Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto

Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA Principali applicazioni ed evoluzioni previste UNIVERSITA’ LA SAPIENZA, 10 DICEMBRE 2009 VALENTINA BRIZI TELECOM ITALIA Technology & Operations - Network Engineering

Agenda ► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini e le sue applicazioni – Le componenti fondamentali – Esempi di progettazione – Le applicazioni nella Rete TI ► L’evoluzione – Il 100 G – Le reti intelligenti “all optical” Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009

Concetti Chiave ► Sistemi DWDM: principi e componenti fondamentali ► Fibra ottica e caratteristiche relative ► Problematiche trasmissive nelle fibre ottiche e loro soluzione Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 3

Che cosa e’ il WDM? Wavelenght Division Multiplexing Trasmissione di più segnali ottici multiplati a divisione di lunghezza d’onda (frequenza) Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 4

Schema generale di un sistema DWDM Punto - Punto Apparato Client Interfaccia. Colorata Apparato Client Transponder Apparato Client . Interfaccia Colorata k k+1 Apparato Client N Mux Demux N lunghezze d’onda (o canali) per il trasporto di N segnali . Interfaccia Colorata Interfaccia Standard Apparato Client . Interfaccia Colorata 1 Transponder Interfaccia. Standard Transponder 1 OSC . . . Booster OLA Pre . . . Pre OLA OSC OLA Booster Mux Demux Apparato Client OLT (Optical Line Terminal). Interfaccia Standard Apparato Client Interfaccia Standard OLT (Optical Line Terminal) k Transponder k+1 OSC N OSC OLA Optical Line Amplifiers Pre amplificatore OSC Optical Supervisory Channel (tipicamente un segnale a 2 Mbit/s) Booster amplificatore di lancio Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 5

Bande di funzionamento DWDM Fibra G. 652 / G. 655 Banda C Banda L 1610/1625 l [nm] 1565 1530 Fino a 40 canali (espandibili ad 80) a 10 Gbit/s equispaziati in frequenza (100 GHz e 50 GHz) Fibra G. 653 Banda L L Banda C 1530 l 0=1550 nm Fino a 12 canali a 10 Gbit/s non-equispaziati in frequenza 1565 1610/1625 l [nm] Fino a 40 canali a 10 Gbit/s (espandibili ad 80) equispaziati in frequenza (100 GHz e 50 GHz) Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 6

Tipi di sorgenti del segnale ottico ► LED (i primi utilizzati per la trasmissione in fibra) Lenti, spettro relativamente ampio, luce poco focalizzata, ovvero cono di illuminazione ampio elevata perdita di accoppiamento con la fibra (10 -20 d. B in fibre multi-mode e fino a 30 d. B in single-mode) ► Laser (successivi ai LED e con prestazioni superiori) Superano limiti dei LED e sono un fattore abilitante della tecnologia DWDM ► Diverse tipologie di laser utilizzate(Fabry-Perot, Distributed Feedback (DFB) lasers, Distributed Bragg Reflector (DBR) laser ► Sorgenti LED Diodi LASER Fabry-Perot DFB Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 7

La modulazione del segnale ottico Modulazione On/Off Keying: due livelli di potenza luminosa “On” e “Off” sono associati ai bit “ 1” e “ 0”. Implementata in due modalità, NRZ ed RZ Non Return to Zero (NRZ): ad ogni “ 1” corrisponde il valore “On” di potenza luminosa per tutto il tempo di bit ► NRZ RZ Return to Zero (RZ): ad ogni “ 1” corrisponde il valore“On” di potenza luminosa per un periodo limitato del tempo di bit (1/2 o 1/3) ► Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 8

La modulazione del segnale ottico Phase Shift Keying (PSK): la variazione sistematica e’ realizzata sulla fase del segnale luminoso e non sull’ampiezza ► Quadrature PSK (QPSK): i valori di fase ammessi (simboli della costellazione) sono 4 A ogni simbolo sono associati due bit ► Differential QPSK (DQPSK) Invece di associare ad ogni coppia di bit una coppia di valori di fase assoluti (es. 11 corrisponde a [+45°, +45°]) si modula la fase in funzione delle variazioni dei bit '00', '01', '10' con 0°, 90°, 180°, 90° (es. da 00 a 01 si varia la fase di 90°) Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 9

