kaleidon: la nuova rete fotonica italiana
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CommTech Talks: presentazione di Telecom Italia sulla nuova rete fotonica italianaTRANSCRIPT
GRUPPO TELECOM ITALIA
Milano, 10 dicembre 2012
Kaleidon: la nuova rete
fotonica italiana
Giuseppe Ferraris
Telecom Italia - Transport Innovation
Politecnico di Milano, 10 dicembre 2012
Kaleidon: la nuova rete fotonica italiana
Sommario
• Sistemi coerenti a 40 e 100 Gbit/s
• La rete fotonica Kaleidon
• Evoluzione delle reti fotoniche
Politecnico di Milano, 10 dicembre 2012
Kaleidon: la nuova rete fotonica italiana
Sommario
• Sistemi coerenti a 40 e 100 Gbit/s
• La rete fotonica Kaleidon
• Evoluzione delle reti fotoniche
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Introduzione
• I sistemi di trasmissione coerenti vengono studiati e sperimentati da
circa trent’anni
• Solo recentemente il progresso delle tecnologie ha reso possibile lo
sviluppo di sistemi commerciali
• Il principale vantaggio dei sistemi coerenti rispetto ai sistemi IM-DD
è il mantenimento dell’informazione di fase del campo ottico a valle
del fotorivelatore
• Questa caratteristica permette di applicare tecniche di elaborazione
digitale del segnale fotorivelato aumentando la robustezza del
ricevitore alla distorsione lineare della fibra
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Struttura di un sistema DWDM
5
MU
X
DE
MU
X
DCF
. . .
A A A A . . .
. . .
MU
X
DE
MU
X A A
DCF
A . . .
A . . .
. . .
► 4080 canali spaziati di 100 o 50 GHz
rispettivamente
► Banda ottica tipica: 15301565 nm
(banda C)
► Bit rate per canale: 10, 40 e 100
Gbit/s
E/O 0/E
E/O 0/E
Transponder Transponder
?
l
l
lk l
lk
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Sistemi IM-DD
6
APC: Automatic Power Control
ATC: Automatic Temp. Control
Amp.
Dati
AGC
Bias
control
Amp.
Estrazione
clock
Decisione
PD
Dati
Driver
ATC
PD
LD
APC
Modulazione esterna
Mod. Est.
Intensity Modulation
Direct Detection
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Effetti di degrado trasmissivo
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Rumore
Ottico (ASE)
Effetto Kerr
SPM, XPM, FWM Fibra
compensatrice
PMD
PDL
Guadagno
non uniforme
Dispersione
Cromatica
Diagramma ad occhio in trasmissione Diagramma ad occhio in ricezione
MU
X
DE
MU
X
A A
DCF
A . . .
A . . .
. . .
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Gittata tipica di sistemi DWDM terrestri (IM-DD)
• Tecniche per migliorare la gittata dei sistemi
• Impiego di codici a correzione d’errore nei ricevitori
• Impiego di amplificatori ottici distribuiti ad effetto Raman
• Impiego del formato di modulazione RZ
8
Lunghezza [km]
OS
NR
[d
B]
24
20
12
16
400 800 3000
NRZ
senza FEC
NRZ
con FEC RZ
E-FEC
RAMAN
► Caratteristiche tipiche di un transponder a 10 Gbit/s IM-DD
Max. DC: ~800 ps/nm (~60 km G.652)
Max. PMD: 10 ps
Min. OSNR: 24 11 dB (a seconda del tipo di FEC del formato NRZ/RZ)
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Evoluzione del trasporto ottico
• Il traffico delle reti di trasporto cresce a tassi sostenuti: 3060%
all’anno
• Opzioni per aumentare la capacità trasmissiva:
• Aumentare il bit rate dei singoli canali
• Aumentare il numero di canali DWDM
• Sfruttare la multiplazione di polarizzazione
• Utilizzare formati di modulazione multilivello (>1 bit/simbolo)
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Efficienza spettrale
• L’impiego di formati di modulazione multilivello e della multiplazione di
polarizzazione è obbligatorio per mantenere la compatibilità con la
spaziatura dei canali di 50 GHz (80 canali in banda C)
• Le prestazioni trasmissive del formato NRZ a 100 Gbit/s sono insufficienti
10
