SDH: Synchronous Digital Hierarchy

Reti in fibra ottica 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. 2/53

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. 3/53 Che cosa è 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. 4/53

SDH: Synchronous Digital Hierarchy 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. 5/53 Commenti su SDH 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 ( 99.999% availability ); Funzioni di controllo e gestione complesse. 6/53

Gerarchia di multiplazione SDH/SONET SONET SDH Bit Rate esatto OC-1 51.840 Mbit/s OC-3 STM-1 155.520 Mbit/s OC-12 STM-4 622.080 Mbit/s OC-48 STM-16 2488.320 Mbit/s OC-192 STM-64 9953.280 Mbit/s OC-768 STM-256 39813.12 Mbit/s Bit Rate approx. 155 Mbit/s 622 Mbit/s 2.5 Gbit/s 10 Gbit/s 40 Gbit/s 7/53 Gerarchia di multiplazione SDH/SONET In sostanza, relativamente alla struttura di multiplazione: SDH STM-n corrisponde a n flussi a 155.52 Mbit/s multiplati in TDM in un unico flusso a 155.52 n Mbit/s. SONET OC-n (o STS-n) corrisponde a n flussi a 51.84 Mbit/s multiplati in TDM in un unico flusso a 51.84 n Mbit/s. 8/53

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. 9/53 Cenni alla gerarchia telefonica Standard europeo PCM a 64 Kbit/s Primo livello di multiplazione: E1 a 2.048 Mbit/s Permette di trasportare 30 flussi a 64 Kbit/s, più due flussi di controllo e gestione Primo livello di multiplazione SDH STM-1 a 155.52 Mbit/s Permette di trasportare 63 flussi E1, più una notevole quantità di informazione di controllo. 10/53

Cenni alla gerarchia telefonica In sostanza, un flusso SDH STM-1 a 155 Mbit/s permette di trasportare 1890 flussi PCM Notare che in questo tipo di utilizzo, il bit rate utile trasportato è di 1890*64=121 Mbit/s (circa) STM-1, in questo caso, trasporta circa 34 Mbit/s (circa il 20%) di informazione di controllo Framing, sincronizzazione, allarmi, canali di gestione, etc. A titolo di esempio, un flusso SDH STM-64 a 10 Gbit/s può portare circa 120 mila flussi PCM (cioè 120 mila telefonate contemporanee). 11/53 Complessità della gerarchia SDH AU=Administrative Unit (HO VC+Pointer) AUG= Administrative Unit group 140 Mbit/s C-4 VC-4 AU-4 x 3 150.336 Mbit/s 45 Mbit/s C-3 VC-3 TU-3 TUG-3 AUG-1 x 3 x 7 6 Mbit/s C-2 VC-2 TU-2 TUG-2 STM-1 155 Mbit/s x N 2 Mbit/s C-12 VC-12 TU-12 TUG= Tributary Unit group AUG-N 1.5 Mbit/s C-11 VC-11 TU= Tributary Unit (LO VC+pointer) STM-N 12/53

Reti in fibra ottica SDH Physical Layer 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. 14/53

SDH Physical Layer 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. 15/53 ITU G.957 e G.691 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). 16/53

ITU G.957 e G.691 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. 17/53 SDH Physical Interface Type - Level. Suffix (esempio: V-64.2) Il Suffix indica (contemporaneamente) la lunghezza d onda della sorgente e la fibra utilizzata.1-1300 nm source, SMF fiber (ITU G.652);.2-1550 nm source, SMF fiber (ITU G.652);.3-1550 nm source, dispersion shifted fiber (DS, ITU G.653);.5-1550 nm sources, on non-zero dispersion shifted fiber (NZDSF, ITU G.655). 18/53

SDH Physical Interface 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. 19/53 Organizzazione degli standard SDH Le specifiche G.957 e G.691 si occupano di definire, separatamente, i parametri di: Trasmettitore; Link ottico (chiamato Optical Path ); Ricevitore. Esamineremo ora le specifiche di G.957 Singolo canale fino a 2.5 Gbit/s (STM-16), senza amplificatori ottici. 20/53

Reti in fibra ottica SDH G.957: parametri trasmettitore I principali parametri specificati in G.957 per il trasmettitore sono: Tipo di sorgente ottica: LED Laser multimodale (MLM multi longitudinal mode laser) Laser monomodale (SLM single longitudinal mode laser) In G.957 si specifica esclusivamente sistemi a modulazione diretta della sorgente ottica Potenza di uscita Extinction ratio Eye mask all uscita del trasmettitore. 22/53

Eye mask al trasmettitore Le maschere sono specificate, a seconda dei casi, con una forma esagonale o rettangolare inscritta nel diagramma ad occhio. 23/53 Esempio: Specifiche di eye-mask per STM-16 2.488 Gbit/s, ITU G.691 1 Specifiche: X 1 >0.20 Y 1 >0.25 0 1+Y 1 1-Y 1 Y 1 -Y 1 0 X 1 1 24/53