La multiplazione/demultiplazione delle lunghezze d’onda I multiplatori/demultiplatori ottici sono componenti passivi in grado di multiplare/demultiplare i segnali colorati caratterizzati da diverse lunghezze d’onda Possono essere realizzati con le seguenti modalità ► Filtri di Fabry Perot ► Reticoli: di Bragg, in fibra, in schiere di fibra ottica (AWG) ► Filtri acusto-ottici ► Interferometri Mach-Zehnder Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 10

I ricevitori Trasformano segnale luminoso in segnale elettrico Sono dei fotodiodi con funzionamento opposto rispetto ai LED Sono dispositivi che hanno una finestra di ricezione ampia (lo stesso fotorilevatore e’ in grado di convertire segnali luminosi a diverse lunghezze d’onda) Esistono diverse categorie Positive-Intrinsic-Negative (PIN) diode, corrente proporzionale alla potenza luminosa ► Avalanche Photo. Diode (APD), extra-guadagno di corrente ma piu’ rumore ► Fotodiodi PIN Alta velocità Sensibilità Limitata APD Velocità limitata Alta sensibilità Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 11

Il Transponder Effettua una traslazione del segnale ottico utente convertendolo in una frequenza compatibile con la griglia di funzionamento del sistema DWDM Segnale Client in Segnale Client out Ricevitore wideband conversione O-E-O Dal Demux 3 R Trasmettitore lk Verso il Mux (850/1310)nm In Out (15 xx) nm Out In rappresentazione schematica Transponder I transponder disponibili commercialmente sono “fully tunable”, ovvero i laser possono essere sintonizzati via software su qualsiasi delle 80 lunghezza d’onda disponibili nella griglia di funzionamento. Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 12

Problemi trasmissivi nelle fibre ottiche EFFETTI LINEARI ü Attenuazione della fibra, dovuta alla struttura del materiale e alle impurità di produzione ü Dispersione Cromatica (CD): dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda ü Dispersione di polarizzazione (PMD): birifrangenza dovuta alla dipendenza dallo stato di polarizzazione del segnale ü Rumore introdotto dagli amplificatori ottici per emissione spontanea (ASE) EFFETTI NON LINEARI: Fenomeni di diffusione (scattering): ü SBS retrodiffusione stimolata di Brilluoin: una parte del segnale trasmesso viene persa perché retroddiffusa ü SBR diffusione stimolata di Raman: una parte della Potenza del segnale relativo ad una λ passa ad una λ superiore Fenomeni dovuti all’effetto Keer (indice di rifrazione dipendente dalla potenza ottica del segnale) ü SPM auto modulazione di fase: allargamento dello spettro ü XPM modulazione di fase incrociata: la variazione temporale della potenza di un canale induce una modulazione di fase su i canali adiacenti ü FWM miscelazione a 4 onde; l’Interazione tra tre segnali trasmessi ne genera un quarto Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 13

Diagramma a occhio E’ il diagramma utile per visualizzare il degrado dei segnali trasportati su fibra NRZ Soglia di decisione per gli 1 Soglia di decisione per gli 0 Zona grigia Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 14

Attenuazione Riduzione del livello di potenza ottica all’aumentare della distanza (lineare) E’ funzione della lunghezza d’onda (non tutte le lambda sono attenuate dello stesso fattore) e dovuta alla struttura molecolare della fibra, giunzioni e connettori Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 15

Compensazione dell’attenuazione: gli amplificatori Per compensare gli effetti dell’attenuazione ed estendere la portata del segnale luminoso occorre amplificare il segnale dopo un certo numero di km con un Optical Line Amplifier (OLA) Gli amplificatori ottici si basano sul principio dell’emissione stimolata: ► Amplificatori laser a semiconduttore (SOA) Amplificatori a fibra drogata con terre rare (in genere erbio) (EDFA) ► Da considerare come “side effect”: ► l’ASE che amplificato si somma al segnale utile e degrada il rapporto segnale rumore ottico OSNR in uscita ► l’insorgenza di effetti ottici non lineari nella fibra ottica ► l’accumulo degli effetti dispersivi (CD e PMD) Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 16

Compensazione dell’attenuazione: gli amplificatori Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 17

Gli amplificatori Raman Vengono utilizzati per compensare valori di attenuazione molto elevati, tipicamente su tratte molto lunghe (link sottomarini) Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 18

La Dispersione Cromatica (CD) Allargamento nel tempo del segnale ottico all’aumentare della distanza (lineare) e del bit rate (quadratica) La deformazione introduce errori nella decodifica del segnale Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 19