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Frequenza [GHz]
100 Gbit/s NRZ
100 Gbit/s QPSK
Spettri di potenza di segnali a 100 Gbit/s
100 Gbit/s PM-QPSK
Max. DC: 8 10 ps/nm
(~0.60.8 km G.652)
Max. PMD: 1 ps
Min. OSNR: 21 dB
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Formato QPSK
• Portante cosinusoidale modulata in fase
• 4 valori di fase
• 2 bit/simbolo
11
t
p/4 p3/4
p7/4 p5/4
11 01
00 10
Re
Im
p/4 p5/4 p7/4
11 00 10
cos(wt + f(t))
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Rappresentazione dei segnali modulati
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► Ogni segnale modulato in ampiezza o fase può essere rappresentato
come:
► Esprime il segnale come combinazione lineare dei segnali ortogonali
cos(wct) e –sin(wct)
► Le componenti (reali) sono:
► I(t) e Q(t) sono la parte reale ed immaginaria dell’INVILUPPO COMPLESSO:
s(t) = A(t) cos [wct + f(t)]
= A(t) cos f(t) cos wct - A(t) sin f(t) sin wct
I(t)=A(t) cos f(t) Componente in fase
Q(t)=A(t) sin f(t) Componente in quadratura
c(t) = I(t) + jQ(t)
s(t) = Re[c(t) ejwct]
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Generazione del segnale QPSK
13
p/4 p3/4
p7/4 p5/4
11 01
00 10
Re
Im
t
s(t)
I(t)
Q(t)
I(t) cos(wct)
-Q(t) sin(wct)
LASER
SINTONIZZABILE p/2
Driver
Driver
DEMUX
I(t)
Q(t)
s(t) p/4 p5/4 p7/4
11 00 10 110010
101
100
Modulatori di fase
Mach Zehnder
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Multiplazione di polarizzazione
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LASER
SINTONIZZABILE
p/2
Driver
Driver
DEMUX
Ix(t)
Qx(t)
sx(t)
110010
101
100
p/2
Driver
Driver
DEMUX
Iy(t)
Qy(t)
sy(t)
011111
011
111
PBS PBC Segnale
PM-QPSK
Pol. X
Pol. Y
Pol. X
Pol. Y
Polarization Beam Combiner
Polarization
Beam Splitter
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Rivelazione coerente del segnale QPSK
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LASER
SINTONIZZABILE
Segnale
QPSK
~ I(t)
~ Q(t)
► I due segnali di corrente sono proporzionali alle componenti
in fase e quadratura a meno della differenza delle pulsazioni
wS ed wLO
► I segnali I(t) e Q(t) vengono ricavati mediante elaborazione
digitale
p/2
Ibrido 90°
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Rivelazione coerente del segnale DP-QPSK
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LASER
SINTONIZZABILE
Segnale
QPSK
~ Ix(t)
~ Qx(t)
p/2
Ibrido 90°
~ Iy(t)
~ Qy(t)
p/2
Ibrido 90° PBS PBS
Pol. X
Pol. Y
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Sistema coerente DP-QPSK a 100 Gbit/s
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Trasmettitore
► ~28 GBaud/s (112 Gbit/s)
► Spaziatura 50 GHz
► Efficienza spettrale 2 (bit/s)/Hz
Ricevitore
► Front-end ottico
► ADC, DSP, decisione
► Implementazione FEC
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Digital Signal Processing nei ricevitori coerenti
• I segnali fotorivelati vengono
campionati e convertiti in forma
digitale (2 campioni/simbolo, 5-6 bit
ADC)
• L’elaborazione digitale comprende:
• Compensazione della disp. cromatica
• Separazione delle polarizzazioni
• Compensazione della PMD
• Recupero della fase
• Elaborazione FEC
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CMOS ASIC per ricevitore coerente
(20 milioni di porte logiche, Nortel [1])
Convertitori ADC
DSP
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Elaborazione digitale dei segnali
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Dal riferimento [1]: “Performance of Dual-Polarization QPSK for Optical Transport Systems”
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Digital Signal Processing passo passo (I)
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ADC Disp. Comp. Retiming PMD Comp. Phase Recover.
