Standard nelle fibre ottiche

Il protocollo ethernet ottico

Ethernet è una suite di protocolli originariamente sviluppati per realizzare LAN (Local Area Networks):

Ethernet ha avuto molto successo ed è uno dei protocolli maggiormente utilizzati nelle LAN

È ufficialmente standardizzata da IEEE, con la serie di specifiche denominate IEEE 802.3

Il protocollo ethernet ottico

Il data rate originale era di 10 Mbit/s su cavi coassiali.

Il protocollo Ethernet ha avuto una enorme diffusione, che continua a crescere

La stragrande maggioranza dei PC è dotata di schede di rete Ethernet.

Il protocollo ethernet ottico

Varie standardizzazioni successive hanno introdotto:

Ethernet a 100 Mbit/s (denominato “Fast Ethernet”)Ethernet a 1 Gbit/s (denominato “Gigabit Ethernet”)Ethernet a 10 Gbit/s (nel 2003).

Il protocollo ethernet ottico

Per i diversi bit rate, il protocollo Ethernet ha standardizzato soluzioni sia in rame (cavi UTP di varia categoria) che in fibra:

Tuttavia, per Gigabit Ethernet la soluzione in fibra è di gran lunga la più utilizzata;

Per 10 Gbit Ethernet, la fibra è l’unica soluzione praticabile (esiste una soluzione in rame solo per brevissime distanze).

Il protocollo ethernet ottico

Ethernet, a qualunque bit rate, è sempre stata standardizzata in modo da permettere soluzioni a basso costo.

La fascia di costo è quella delle schede di rete da PC.

Oggi (2003) sono disponibili schede di rete Gigabit Ethernet da PC.

Un consorzio di grandi produttori sta per lanciare sul mercato schede 10 Gbit Ethernet.

Rthernet e componenti ottici

Per ragioni di riduzione di costi, gli standard Ethernet “ottici”prevedono di utilizzare LED a 850nm o Laser (modulati direttamente) a 1300 nm;

Fibre multimodo;Solo per le distanze più lunghe, fibre SMF.

Tutte le soluzioni commerciali usano topologia a stella e collegamenti full-duplex su coppie di fibre L’accesso multiplo CSMA-CD non è utilizzato nelle soluzioni ottiche.

Ethernet e componenti ottici

Per Fast Ethernet in fibra ottica (100 Mbit/s) il protocollo prevede:

100 Base-FX (IEEE 802.3u)Fibra multimodo 62.5/125 (cavo con due fibre, unaper direzione);uso di LED a 1300 nm;Link loss massima: 11 dB (fibre+connettori);Distanze fino a 400 m circa, determinata non da requisiti di livello fisico, ma da massimo round-trip time.

Fast-Ethernet ottico

Esistono schede di rete “proprietarie” che permettono di estendere il collegamento ben al di là dei 412 metri dello standard, sino tipicamente a 2 Km

Si tratta spesso di “media converter” da rame (100-BaseTX) a fibra, per le situazioni in cui si devono coprire distanze superiori a quelle previste per la soluzione in rame;

Esistono anche soluzioni per arrivare a decine di km, usando laser modulati direttamente.

I costi sono tipicamente (nel 2003) inferiori a 100 Euro per apparato.

Cenni alla codifica di linea

Tutta la “famiglia” di protocolli Ethernet in fibra ottica utilizza una codifica di linea. Per codifica di linea si intende una “trasformazione” dei bit di “payload” in ingresso in una nuova serie di bit.

Cenni alla codifica di linea

In una codifica di linea (k,n) k bit in ingresso vengono trasformati in n bit di uscita, con n>k, secondo delle tabelle di conversione (look up table) predeterminate (e ovviamente note al ricevitore).

Le codifiche di linea sono molto usate nelle trasmissioni ad alta velocità per ottenere particolari funzionalità utili a livello fisico.

Codifica 8B/10B

Nel caso di Ethernet “ottico”, si usa la codifica 8B/10B

8 bit in ingresso (1 byte) vengono “mappati” in 10 bit in uscita.

La “mappatura” è studiata in modo da ottenere, per qualunque dei 256 possibili byte in ingresso:

Flusso in uscita con un numero sufficiente di transizioni 0/1, in modo da poter recuperare facilmente il clock in ricezione

Flusso in uscita con un numero bilanciato di “0” e “1).

Codifica 8B/10B

La “mappatura” è studiata in modo da ottenere, per qualunque dei 256 possibili byte in ingresso:

Possibilità di aggiungere parole di controllo

Notare infatti che le possibili “parole” di 10 bit sono 1024, mentre le possibile “parole” in ingresso sono solo 256;

Alcune delle “parole” non corrispondenti a nessun ingresso possono essere usate per controllo (parole di start, stop, dummy, etc).Rivelazione di singoli errori sul bit (tramite codice a controllo di parità).

Codifica 8B/10B

Il “costo” per ottenere i vantaggi precedentemente elencati è un aumento del bit rate in linea.