Compensazione della Dispersione Cromatica (CD) Esistono due modalità di compensazione della CD ► Pre-distorzione del segnale nel tempo per compensare effetti Dispersion Compensating Module (DCM o DCF): introducono una compensazione opposta alla dispersione presentata dalla fibra ► Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 20

La Dispersione Modale (PMD) Allargamento del segnale ottico nel tempo all’aumentare della distanza (sqrt); è dovuta alla differente velocità di gruppo sugli assi del Core (processo di produzione, posa della fibra, stress esterni) La PMD è rilevante solo per segnali con bit rate superiore a 10 Gb/s in quanto a questa velocità la durata del ritardo è uguale a quella del singolo bit 100 ps Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 21

Rigenerazione del segnale ottico Per realizzare collegamenti DWDM su distanze per le quali i fenomeni descritti nelle slide precedenti hanno effetti tali da non consentire la fattibilità del collegamento ottico si possono inserire dei punti di “Rigenerazione 3 R”, costituiti da due transponder posizionati back-to-back” Segnale trasmesso Segnale ricevuto 1 R = Reamplifing 2 R = Reamplifing + Reshaping 3 R = Reamplifing + Reshapig + Retiming Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 22

Classificazione delle fibre Fibre ottiche G. 650 Multimodali Step-Index Monomodali Graded-Index Standard Dispersion Shifted Non-Zero-Dispersion Reti Locali G. 652 Ottima per DWDM G. 653 Ottima per SDH G. 655 Ottima per DWDM G. 651 Nella Rete di Trasporto di Telecom Italia sono presenti: Fibra G. 655 su lunga distanza (di posa recente) Fibra G. 653 su lunga distanza (di posa meno recente – ormai poco utilizzata) Fibra G. 652 su rete regionale e metropolitana Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 23

a(l) d. B/km II G. 652 III 0. 35 0. 20 1310 nm Guadagno degli EDFA Caratteristiche principali delle fibre 17 D(l) ps/nm km 0 G. 653 1550 nm Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA l 24

Fibre G. 655 8 8 7 7 Tera. Light 6 6 E-LEAF 5 5 True. Wave RS 4 4 3 3 2 2 1 SMDS True. Wave 0 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 Dispersione cromatica (ps/nm km) Caratteristiche principali delle fibre NZD 1565 Lunghezza d’onda (nm) Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 25

Agenda ► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini e le sue applicazioni – Le componenti fondamentali – Esempi di progettazione – Le applicazioni nella Rete TI ► L’evoluzione – Il 100 G – le reti intelligenti “all optical” Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009

Progettazione di un link DWDM Link Roma – Milano, con 2 OADM intermedi Fibra G. 652/G. 655, lunghezza totale Capacità: 80 lambda @ 10 Gbit/s (spaziatura 50 GHz) Parametri di progetto: Attenuazione = 0, 24 d. B/km Dispersione Cromatica = 18 ps/km (652) Dispersione Cromatica = 4, 2 ps/km (655) Coefficiente di PMD = 0, 1 ps/SQRT(km) 0, 5 d. B di perdita per connettori 1 d. B di perdita per ogni transito 5 d. B di Margine EOL (End of Life) Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 27

Topologia link e attenuazioni Bo. L (Begin of Life) Milano Piacenza W B 7 B 8 B 6 C MC DMC XDM XD X B M D X 24 d. B 75 LOFA 1110 LOFA 1120 LOFA 1110 1 25 OADM 89 Km 75 B 8 E XX DCM per G-655 XX B M D X C M D X DCM per G-652 B M D X C M D X Line Terminal ILA E 75 24, 5 d. B 50 LOFA 1110 LOFA 1120 1 LOFA 1120 LOFA 1110 75 91, 5 Km 75 B 8 W x Transiti LOFA 11 x 0 Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA E LOFA + EPM 28

Topologia link e attenuazioni Bo. L (Begin of Life) Firenze 20, 1 d. B ILA 9, 7 d. B 50 LOFA 1110 1 17, 9 d. B 25 LOFA 1110 10 73, 5 Km W 50 LOFA 1110 50 36 km OADM 70, 6 Km 75 B 8 W XX W E DCM per G-655 XX E DCM per G-652 x Transiti LOFA 11 x 0 Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA B M D X C M D X ILA E 75 LOFA 1110 LOFA 1120 75 B 8 LOFA + EPM 29