► Segnale distorto dalla dispersione cromatica e PMD
► Campionamento asincrono
► Rumore di fase
ADC output
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Compensazione della dispersione cromatica
• Filtro FIR
• Inversione della risposta della
fibra
• N. di coefficienti proporzionale
alla dispersione massima
compensabile
12
22
2
cT
LDN
l
21
T
T
T
X
X
X
X
b0
b1
b2
b3
Dal riferimento [1]:
“Performance of Dual-Polarization QPSK for Optical Transport Systems”
Input Output
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Digital Signal Processing passo passo (II)
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ADC Disp. Comp. Retiming PMD Comp. Phase Recover.
► La dispersione cromatica è rimossa (tolleranza tipica 40-50000 ps/nm, >2000
km G.652)
► Il segnale permane distorto dalla PMD, dalla mancata separazione delle
polarizzazioni e dal rumore di fase
Dispersion compensation output
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ADC Disp. Comp. Retiming PMD Comp. Phase Recover.
► Corretta temporizzazione
► Il segnale permane distorto dalla PMD, dal rumore di fase e dal mancato
isolamento delle polarizzazioni
Digital Signal Processing passo passo (III)
Symbol Retiming Output
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Compensazione della PMD
• 4 filtri FIR collegati come in figura svolgono le seguenti funzioni:
• Separazione delle polarizzazioni
• Compensazione di PMD e PDL
• Compensazione di eventuali dissimmetrie dei componenti del ricevitore
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Dal riferimento [1]:
“Performance of Dual-Polarization QPSK
for Optical Transport Systems”
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Digital Signal Processing passo passo (IV)
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ADC Disp. Comp. Retiming PMD Comp. Phase Recover.
► I due stati di polarizzazione sono separati e la PMD è compensata
► Le costellazioni “ruotano” a causa della diffferenza di pulsazione wS wLO
PMD Comp. Output
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Stima della fase della portante
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Riferimento [5]: Kazuro Kikuchi, “Coherent transmission systems”
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Digital Signal Processing passo passo (V)
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ADC Disp. Comp. Retiming PMD Comp. Phase Recover.
► La differenza di frequenza wS wLO è compensata e i segnali I e Q sono
correttamente ricostruiti
Phase Recover. Output
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Integrazione di Rx TX 100 Gbit/s su una singola scheda
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Dal riferimento [1]: “Performance of Dual-Polarization QPSK for Optical Transport Systems”
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Caratteristiche trasmissive a confronto
10G
RZ IMDD
40G
DQPSK
40G
Coh. DP-BPSK
100G
Coh. DP-QPSK
OSNR [dB] 11 14 11 13
Dispersion [ps/nm] ± 800 ± 500 (TDC) ± 59000 ± 40000
DGD [ps] 30 24 90 90
50 GHz spacing Yes Yes Yes Yes
Max number ROADM >20 15? 15? ~20
Reach
(5 ROADM 16 span G.652) [km] 1600 1000 1300 ~1000
Spectral efficiency
(50 GHz grid) [(bit/s)/Hz] 0.2 0.8 0.8 2
Max Capacity (C-band) [Gbit/s] 800 3200 3200 8000
Compatibility 10 G NRZ - XXXX XXX XX
Uncompensated links No No Yes Yes
Old high PMD links No No Yes Yes
Complexity X XXXX XXXXX XXXXXX
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Limiti trasmissivi dei formati multilivello
30
Dal riferimento [6]
Simulazione numerica
della massima distanza
di trasmissione (fibra G.652)
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Bibliografia sistemi coerenti
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[1] K. Roberts, M. O’Sullivan, K. Wu, H. Sun, A. Awadalla, D. J. Krause, C. Laperle, “Performance
of Dual-Polarization QPSK for Optical Transport Systems”, J. Lightw. Technol., vol. 27, no.
16, August 15, 2009, pp. 3546-3559
[2] Peter J. Winzer et al., “100-Gb/s DQPSK Transmission: From Laboratory Experiments to
Field Trials”, J. Lightw. Technol., vol. 26, 2008 p.64
[3] 1.C. R. S. Fludger , T. Duthel , D. van den Borne , C. Schulien , E.-D. Schmidt , T. Wuth , J.