SDH G.957: parametri Optical Path Principali parametri specificati per il link ottico in G. 957: Massima attenuazione totale, inclusi i connettori Massima dispersione (non specificata nel caso in cui il sistema sia limitato dall attenuazione) Riflessioni Totali: ORL Optical Return Loss Su ciascun elemento riflettente (riflessioni concentrate su connettori, filtri, etc.). La penalità di sistema dovuta a optical path (essenzialmente dispersione e riflessioni) deve essere inferiore a 1dB (2dB per long-haul). 25/53 SDH G.957 : parametri ricevitore Principali parametri specificati per il ricevitore in G. 957: Sensitivity Minima potenza ricevuta necessaria per ottenere un BER=10-10 o 10-12 con collegamento diretto ad un trasmettitore di riferimento, senza fibra. Receiver overload Massima potenza ricevuta per ottenere un BER=10-10 o 10-12 Riflessioni all ingresso del ricevitore. 26/53

Commenti su G.957 I sistemi G.957, non facendo uso di amplificatori ottici, sono limitati da uno dei due seguenti fenomeni: Attenuazione: per sistemi con SLM long haul Dispersione: per i sistemi basati su LED o MLM (sistemi a basso costo, fino a short haul). Maximum Launched power Potenza Maximum path attenuation Receiver sensitivity Path penalty 27/53 Dettagli su G.957: attenuazioni L attenuazione della fibra dipende essenzialmente dalla lunghezza d onda della sorgente Approx. 0.3-0.4 db/km per la finestra attorno a 1310 nm Approx. 0.2-0.25 db/km per la finestra attorno a 1550 nm. 28/53

Dettagli su G.957: attenuazioni Tenendo anche conto delle perdite per splice, cabling, installation etc, e dei diversi range di lunghezze d onda di utilizzo (slide successiva), lo standard considera le seguenti attenuazioni worstcase: Intra-office: 3.5 db/km Short-haul: 0.8 db/km Long-haul, 1310 nm: 0.5 db/km Long-haul, 1550 nm: 0.3 db/km. 29/53 Dettagli su G.957: attenuazioni Le diverse applicazioni sono specificate su finestre spettrali diverse Intra-Office: 1260-1360 nm Short-Haul: 1260-1360 nm e 1430-1576 nm Long-Haul: 1280-1335 nm e 1480-1580 nm. Criterio: I primi due sistemi sono specificati su bande più larghe, in modo da poter utilizzare sorgenti a basso costo Conseguentemente, l attenuazione worst-case è superiore. 30/53

Dettagli su G.957: Dispersione Tutti i sistemi specificati in G.957 usano modulazione diretta della sorgente ottica e conseguentemente hanno una banda di emissione λ larga. La raccomandazione fornisce una formula empirica per stimare gli effetti della dispersione: ε = λ 6 10 DL B ps/ nm Mbit/ s Dispersione accumulata Bit rate RMS spectral width sorgente ottica 31/53 Dettagli su G.957: Dispersione ε deve essere inferiore a determinati valori per assicurare il path penalty di 1-2dB previsto dalle specifiche (tabella alla pagina successiva). 32/53

Dettagli su G.957: Dispersione Source and System Type LED and SLM system up to short-haul MLM source, system up to short-haul SLM on long-haul Acceptable path penalty 1 db 1 db 2 db e parameter 0.306 0.115 0.491 33/53 Dettagli su G.957: Esempio L-1.1 (155 Mbit/s, MLM laser, 1300 nm su SMF fiber) λ=4 nm, path penalty=1 db, ε < 0.115 (DL) max risulta pari a 185 ps/nm Se L=40 Km > D max =4.625 ps/nm/km. In sostanza, questo calcolo ci dice che la fibra utilizzata, per tutto l intervallo di lunghezze d onda della sorgente, deve avere dispersione inferiore a D max =4.625 ps/nm/km. 34/53

Esempio: specifiche complete per L-4.1 L-4.1 (long-haul, 622 Mbit/s, 1300 nm su SMF) Transmitter parameters SLM laser in range 1280-1335 Maximum 20 db spectral width: 1 nm, 30 db sidemode suppression Mean launched power: from 3 to +2 dbm Minimum transmitter extinction ratio: 10 db. 35/53 Esempio: specifiche complete per L-4.1 L-4.1 (long-haul, 622 Mbit/s, 1300 nm su SMF) Path Parameters Attenuation range: 10-24 db (allowing a single span of 40 km); Maximum accumulated dispersion: NA (not appliable, since the system is attenuation limited); Link return loss: mimimum 20 db ( and discrete reflectance 25 db). 36/53

Esempio: specifiche complete per L-4.1 L-4.1 (long-haul, 622 Mbit/s, 1300 nm su SMF) Receiver Parameters Receiver sensitivity: -28 dbm Receiver overload: -8 dbm Maximum path-penalty: 1 db Receiver reflectance: maximum -14 db. 37/53 Reti in fibra ottica