Topologia link e attenuazioni Bo. L (Begin of Life) Roma 12, 5 d. B 1 25 95, 4 Km W 50 LOFA 1110 47, 8 Km E 50 W DCM per G-655 XX 50 70, 9 Km E W DCM per G-652 50 25 LOFA 1110 W x Transiti 75 34, 7 Km 10 64, 3 Km E Line Terminal 9, 3 d. B 16. 4 d. B 50 LOFA 1120 LOFA 1110 ILA 18 d. B 75 XX ILA E LOFA 11 x 0 Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA B M D X C MC DMC XDM XD X ILA 25, 4 d. B W LOFA + EPM 30 B 7 B 8 B 6

Main Shelf c RAIU PSUP CMDX 1010 B 8 8 TRBD 1121 TRU Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA CMDX 1010 BB 78 TRBD 1121 Reserved EPM LOFA 11 xx xx9 ALCT 1000 B 5 OSCU 1010 BMDX 1000 ESCTL 1000 CMDX 1010 B 8 6 c Slave Shelf #1 PSUP RAIU PSUP Rack 1 ESCTL 1000 Layout OLT line 1 XX 2 LOFA 11 x 0 1 LOFA 11 x 0 FANS DCM FANS 31

Layout OADM RAIU PSUP Rack 1 PSUP Line east c ESCTL 1000 CMDX 1010 B 8 TRU CMDX 1010 B 8 1 DCU 2 LOFA 2 DCU 1 LOFA c RAIU PSUP Reserved EPM LOFA 11 xx xx9 ALCT 1000 B 5 BMDX 1000 LOFA 11 xx xx9 Reserved EPM LOFA 11 xx xx9 ALCT 1000 B 5 OSCU 1010 BMDX 1000 Main Shelf ESCTL 1000 Slave Shelf #1 PSUP FANS DCU 2 LOFA 2 DCU LOFA DCM 1 Line west FANS Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 32

Layout ILA Line east TRU XX 1 2 Main Shelf RAIU PSUP LOFA 11 xx xx9 OSCU 1010 2 XX 1 LOFA 11 x 0 c ESCTL 1000 PSUP LOFA 11 x 0 Line west FANS DCM Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 33

Agenda ► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini e le sue applicazioni – Le componenti fondamentali – Esempi di progettazione – Le applicazioni nella Rete TI ► L’evoluzione – Il 100 G – le reti intelligenti “all optical” Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009

La rete di trasporto nazionale di TI Un pò di storia… Dal 1999: sistemi DWDM con canali a 2. 5 G OPB ► 12 canali su G. 653 ► 16 canali su G. 652 ► Ancora attivi Phoenix Optical Packet Backbone Arianna Dal 2001: sistemi DWDM con canali a 10 G e laser tunabili Sistemi punto-punto 40 DWDM canali in L-band su fibre G. 653 ► La “rete” DWDM: ► ► ► 40 canali in C-band su fibre G. 652/G. 655 ► Ancora attivi Dal 2006: nuova generazione di sistemi DWDM ULH con Sistemi DWDM punto-punto non protetti canali a 10 G Nessuna funzionalità di commutazione delle lambda: la numero protezione ► Riduzione del di 3 R del traffico è demandata agli strati superiori di rete (SDH, ATM, ► Fino a IP). 80 canali su fibre G. 652/G. 655 ► ► Usoedi 10 F-OADM Supporto di interfacce: Gb. E, SDH 2, 5 -10 Gbit/s Gb. E ► Fibre G. 652, G. 653 e G. 655 ► ► Lunghezza max senza 3 R: 1. 126 km Strato trasmissivo supporto di reti diverse: SDH (Arianna and Phoenix), IP (OPB) e servizi Lambda per Clienti Wholesale e Clienti Retail Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 35

I sistemi DWDM Nazionali 171 sistemi punto – punto in esercizio Frequency [%] 39. 500 km lambda equivalenti Lunghezza media sistemi: 230 km Lunghezza massima sistemi senza rigenerazione: 1. 126 km Tecnologie attualmente impiegate: Alcatel-Lucent ed Ericsson Segnali Client supportati trasparentemente: GBE, 10 GBE, STM-16, STM-64 Length [km] Distribuzione delle lunghezze dei sistemi DWDM nazionali (senza rigenerazione) Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 36

