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RETE DI TRASPORTO OTTICA Architettura della rete di trasporto Strato di circuito connessioni da estremo a estremo instaurati e rilasciati per mezzo di comandi inviati a sistemi di commutazione Strato di cammino attraverso gli elementi nodali di permutazione (cross connect XC) permette di associare in modo variabile i cammini di rete crea un ponte tra lo strato di circuito e quello dei mezzi trasmissivi aggiunge flessibilità e affidabilità alla rete di trasporto Strato dei mezzi trasmissivi interconnessione tra nodi e tra nodi e postazione degli utenti RETE DI TRASPORTO OTTICA 2

Gradi di introduzione delle tecnologie ottiche nella rete di trasporto 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, OTDM), insieme a cross-connect ottici (OXC) ha permesso negli ultimi anni lo sviluppo di uno strato di cammino completamente ottico RETE DI TRASPORTO OTTICA 3 INSTRADAMENTO BASATO SU WDM WDM utilizzato solo per aumentare la capacità dei link collo di bottiglia in ogni nodo dove tutti i canali devono essere convertiti da ottico a elettrico e viceversa (DXC) Introducendo elementi ottici di instradamento (OXC) è possibile operare direttamente sulle singole lunghezze d onda senza ulteriori conversioni ottico/elettrico e viceversa Ulteriori vantaggi del cammino ottico: trasparenza rispetto ai sistemi di trasmissione: PDH, SDH, ATM e quant altro possono essere contemporaneamente supportati RETE DI TRASPORTO OTTICA 4

Stato delle comunicazioni ottiche In ambiente Sonet/SDH trasmissione ottica multiplazione e cross-connessione elettronica (DXC) massimo livello di cross-connessione STM-1 massimo throughput di un DXC 100-200 Gbit/sec Introduzione degli amplificatori ottici in fibra: superamento dei limiti di lunghezza imposti dall attenuazione possibilità di amplificazione a larga banda (1530-1560nm) La richiesta di capacità raddoppia ogni due anni e mezzo: E necessario incrementare la capacità sulle fibre installate E necessario incrementare il throughput dei nodi di rete RETE DI TRASPORTO OTTICA 5 Possibili tecniche che permettono di aumentare la capacità di un link ottico RETE DI TRASPORTO OTTICA 6

OTN (OPTICAL TRASPORT NETWORK) CRESCENTI ESIGENZE DI TRAFFICO DISPONIBILITA DI SISTEMI A CAPACITA SEMPRE MAGGIORE RETE OTTICA Funzionalità richieste Trasporto trasmissione ottica mux/demux a livello ottico instradamento ottico Gestione 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 7 Il problema della trasparenza La multiplazione e l instradamento nel dominio ottico permette di asserire che lo strato ottico è uno strato di rete trasparente: nei confronti del formato dei dati ogni singola portante può essere modulata in maniera indipendente rispetto alle altre se od ogni portante si associa un diverso flusso informativo, questo può attraversare la rete ottica senza che questa conosca la tecnica di modulazione nei confronti del rate binario 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 La completa trasparenza è irrealizzabile: a causa delle caratteristiche fisiche della trasmissione ottica è necessario effettuare lungo il cammino una rigenerazione completa del segnale a causa dei fenomeni ottici indesiderati per soddisfare le esigenze degli operatori di mantenere e gestire la rete di telecomunicazioni: determinare in qualunque punto del collegamento la qualità del segnale in termini di BER RETE DI TRASPORTO OTTICA 8

Rigenerazione 3R Ri-amplificazione Ri-costruzione Ri-sincronizzazione Nel dominio ottico può essere effettuata esclusivamente la Riamplificazione La necessità di effettuare rigenerazioni di tipo 2R e 3R all interno della rete comporta: necessità di conoscere il rate del segnale (estrattore di sincronismo) necessità di conoscere la tecnica di modulazione del segnale RETE DI TRASPORTO OTTICA 9 Elementi costitutivi di una OTN Terminale di linea controllo lunghezza d onda e potenza dei segnali amplificazione ottica lato Tx e/o Rx multiplazione e demultiplazione ottiche aggiunta di informazioni per la supervisione e la gestione Amplificatore ottico trasparenza ai diversi segnali guadagno uniforme in frequenza indipendente dall add/drop di canali ottici Rigeneratore elettronico hardware specifico per il tipo di segnale Multiplatore add-drop inserzione / estrazione di uno o più canali possibilità di includere amplificatori ottici e trasponder possibilità di configurare le lunghezze d onda inserite ed estratte uso in reti con topologia ad anello Permutatore ottico cross-connessione di canali ottici possibilità di includere amplificatori ottici e trasponder possibilità di conversione di lunghezza d onda uso di reti con topologia magliata RETE DI TRASPORTO OTTICA 10