G.691: le novità La specifica G.691 introduce notevoli novità rispetto a G.957: L utilizzo degli amplificatori ottici (EDFA) per aumentare la massima distanza del collegamento ottico I bit rate: STM-64: 10 Gbit/s STM-256: 40 Gbit /s, oggi (2003) ancora poco utilizzato. 39/53 G.691: le novità altre novità: Le distanze V- very long-haul (60 Km o 120 Km) U- ultra long-haul (160 Km) L uso di tecniche di compensazione di dispersione (Dispersion accomodation, DA) prechirp passive dispersion compensators (PDC). 40/53

Specifica G.691 La Raccomandazione G.691 è orientata ai sistemi inter-office di tipo long-distance, ad elevata capacità. Conseguentemente, particolare attenzione è stata posta alle limitazioni in termini di: Attenuazione Dispersione. Principali differenze rispetto alla G.957: Target BER=10-12 Modulazione esterna per i sistemi da 2.5 Gbit/s e oltre. 41/53 G.691: setup di sistema I setup previsti dalla G.691, relativamente all amplificazione ottica, sono: Optical Preamplifier TX RX TX Optical Booster amplifier Optical pre-amplifier RX 42/53

G.691: setup di sistema Per i sistemi ad alto bit rate e lunga distanza, è previsto l uso di compensatori di dispersione: TX PDC RX Passive Dispersion Compensation TX PDC PDC RX 43/53 Esempio: sistema V-64.3 Sistema a 10 Gbit/s, Very Long Haul, sorgente a 1550 nm su fibra DS. Transmitter parameters Operating wavelength range: 1530-1565 Mean launched power: 10-13 dbm Minimum transmitter extinction ratio: 8.2 db. 44/53

Esempio: sistema V-64.3 Sistema a 10 Gbit/s, Very Long Haul, sorgente a 1550 nm su fibra DS. Path Parameters Attenuation range: 22-33 db (allowing a single span of 100-120 km) Maximum accumulated dispersion: 400 ps/nm Maximum accumulated PMD: 10 ps. 45/53 Esempio: sistema V-64.3 Sistema a 10 Gbit/s, Very Long Haul, sorgente a 1550 nm su fibra DS. Receiver Parameters Receiver sensitivity: -24 dbm Receiver overload: -9 dbm Maximum path-penalty: 1 db. 46/53

Reti in fibra ottica SDH & WDM: specifica G.692 La specifica G.692 introduce la tecnologia della multiplazione di lunghezza d onda in SDH Una singola fibra porta N canali SDH su lunghezze d onda diverse. Si tratta della raccomandazione più avanzata, che prevede: Uso di amplificatori ottici anche in linea Distanze fino a 640 Km WDM: maximum number of channels: 4, 8, 16, 32 e oltre signal channel types: STM-4, STM-16, or STM-64. 48/53

SDH & WDM: specifica G.692 Principio base introdotto dalla raccomandazione: standardizzazione di una griglia di lunghezze d onda utilizzabili, specificate in termini di frequenza; spaziatura di base 100 GHz, da 192.1 THz a 196.1 THz, con riferimento fissato a 193.1 THz. La raccomandazione è legata alla disponibilità di amplificatori ottici EDFA in banda C (1550 nm). 49/53 G.692: allocazione delle frequenze Asse frequenze ottiche f 193.1 THz = 1552.52 nm 100 GHz 50/53

G.692: allocazione delle frequenze Channel Wavelength Channel Wavelength 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1557.36 1556.55 1555.75 1554.94 1554.13 1553.33 1552.52 1551.72 1550.92 1550.12 1549.31 1548.51 1547.72 1546.92 1546.12 1545.32 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 1544.53 1543.73 1542.94 1542.14 1541.35 1540.56 1539.77 1538.98 1538.19 1537.40 1536.61 1535.82 1535.04 1534.25 1533.47 1532.68 51/53 G.692: allocazione delle frequenze Oltre alla spaziatura base a 100 GHz, la raccomandazione prevede anche: Spaziature più larghe (da 200 fino a 1000 GHz) Per sistemi WDM a minor costo Una sottospaziatura a 50 GHz Per sistemi WDM ad altissima capacità. 52/53

Esempio di tabella delle frequenze Frequency 100 GHz 200 GHz 400 GHz 500/400 600 GHz 1000 GHz Wavelength in THz spacing spacing spacing GHz spacing spacing in vacuum (8 channels (4 channels (4 channels spacing (4 channels (4 channels in nm or more) or more) only) (8 channels only) only) only) 194.5 * * * 1541.35 194.4 * 1542.14 194.3 * * 1542.94 * * 194.2 * 1543.73 194.1 * * 1544.53 194.0 * 1545.32 193.9 * * * 1546.12 * 193.8 * 1546.92 193.7 * * 1547.72 * * 193.6 * 1548.51 193.5 * * 1549.32 * * 193.4 * 1550.12 * 193.3 * 1550.92 * * 193.2 * 1551.72 193.1 * * 1552.52 * * 193.0 * 1553.33 * 192.9 * 1554.13 * * 192.8 * 1554.94 192.7 * * 1555.75 * 192.6 * 1556.55 192.5 * * 1557.36 * * * * 192.4 * 1558.17 192.3 * * 1558.98 * 192.2 * 1559.79 192.1 * * 1560.61 * 53/53