Le reti “client” nazionali BZ COBG BS TS MI X TO SV TO MI 2 MI 1 VE VRPD AL GE VR BO MO FI VE PI RI AN PG ALPC PE BO PI FI RM R 1 M 1 SS RM A N P G RM 2 BA NANL P E TA CA BA CZ NNAA TA PA CA CT PA CT ► ► Anelli SDH a 2. 5 Gbit/s Affidabilità eccellente ► Rete ASON magliata ► ► Cross-connect SDH e link DWDM ► ► Control Plane Tera-router nei POP Interfacce POS (Packet over Sonet) a 10 Gbit/s su DWDM Dal 2010 Interfacce POS a 40 Gbit/s su DWDM ► Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 37

Come si protegge il traffico in una rete? Nel mondo del trasporto esistono due modi per proteggere il traffico: ► Mediante meccanismi di protezione automatica ► Mediante meccanismi di restoration I meccanismi di protezione automatica prevedono che le strade alternative siano dedicate al traffico da proteggere, mentre i meccanismi di restoration prevedono che le strade alternative possano essere condivise tra più flussi di traffico (a patto che siano rispettate certe specifiche condizioni) e possano essere modificate in tempo reale ed automaticamente dal piano di controllo in funzione delle condizioni della rete Tipicamente la protezione automatica costa di più ma è più veloce rispetto alla restoration (la protezione ripristina il traffico in meno di 50 ms, la restoration lo ripristina in tempi che vanno dal secondo a qualche minuto) Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 38

Risorse di protezione dedicate o condivise Nella protezione dedicata si configura un circuito di protezione su percorso disgiunto completamente dedicato ad un singolo circuito “working” Quando la rete è magliata, si può decidere di condividere le risorse di protezione, cioè allocare una singola risorsa per la protezione di più circuiti Si parla allora di circuiti protetti con “Restoration” che può essere di 2 tipi: ► Prepianificata: il circuito di protezione è condiviso ma è calcolato in anticipo; “On the fly”: il circuito di protezione è calcolato in tempo reale al momento del guasto ► C B A D E Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 39

La restoration: più strade e più intelligenza Per poter condividere la stessa risorsa trasmissiva tra più circuiti ho bisogno di una maggiore intelligenza e di aumentare il numero di vie uscenti da ciascun nodo Funzione di duplicazione Funzione di selezione Circuito C-I Circuito A-G Risorse di protezione Dopo il guasto le risorse pre-pianificate per il percorso di protezione del circuito C-I vengono immediatamente ricalcolate (mentre il circuito C-I non sta perdendo traffico) e dopo qualche decina di secondi la protezione di C-I e’ nuovamente pronta a intervenire in tempi dell’ordine delle centinaia di millisecondi Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 40

Come è fatta una Rete di Trasporto Intelligente (ASON) E’ una rete di trasporto con architettura a maglia basata su nodi ad alta capacità equipaggiati controllori in grado di gestire i protocolli di routing e segnalazione (Control Plane) necessari per implementare i meccanismi di Restoration. Parte dell’intelligenza della rete (Control Plane) è quindi distribuita negli apparati stessi. Nell’applicazione TI il piano di controllo è semi-distribuito; il routing è centralizzato (ASTN-Manager) mentre la segnalazione è distribuita. I protocolli utilizzati sono quelli tipici delle reti IP MPLS (OSPF-TE, RSVP-TE) adattati ai contesti trasmissivi Centralized routing Routing e segnalazione CONTROLLER Porte client da 155 Mbit/s a 10 Gbit/s Distributed signalling CONTROLLER Collegamento DWDM 40 x 10 Gbit/s Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 41

La Rete ASON di TI: caratteristiche generali Nel caso specifico della rete Phoenix in nodi (cross connect ottici, ODXC) sono equipaggiati con matrici elettriche (SDH), interfacce Client sia ottiche sia elettriche e sono interconnessi tra di loro mediante sistemi DWDM ► STM-16 STM-64 DWDM 1640 WM DWDM 1626 LM STM-64 MSH 2 k MSHES ► Gli ODXC hanno alta capacità di switching (80 - 960 Gbit/s) ► Trasporta flussi Client da 155 Mbit/s a 10 Gbit/s ► Le performance degli schemi di Restoration applicati sono ► Restoration pre planned (80 -250 ms) ► Restoration on the fly (40 -50 s) DWDM PLx 40 DWDM MHL 3000 Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 42

Agenda ► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini e le sue applicazioni – Le componenti fondamentali – Esempi di progettazione – Le applicazioni nella Rete TI ► L’evoluzione – Il 100 G – le reti intelligenti “all optical” Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009

