Pag. 1

Reti in fibra ottica

2/53

SDH e SONET

SDH: Synchronous DigitalHierarchyPrincipale (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.

Pag. 2

3/53

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 otticheInteroperabilità tra apparati ottici di fornitori diversiRequisiti di altissima affidabilità

Spesso i gestori richiedono:Affidabilità dei singoli apparati: 1 guasto ogni 25 anniAffidabilità di sistemi completi: pochi secondi di fuori servizio all’anno.

4/53

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.

Pag. 3

5/53

SDH: Synchronous Digital Hierarchy

Un dettaglio sul termine SDH - Synchronous DigitalHierarchy

“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.

6/53

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.

Pag. 4

7/53

Gerarchia di multiplazione SDH/SONET

SONET SDH Bit Rate esatto

Bit Rate approx.

OC-1 51.840 Mbit/s

OC-3 STM-1 155.520 Mbit/s

155 Mbit/s

OC-12 STM-4 622.080 Mbit/s

622 Mbit/s

OC-48 STM-16 2488.320 Mbit/s

2.5 Gbit/s

OC-192 STM-64 9953.280 Mbit/s

10 Gbit/s

OC-768 STM-256 39813.12 Mbit/s

40 Gbit/s

8/53

Gerarchia di multiplazione SDH/SONET

In sostanza, relativamente alla struttura di multiplazione:

SDH STM-n corrisponde a n flussi a 155.52 Mbit/s multiplatiin 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.

Pag. 5

9/53

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.

10/53

Cenni alla gerarchia telefonica

Standard europeoPCM a 64 Kbit/s

Primo livello di multiplazione: E1 a 2.048 Mbit/sPermette di trasportare 30 flussi a 64 Kbit/s, più due flussi di controllo e gestione

Primo livello di multiplazione SDHSTM-1 a 155.52 Mbit/sPermette di trasportare 63 flussi E1, più una notevole quantità di informazione di controllo.

Pag. 6

11/53

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).

12/53

Complessità della gerarchia SDH

C-12≈2 Mbit/s

C-11≈1.5 Mbit/s

VC-12

VC-11

T U-12

x 3

C-2≈6 Mbit/s VC-2 T U-2 TUG-2

x 7

TU= Tributary Unit(LO VC+pointer)

TUG= Tributary Unitgroup

C-3≈45 Mbit/s VC-3 T U-3 TUG-3

x 3

AUG-1

STM-1

155 Mbit/s

x N

AUG-N

STM-N

C-4≈140 Mbit/s VC-4 AU-4150.336 Mbit/s

AU=Administrative Unit(HO VC+Pointer)

AUG= Administrative Unitgroup

Pag. 7

Reti in fibra ottica

14/53

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.

Pag. 8

15/53

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.

16/53

ITU G.957 e G.691

I sistemi sono classificati con la seguente notazioneType - 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).

Pag. 9

17/53

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 haulSTM-64, cioè a10 Gbit /s.

18/53

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 shiftedfiber (NZDSF, ITU G.655).

Pag. 10

19/53

SDH Physical Interface

Ad esempio:

V-64.3 è un sistema:Very long haul (120 Km)10 Gbit/sOperante a 1550 nm su DS dispersion shifted fiber

S-1.1 è un sistema Short -haul (20 Km)155 Mbit/sOperante a 1300 nm su SMF standard fiber.

20/53

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.

Pag. 11

Reti in fibra ottica

22/53

SDH G.957: parametri trasmettitore

I principali parametri specificati in G.957 per il trasmettitore sono:

Tipo di sorgente ottica:LEDLaser 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 ratioEye mask all’uscita del trasmettitore.

Pag. 12

23/53

Eye mask al trasmettitore

Le maschere sono specificate, a seconda dei casi, con una forma esagonale o rettangolare inscritta nel diagramma ad occhio.

24/53

Esempio:

0

1

X1 10

Specifiche:X1>0.20Y1>0.25

-Y1

Y1

1+Y1

1-Y1

Specifiche di eye-mask per STM-16 2.488 Gbit/s, ITU G.691

Pag. 13

25/53

SDH G.957: parametri Optical Path

Principali parametri specificati per il link ottico in G. 957:

Massima attenuazione totale, inclusi i connettoriMassima dispersione (non specificata nel caso in cui il sistema sia limitato dall’attenuazione)Riflessioni

Totali: ORL Optical Return LossSu 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).

26/53

SDH G.957 : parametri ricevitore

Principali parametri specificati per il ricevitore in G. 957:

SensitivityMinima potenza ricevuta necessaria per ottenere un BER=10-10 o 10-12 con collegamento diretto ad un trasmettitore di riferimento, senza fibra.

Receiver overloadMassima potenza ricevuta per ottenere un BER=10-10 o 10-12

Riflessioni all’ingresso del ricevitore.