La codifica 8B/10B aumenta infatti la velocità di trasmissione del 25%.

Il bit rate in linea di Fast Ethernet è dunque pari a 125 Mbit/s.

Gigabit Ethernet ottico

Per Gigabit Ethernet in fibra ottica (1 Gbit/s, IEEE 802.3z) il protocollo prevede le seguenti tipologie di link di livello fisico:

Gigabit-Ethernet ottico

Anche in questo caso, esistono soluzioni “proprietarie” che permettono di andare ben al di là della distanza massima di 5 Km prevista dallo standard.

Ad esempio, esistono soluzioni proprietarie per arrivare, usandolaser a 1550 nm su fibra SMF, fino a circa 150 Km (senza amplificazione ottica nè compensazione di dispersione).

Anche Gigabit Ethernet si basa sulla codifica 8B/10B, e dunque in linea trasmette a 1.25 Gbit/s.

Gigabit-Ethernet power budget

Tabelle tratte da apparati commerciali

SDH

SDH e SONET

SDH: Synchronous Digital HierarchyPrincipale (e sostanzialmente unico) standard europeo (ITU-T) per trasmissioni ad alta capacità su reti geografiche.

SONET: Synchronous Optical NETworkAnalogo standard americano (ANSI).

Le differenze tra le due soluzioni sono legatesoprattutto alla terminologia e ai dettagli tecniciIn questo corso, si utilizzerà la terminologia SDH,europea.

SDH e SONET

Le prime standardizzazioni SDH/SONET furono introdotte a partiredagli 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.

Cosa è l’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 lecaratteristiche del livello fisico.

SDH

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.

commenti

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.

Gerarchia di multiplazione SDH-SONET

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.

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.

SDH-strato fisico

SDH-strato fisico

Principali documenti ITU-T su livello fisico SDH

ITU-T G.957: Optical interfaces for equipments and systems relating tothe 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.

ITU-T G.692: Optical interfaces for multichannel systems with opticalamplifiers

Multi canale (DWDM), singola o multipla tratta con amplificatori ottici, fino a 10 Gbit /s.

ITU-T G.957 e G.961

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).

ITU-T G.957 e G.961

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.

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).

SDH interfaccia di tipo fisico

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.

Organizzazione standard SDH

Le specifiche G.957 e G.691 si occupano di definire, separatamente, i parametri di:

Trasmettitore;

Link ottico (chiamato “Optical Path”);

Ricevitore.

DWDM

Setup di un sistema DWDM

Setup di un sistema DWDM

I componenti tipici costituenti un sistema DWDM sono:

Al trasmettitore:Laser DFB, Modulatori esterni in Niobato di Litio

Multiplexer e Demultiplexer otticiFiltri AWG

Amplificazione ottica in lineaEDFA

Al ricevitore:Fotodiodi PINFET a larga banda.

Spaziatura tra canali

Scelta della spaziatura tra canali

Larga:Riduce i requisiti sui componentiPermette futuri sviluppi dei sisitemi con bit rate più alti.

Stretta:Permette di avere un maggior numero di canali nella banda di guadagno degli amplificatori ottici

Impone notevole precisione e stabilità dei componentiottici.

Separazione spettrale tra canali adiacenti

La spaziatura minima tra canali, oltre a considerazioni tecnologiche, è fondamentalmente limitata dalla sovrapposizione degli spettri dei canali adiacenti.

La situazione attuale è la seguente:Oggi la spaziatura tra canali nei sistemi commerciali deve essere almeno 5-10 volte il bit rate.Negli esperimenti di laboratorio sono stati dimostrati sistemi con spaziature prossime al bit rate. Per esempio, 25 GHz di spaziatura con canali a 10 Gbit/s, corrispondente ad una efficienza spettrale del 40%.

EDFA e massimo numero di canali

La banda ottica disponibile è limitata principalmente dalla banda di guadagno degli EDFA.

Esempio: EDFA C-Band1540 nm - 1565 nm25 nm di banda disponibile, pari a 3.2 THz.

Utilizzando un sistema DWDM con spaziatura 100 GHz si possono avere 32 canali.

L’uso di Bande di amplificazione alternative (S, L e XL)Spaziature minori: 50 GHzpermette già oggi di avere sistemi commerciali con più di 100 canali.

Architettura dei sistemi WDM

Nelle seguenti slide sono descritte le architetture tipiche dei sistemi DWDMI “tributari” di un sistema DWDM sono di solito dei canali SDH.

DWDM: trasmettitore

DWDM: collegamento

Il collegamento tipico nei sistemi DWDM, oltre alla fibra, ècomposto da:

EDFA

Sistemi di monitoraggio ottico/elettrico

Dispersion compensating units (DCU)

Punti di add-drop ottico intermedi (opzionalmente, solo nei sistemi più recenti).

DWDM: collegamento

DWDM: ricevitore