L’evoluzione Le due linee di evoluzione principale attualmente in essere riguardano: ► ► La velocità di linea: sono oggi commercialmente disponibili i transponder a 40 Gbit/s ed i sistemi DWDM di ultima generazione sono in grado di trasportare sino ad 80 canali @ 40 Gbit/s. Esistono i primi field trial per trasmissione a 100 Git/s La flessibilità della rete, tramite l’introduzione dei cosiddetti nodi ROADM Multidegree che consentono di realizzare reti a Fotoniche a maglia (superando il concetto dei link punto-punto) e di introdurre meccanismi di “intelligenza” (Piani di controllo, come ad oggi utilizzati nelle reti IP) che consentono di implementare meccanismi di protezione e restoration anche nello strato fotonico Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 44

Il 40 Gbit/s ► ► ► La trasmissione a 40 G è tecnicamente matura e commercialmente disponibile presso i maggiori Vendor mondiali. Il Costo commerciale è però ancora tale da non giustificarne l’inserimento in rete al posto del 10 G (rule of thumb: Costo 40/Costo 10≤ 2, 5~3) Al momento sono ancora poche le esigenze di Clienti per segnali nativi a 40 G – le prime applicazioni previste sono per l’interconnessione dei router IP Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 45

Opportunità per i sistemi a 100 Gbit/s nel nuovo backbone ► ► Requisiti del mercato: ► Ulteriore crescita del traffico sul backbone ► Disponibilità della tecnologia trasmissiva a costi competitivi Requisiti di compatibilità: ► Compatibilità con griglia a 50 GHz ► Distanza di rigenerazione di almeno 800 km (senza amplificazione RAMAN) ► Tolleranza al filtraggio cumulativo (almeno 9 ROADM in cascata) ► Coesistenza con canali a 10 e 40 Gbit/s con diversi formati di modulazione ► Protezione 1+1 entro 50 ms (inclusi i tempi di training di eventuali compensatori adattativi) Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 46

Caratteristiche della trasmissione ad altissima capacità FORMATI DI MODULAZIONE MULTIPLAZIONE DI POLARIZZAZIONE RIVELAZIONE DIRETTA O COERENTE DECISIONE A DSP O CONVENZIONALE 2 LIVELLI NESSUNA MULTIPLAZIONE DI POLARIZZAZIONE RIVELAZIONE DIRETTA DECISIONE CONVENZIONALE (1 BIT/SIMBOLO) • NRZ • DPSK MULTI-LIVELLO ( 2 BIT/SIMBOLO) • DQPSK • QAM 2 CANALI SU POLARIZZAZIONI ORTOGONALI • SI PERDE LA FASE OTTICA DEL SEGNALE • NESSUNA EQUALIZZ. ELETTRONICA RIVELAZIONE COERENTE • MIGLIORA SENSITIVITY E OSNR • ABILITA EQUALIZZ. ELETTRONICA DI CANALE (EDC) • RX PIÚ ROBUSTO A CD E PMD Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA • CAMPIONAMENTO AL CENTRO DELL’OCCHIO DECISIONE A DSP • ELABORAZIONE DSP DI I e Q • POSSIBILE DEMULT. DI POL 47

Formati di modulazione per il 40 G: Pol. Mul - DQPSK Compatibile con spaziatura 50 GHz Post-processing del segnale non complesso Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 48

Formati di modulazione per il 40 G: Pol. Mul - Coherent QPSK Ottime prestazioni per sistemi ULH Compensazione elettronica di CD e di PMD Post processing coerente più complesso Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 49

Formati di modulazione per il 100 G Red: 4 bits/symbol Blue: 2 bits/symbol Magenta: 1 bit/ symbol * DGD tolerance for coherent RX depends on implementation Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 50

I vantaggi del coerente Eccellente tolleranza alla PMD (30 ps o oltre) senza bisogno di compensatori ottici esterni. ► Ottimizzazione della dispersione cromatica residua, senza bisogno di dispositivi ottici addizionali. ► Aggiustamento ultra-veloce (<50 m. Sec) della dispersione cromatica residua dopo reinstradamento, a differenza dei dispositivi di compensazione ottici tradizionali. ► Distanze di trasmissione non rigenerate superiori ai formati di modulazione non coerenti; i formati di modulazione (proprietari di alcuni vendor) si differenziano da quelli di prima generazione già proposti per una maggiore tolleranza agli effetti non lineari multicanale. ► Tutti i principali Vendor puntano sulla tecnologia coerente per la trasmissione del 100 G; per la trasmissione del 40 Gbit/s invece le scelte sono differenti. ► Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 51