Esempio di architettura fisica di una OTN RETE DI TRASPORTO OTTICA 11 Topologia di una OTN Anello basata su OADM due porte di linea per nodo protezione realizzabile automaticamente Maglia basata su OXC due o più porte di linea per nodo protezione per re-instradamento Mista Anello multi livello RETE DI TRASPORTO OTTICA 12

Limiti della trasparenza ottica Progetto di una OTN completamente trasparente: disponibilità di apparati ottici (ONE) in grado di effettuare sia la multiplazione che l instradamento Problematiche: si deve tenere conto del cammino più lungo Assenza di scalabilità Soluzione: Suddivisione in sottoreti: domini di trasparenza (TD) collegati mediante rigeneratori 3R interfacce intradominio (IaDI) - no standard domini amministrativi (AD) collegati mediante rigeneratori 3R interfacce interdominio(irdi) - standard RETE DI TRASPORTO OTTICA 13 Architettura del livello ottico Optical Channel (OCh) 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 conf inate 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) Optical Multiplex Section (OMS) trasporto di segnali aggregati multi-lunghezza d onda insieme di canali ottici + OMS-OH Optical Transmission Section (OTS) trasmissione su diversi tipi di fibra di segnali aggregati multi-lunghezza d onda definizione dei parametri fisici (lunghezza d onda, potenza, OSNR, ) e dell overhead di gestione (OTS-OH) RETE DI TRASPORTO OTTICA 14

Schemi di collegamento attraverso la OTN RETE DI TRASPORTO OTTICA 15 Interfaccia 3R tra i nodi OTN Optical Network Node Interface (ONNI) Struttura dell OCh Optical Channel - Payload Unit (OPU) Optical Channel - Data Unit (ODU) Optical Channel - Transport Unit (OTU) Tipologie di OCh OCh-1: segnali tributari fino a 2.5Gbit/sec OCh-2: segnali tributari fino a 10Gbit/sec OCh-3: segnali tributari fino a 40Gbit/sec RETE DI TRASPORTO OTTICA 16

Esempio di collegamento attraverso OTN RETE DI TRASPORTO OTTICA 17 Trasmissione monocanale e WDM Le fibre ottiche sono utilizzate nelle telecomunicazioni nelle bande: 1300nm (seconda finestra) 1550nm (terza finestra, minimo assoluto dell attenuazione) La banda trasmissiva nelle due finestre è di circa 25000GHz Fino ad oggi i vari flussi numerici si sono suddivisa la banda mediante multiplazione TDM nel dominio elettronico massima capacità 40Gbit/sec (anno 2002) Capacità maggiori possono essere ottenute con tecniche nel dominio ottico Optical Time Division Multiplexing (OTDM) ancora a livello sperimentale massima capacità in laboratorio 40x10Gbit/sec (2000) Wavelength Division Multiplexing (WDM) tecnologia a livello commerciale massima capacità ottenuta in laboratorio 132x20Gbit/sec (2000) RETE DI TRASPORTO OTTICA 18

Fibre ottiche Fibre ottiche standard ITU-T G.652 ottimizzata per l uso in II finestra ITU-T G.653 ottimizzata per l uso in III finestra Dispersion Shifted ITU-T G.655 ottimizzata per l uso in III finestra Non Zero Dispersion Problematiche attenuazione dispersione cromatica di polarizzazione effetti non lineari Brillouin Raman Kerr (Self-Phase Modulation - SPM) Cross-Phase Modulation (CPM) Four Wave Mixing (FWM) Diafonia Rumore ottico negli amplificatori ottici (ASE) Rumore di fase nei laser trasmettitori RETE DI TRASPORTO OTTICA 19 Componenti Sistema monocanale tratta in fibra ottica trasmettitori laser LED rivelatori amplificatori ottici in fibra drogata Semiconductor Optical Amplifier (SOA) transponder accoppiatori isolatori e circolatori Sistemi multicanale, oltre ai precedenti dispositivi: multiplatori e filtri reticoli di Bragg in fibra in schiere di guida ottica Fabry-Perot a film sottile multistrato dielettrico interferometri di Mach-Zehnder accordabili acusto-ottici commutatori convertitori di lunghezza d onda optoelettronici XGM, XPM, wavemixing RETE DI TRASPORTO OTTICA 20

