consentono di realizzare un sistema con ADM e con multiplatore DWDM. La doppia presenza di apparati è necessaria per la sicurezza e l affidabilità del collegamento. Le figure seguenti schematizzano i cavi in fibra ottica che collegano le varie regioni italiane. Notiamo che la rete Arianna è principalmente ad anello, mentre la rete Phoenix, realizzata nel 2004 è di tipo magliato! ARIANNA PHOENIX --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 139

11 --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 140

12 --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- RETE DI TRASPORTO OTTICA 141