Agenda ► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini e le sue applicazioni – Le componenti fondamentali – Le applicazioni nella Rete TI – Esempi di progettazione ► L’evoluzione – Il 100 G – le reti intelligenti “all optical” Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009

Le reti intelligenti “all optical” L’elemento chiave è costituito dai nodi Multidegree ROADM, ovvero nodi in grado di relizzare lo switch ed il rerouting di canali ottici tramite comandi da remoto. L’introduzione in rete dei nodi ROADM comporta per un Operatore i seguenti vantaggi: ► ► Riduzione delle rigenerazioni 3 R (e quindi riduzione degli investimenti) Configurazione da remoto senza interventi in campo (e quindi riduzione e dei costi operativi L’implementazione tecnologica più diffusa avviene tramite la tecnologia dei WSS (Wavelength Selective Switch): ► Soluzione scalabile perchè modulare: matrici fotoniche distribuite ► “Power Leveling” per il miglioramento delle performance chilometriche ► Utilizzabile per un’implementazione “semplice” della restoration fotonica conseguente incremento di: ► efficienza, tramite la condivisione delle risorse ► affidabilità, grazie alla possibilità di garantire la sopravvivenza del traffico per guasti multipli ► flessibilità, dovuta al fatto che il percorso di un circuito è calcolato automaticamente ma può essere modificato Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 53

La Restoration Fotonica ► ► Il Piano di Controllo delle reti fotoniche (dette anche trasparenti) è sviluppato a partire dal Piano di Controllo delle reti ASON più tradizionali (dette anche opache; tipicamente SDH) con l’aggiunta delle funzioni IA-RWA (Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment) Il piano di controllo deve conoscere lo stato fisico della rete (tipo e lunghezza delle fibre, PMD, amplificatori, WSS attraversati) e calcolare le vie otticamente fattibili per ogni circuito e per la sue vie di protezione In caso di guasto deve inoltre provvedere a evitare conflitti nell’assegnazione delle risorse Il tempo di Restoration ottica è ancora limitato da ► Meccanismi di adattamento al carico degli amplificatori ottici ► Equalizzazione della potenza dei singoli canali ottici ► ► Tempo di intervento dei meccanismi di compensazione della dispersione cromatica (specialmente se ottici) Questa tecnologia non è stata ancora collaudata estensivamente in campo Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 54

Evoluzione delle tecnologie per ROADM T-ROADM 2 D MEMS Mirror Array PLC Two degree ROADM Wave Blocker Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 55

La tecnologia Wavelength Blocker (WB) Pass Through Broadcast and Select Architecture PA Add/Drop C 1 Splitter DWC DROP DEMUX C 2 MUX 1 2 3 4 Drop Signal Output BA ADD 1 2 3 4 Receivers OUT DEMUX Splitter IN Transmitters Add Signal Input • Gestione di due vie • Controllo della potenza individuale della lambda Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 56

La Tecnologia Planar Lightwave Circuit (PLC) In 40 1 x 2 Switch Out 40 DMUX Add PLC Drop Express out DMUX ROADM In 1× 2 Express In 1× 2 DMUX 40 Out 1× 2 • Gestione di due vie • Controllo della potenza individuale della lambda Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA Add 57

La tecnologia Wavelength Selective Switches (WSS) • Gestione del Multiporta (N>2) • Equalizzazione Ottica • Rerouting di ogni singola lambda verso qualsiasi delle N direzioni: architettura“directionless” • Add/drop “colorless” • Implementazione con MEMs o LC (Cristalli Liquidi) ADM WSS RO l u Mod e Per l’add/drop colorless nuove architetture dotate di migliore scalabilità sono già state proposte tramite l’impiego di nuovi componenti ottici (ad es. matrici a MEMS) ► Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 58

Struttura di un nodo ROADM Multidegree a 3 vie Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 59

Architettura “Directionless” Monitor DSA WSS unit DSA Monitor DSA WSS unit Monitor Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 60

Architettura “Directionless” e “Colorless” Monitor DSA WSS unit DSA Monitor DSA WSS unit Monitor Colourless ADU Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 61

Scalabilità di un nodo ROADM step 1: Terminale con WSS 1 via Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 62

Scalabilità di un nodo ROADM step 2: Roadm con WSS su 2 vie Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 63

Scalabilità di un nodo ROADM step 3: Roadm con WSS su 3 vie Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 64

Scalabilità di un nodo ROADM step finale: Roadm con WSS su N vie Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 65