Vantaggi del WDM Realizza di condotti virtuali sulle fibre esistenti incremento di capacità/connettività con il minimo costo incrementale configurare o riconfigurare la connettività su una topologia fisica fissata creare percorsi alternati per protezione e/o reinstradamento introdurre canali di servizio per supervisione e/o controllo Realizza l instradamento mediante suddivisione spaziale e di lunghezza d onda per il traffico diretto evita l esplosione delle dimensioni e dei costi dei DXC alleggerisce il carico di lavoro dei sistemi di gestione consente meccanismi di protezione/reinstradamento efficienti e veloci Fornisce collegamenti trasparenti alla velocità e al formato evita la moltiplicazione dell hw necessario ad accettare diversi formati e velocità evita di dover sostituire l hw nel caso di aggiornamenti di rete consente di offrire interi canali ottici RETE DI TRASPORTO OTTICA 21 Allocazione delle lunghezze d onda Wavelength path (WP) ogni flusso dati è instradato attraverso la rete in base alla sua lunghezza d onda senza che essa sia mai cambiata Virtual Wavelength Path (VWP) 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 22

Procedure di progetto dei sistemi DWDM La procedura di progetto si basa sul rispetto di tre vincoli: garantire un rapporto segnale rumore ottico al ricevitore sempre superiore ad un valore minimo specificato dal costruttore; garantire che la dispersione cromatica totale e la dispersione di polarizzazione totale accumulata sia inferiore al valore massimo tollerato dai ricevitori; mantenere, con una certa tolleranza, le distorsioni e l'interferenza introdotte dalle non linearità al di sotto dei valori dichiarati dal costruttore. 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 23 Definizione di progetto di un collegamento DWDM Tratta n esima : 1 2 3 N-1 N TX B P RX Sito n esimo : 0 1 2 3 N-2 N-1 N Amplificatore di linea : L L L L L Rigeneratore : P 3R B P 3R B P 3R B P 3R B P 3R B Ponticello : RX TX Terminale di ricezione DWDM Terminale di trasmissione DWDM P L Preamplificatore ottico Amplificatore ottico di linea P 3R B Stadio di rigenerazione DWDM B Amplificatore ottico di potenza (Booster ) Ponticello in fibra 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 RETE DI TRASPORTO OTTICA 24

Calcolo dell attenuazione A = α L + α L + n A + M j f j g j j c e L j [km] α f [db/km] α g [db/km] A c [db] n j M e 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 Valori tipici di questi parametri sono i seguenti: α f = 0,25 db/km; α g = 0.02 db/km; A c = 0.6 db; n j = 2 M e = 3 db RETE DI TRASPORTO OTTICA 25 Calcolo dell OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) Terminale DWDM: TX Terminale DWDM: RX Mux B g 1 g 2 g 3 g n-1 g n L L L L P a 1 a 2 a 3 a n Demux Fhν(g-1) S ASE (f) ν ν P S,n P S,n 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,n PS,0 OSNR = = n PN,n P + Fhν ν a N,0 i= 1 i Vincolo da rispettare: OSNR OSNR min RETE DI TRASPORTO OTTICA 26

Dispersione cromatica e sua compensazione Sia Lkm [km] la lunghezza della OMS e D [ps/nm/km] il coefficiente di dispersione cromatica della fibra ottica in esame. Sia [Dispmin, Dispmax] [ps/nm] l intervallo di valori di dispersione cromatica residua accettati dal ricevitore: Vincolo da rispettare: Dmin > Lkm D > Dmax 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 27 Esempio di configurazione fattibile OMS1 (L 1 km) OMS2 (L 2 km) OMS3 (L 3 km) Terminale DWDM: TX Terminale DWDM: RX Tratte accorpate Mux B L L P 3R B L P 3RB L P Demux RETE DI TRASPORTO OTTICA 28

RETE NAZIONALE TELECOM ITALIA NEL 2000 Join rings BackBone rings (4 f.o. MSSPRing) National network Regional network (level 2) Regional network (level 1) BZ BG UD COMO D. AO BS K. VR TR TS MI MI B. M. BS/A PD/A MI/R S.M./V VE T. 1Q 2001 TO/L PC/A AL TOR. BO/A 2000 GE BOP SV S P PI FI AN PG/A PG LUCIGN./A PE GR PE/A PE ST. RM I. RM/N CV RM S. RM/S FG/A SS POMEZIA NOLA SGT BA D. FORMIA/A SA C. NAT TA G. ARANCI SA P. CA 91.500 km-l al 2000 CASTR./A SCALEA CZ SIANO S. CONO LAMEZIA/A PA/R ME/A S.AGATA/A LOCRI/A TP/A ME RC PA/ITC S.AGATA M. CT MAZARA/A RETE DI TRASPORTO OTTICA 29