Pag. 14

27/53

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 haulDispersione: per i sistemi basati su LED o MLM (sistemi a basso costo, fino a short haul).

Potenza

Receiversensitivity

MaximumLaunchedpower

Path penalty

Maximum pathattenuation

28/53

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.

Pag. 15

29/53

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 worst-case:

Intra-office: 3.5 dB/km Short-haul: 0.8 dB/kmLong-haul, 1310 nm: 0.5 dB/kmLong-haul, 1550 nm: 0.3 dB/km.

30/53

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 nmLong-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.

Pag. 16

31/53

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:

6//

10 Mbit sps nmDL Bε λ−= ⋅ ⋅ ⋅∆

Dispersione accumulata

Bit rate RMS spectralwidth sorgente ottica

32/53

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).

Pag. 17

33/53

Dettagli su G.957: Dispersione

0.4912 dBSLM on long-haul

0.1151 dBMLM source, system up to short -haul

0.3061 dBLED and SLM system up to short -haul

εparameterAcceptable

path penaltySource and

System Type

34/53

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/nmSe L=40 Km —> Dmax=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 Dmax=4.625 ps/nm/km.

Pag. 18

35/53

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 suppressionMean launched power: from –3 to +2 dBmMinimum transmitter extinction ratio: 10 dB.

36/53

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).

Esempio: specifiche complete per L-4.1

Pag. 19

37/53

L-4.1 (long-haul, 622 Mbit/s, 1300 nm su SMF)Receiver Parameters

Receiver sensitivity: -28 dBmReceiver overload: -8 dBmMaximum path-penalty: 1 dBReceiver reflectance: maximum -14 dB.

Esempio: specifiche complete per L-4.1

Reti in fibra ottica

Pag. 20

39/53

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/sSTM-256: 40 Gbit /s, oggi (2003) ancora poco utilizzato.

G.691: le novità

40/53

altre novità:

Le distanzeV- 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)

prechirppassive dispersion compensators (PDC).

G.691: le novità

Pag. 21

41/53

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:

AttenuazioneDispersione.

Principali differenze rispetto alla G.957:Target BER=10 -12

Modulazione esterna per i sistemi da 2.5 Gbit/s e oltre.

42/53

G.691: setup di sistema

I setup previsti dalla G.691, relativamente all’amplificazione ottica, sono:

TX RX

OpticalPreamplifier

TX RX

Opticalpre-amplifier

OpticalBoosteramplifier

Pag. 22

43/53

G.691: setup di sistema

Per i sistemi ad alto bit rate e lunga distanza, è previsto l’uso di compensatori di dispersione:

TX

TX

RX

Passive Dispersion

Compensation

PDC

RXPDCPDC

44/53

Esempio: sistema V-64.3

Sistema a 10 Gbit/s, Very Long Haul, sorgente a 1550 nm su fibra DS.

Transmitter parametersOperating wavelength range: 1530-1565Mean launched power: 10-13 dBmMinimum transmitter extinction ratio: 8.2 dB.

Pag. 23

45/53

Esempio: sistema V-64.3

Sistema a 10 Gbit/s, Very Long Haul, sorgente a 1550 nm su fibra DS.

Path ParametersAttenuation range: 22-33 dB (allowing a single spanof 100-120 km)Maximum accumulated dispersion: 400 ps/nmMaximum accumulated PMD: 10 ps.

46/53

Esempio: sistema V-64.3

Sistema a 10 Gbit/s, Very Long Haul, sorgente a 1550 nm su fibra DS.

Receiver ParametersReceiver sensitivity: -24 dBmReceiver overload: -9 dBmMaximum path-penalty: 1 dB.

Pag. 24

Reti in fibra ottica

48/53

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 lineaDistanze fino a 640 KmWDM:

maximum number of channels: 4, 8, 16 , 32 e oltresignal channel types: STM-4, STM-16, or STM-64.

Pag. 25

49/53

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).

50/53

G.692: allocazione delle frequenze

fAsse frequenze ottiche

193.1 THz= 1552.52 nm

100 GHz

Pag. 26

51/53

G.692: allocazione delle frequenze

Channel Wavelength Channel Wavelength123456789

10111213141516

1557.361556.551555.751554.941554.131553.331552.521551.721550.921550.121549.311548.511547.721546.921546.121545.32

17181920212223242526272829303132

1544.531543.731542.941542.141541.351540.561539.771538.981538.191537.401536.611535.821535.041534.251533.471532.68

52/53

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 GHzPer sistemi WDM ad altissima capacità.

Pag. 27

53/53

Frequency in THz

100 GHz spacing

(8 channels or more)

200 GHz spacing

(4 channels or more)

400 GHz spacing

(4 channels only)

500/400 GHz

spacing (8 channels

only)

600 GHz spacing

(4 channels only)

1000 GHz spacing

(4 channels only)

Wavelength in vacuum

in nm

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

Esempio di tabella delle frequenze