Gestione e supervisione di un nodo ROADM Single network element § Il nodo multidegree ROADM è gestito e configurato dal sistema di gestione come un unico Network Element per quanto riguarda: § Eventi di guasto § Gestione degli allarmi § Upgrade dei servizi Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 66

La catena gestionale di una rete con ROADM Scambio dati con il sistema di Gestione Network Manager PROTOCOLLI SNMP, CLI Piano di Controllo WSON/GMPLS Signaling Routing Piano di Controllo WSON/GMPLS Tool di Pianificazione/ Progettazione Traffico Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 67

L’evoluzione della Rete TI a fronte delle opportunità offerte dalle nuove tecnologie fotoniche Ultra Long-Haul DWDM Multi-degree ROADM Control Plane GMPLS Evoluto CP CP ► Minor numero di rigeneratori ► Risparmio negli investimenti ► “Provisioning” end-to-end ► Protezione e restoration di lambda ► Risparmio nei costi operativi Tunnel ottico Trasparente (OCh) CP Percorso di protezione o di restoration CP CP Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA CP 68

Il nuovo Backbone Fotonico TI: architettura e tecnologia Architettura “target”: 40 nodi ROADM Multidegree in tecnologia WSS ► 63 sistemi DWDM ULH con 80 lambda@ 40 Gbit/s ► ► Pronta per il 100 G Diametro di rete: 2400 -3100 km (working-protection) ► Optical Protection e Restoration con Control Plane ► ► Sviluppo dal 2010 ROADM Evoluzione architettura dei nodi Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 69

Qualche cenno sulla fotonica integrata: un’opportunità tecnologica ► ► Il termine ottica integrata compare per la prima volta nel 1969 in un articolo apparso su The Bell System Journal: “Integrated Optics: an introduction”; 40 anni dopo il piu’ sofisticato circuiti ottico integrato (PIC, Photonic Integrated Circuit) contiene meno di 100 elementi… ma offre applicazioni interessanti Oggi esistono PIC che integrano la funzione di multiplazione, demultiplazione, trasmissione e ricezione multicanale a 10 Gbit/s (e a breve anche a 40 Gbit/s e a 100 Gbit/s) L’integrazione garantisce la riduzione del costo della rigenerazione 3 R: si passa da reti “trasparenti” a reti “opache” Oltre all’indubbio vantaggio di ridurre il costo della rigenerazione e di facilitare quindi la realizzazione di reti fotoniche complesse evitando di dover realizzare collegamenti molto lunghi non rigenerati, l’introduzione della fotonica integrata rende disponibili punti di accesso al segnale in transito per la verifica della qualità digitale (e non solo della potenza del segnale ottico come succede nelle reti “trasparenti”) o per la realizzazione di funzioni più sofisticate Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 70

Qualche cenno sulla fotonica integrata: un’opportunità tecnologica Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 71

Conclusioni Nell’ultimo decennio le architetture, le tecnologie e le funzionalità della rete trasmissiva di Telecom Italia sono significativamente cambiate, a seguito dei nuovi driver emersi (requisiti dei nuovi servizi e crescita del traffico) e dell’evoluzione delle tecnologie impiegate, in particolare di quelle Fotoniche Tale processo evolutivo è stato ed è tuttora governato dai seguenti fattori: • Utilizzare efficientemente le risorse di rete ottimizzando gli investimenti • Rendere automatiche alcune funzionalità di rete riducendo i costi operativi • Realizzare maggiori capacità a minor costo Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 72

Letture interessanti ü OFC 2005 - Tutorial on “Current Trends in Optical MEMS”, University of California Berkley ü ECOC 2009 - Tutorial on “High-Speed PIC Transceivers for Terabit Transport Networks”, Alcatel-Lucent ü ECOC 2009 – Tutorial on “Coherent receivers: Principles and Realtime implementation”, Alcatel-Lucent ü White paper on “The Road to 100 G Networking”, Ciena, 2008 ü ECOC 2008 - Tutorial on “Coherent transmission systems”, University of Tokyo ü ECOC 2009 – White Paper on “POLMUX-QPSK modulation and coherent detection: the challenge of long-haul 100 G transmission”, Nokia Siemens Network Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 73

Ringraziamenti Ringrazio i colleghi di Telecom Italia per i contribuiti fondamentali alla stesura di questo lavoro, in particolare Marco Schiano e Piergio Pagnan Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 74

Grazie per l’attenzione Valentina. brizi@telecomitalia. it Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 75