Geyer , E. De Man , G.-D. Khoe and H. de Waardt "Coherent equalization and POLMUX-RZ-
DQPSK for robust 100-GE transmission", J. Lightw. Technol., vol. 26, p.64 , 2008
[4] S. J. Savory, "Digital filters for coherent optical receivers", Opt. Exp., vol. 16, no.2, Jan
2008, p. 804
[5] Kazuro Kikuchi, “Coherent transmission systems”, Tutorial paper Th.2.A.1, Proceedings
ECOC 2008, Brussels 2008
[6] A. Carena et al., “Maximum Reach Versus Transmission Capacity for Terabit Superchannels
Based on 27.75-GBaud PM-QPSK, PM-8QAM, or PM-16QAM”, PHOTONICS TECHNOLOGY
LETTERS, VOL. 22, NO. 11, JUNE 1, 2010, pp. 829
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Sommario
• Sistemi coerenti a 40 e 100 Gbit/s
• La rete fotonica Kaleidon
• Evoluzione delle reti fotoniche
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Organizzazione funzionale di una rete backbone, ASON:
Automatically Switched Optical Network
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Sistema DWDM
Cross-
connect
Sistema informativo dedicato a:
configurazione manuale dei circuiti e delle protezioni,
Performance Monitoring, gestione degli allarmi …
Sistema informativo dedicato a:
configurazione automatica dei circuiti e delle protezioni,
dedicate o condivise (restoration), network discovery, …
Piano di
Gestione
Piano di
Controllo
Piano Dati Insieme dei sistemi dedicati alle funzioni di
trasferimento dei dati: multiplazione, trasmissione,
commutazione
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Funzioni del piano di controllo
• Routing:
• Calcolo del percorso ottimale dei circuiti in rete sulla base di
criteri semplici (minima distanza) o più elaborati (Traffic
Engineering). Protocolli standard GMPLS: OSPF-TE, RFC3630 [1]
• Signaling:
• Attivazione delle cross-connessioni che consentono di realizzare i
circuiti. Protocolli standard GMPLS: RSVP-TE, RFC3209 [2]
• Discovery:
• Network inventory automatico: riconoscimento automatico di
nuovi nodi o nuove risorse inserite in rete. Protocolli standard
GMPLS: LMP, RFC4209 [3]
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Wavelength Selective Switch
e nodi ROADM
35
WSS
Splitter
WS
S
Sp
litter
WS
S
Sp
litt
er
Linea
est
Linea
nord
Linea
sud
Schema funzionale di un WSS
Nodo ROADM
di grado 3
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Struttura di un WSS
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Scheda di linea ROADM
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Dal DWDM punto-punto alle reti “lambda-switched”
38
ROADM
DWDM punto-punto
(fino al ~2010)
Reti “lambda switched”
(oggi)
Nodo di rete
con terminazioni DWDM
Nodo di rete
Con funzioni “lambda switching “
Optical circuits
Transponders
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Perché un nuovo Backbone fotonico?
• Per soddisfare la crescente domanda di traffico
• Delle reti domestiche (specialmente il backbone IP)
• Delle reti internazionali
• Del mercato emergente delle circuiti ottici “wholesale”
• Per ridurre i costi (investimenti e costi operativi)
• Per migliorare l’affidabilità dei servizi “pregiati”
• Per riorganizzare la rete di trasporto in una singola
piattaforma facilmente gestibile, dismettendo i
sistemi DWDM punto-punto attuali
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Le reti “client” domestiche
• CRS 1 Tera-routers nel core
• Interfacce POS a 10 Gbit/s per
tutti I link
• Interfacce POS a 40 Gbit/s nel
core 40
Architettura del
backbone IP
OPB: Optical
Packet Backbone
M I
PD
TS BS
BO
TO
GE
FI
PA
RM
NA
BA
SV
AL
BG CO
VR VE
BZ
MO RI
PI
AN
PG
PE
CA
TA
CZ
CT
NL
M I
PD
TS BS
BO
TO
GE
FI
PA
RM
NA
BA
SV
AL
BG CO
VR VE
BZ
MO RI
PI
AN
PG
PE
CA
TA
CZ
CT
NL
TO
AL
VR
VE
RM 2 RM 1
MI 1 MI 2
RM 2
CT
PA
RM 1 RM 1 RM 2
VR
VE
MI 1 MI 2
BO
PC
RM 1 RM 2
SS
CA
SS BA
TA
BO
PI FI
PC
RM 1 RM 2
P
E
A
N P
G
R
M
1
X
► Rete ASON magliata
► Cross-connect SDH e link
DWDM
► Control Plane, routing
centralizzato
► Anelli SDH a 2.5 Gbit/s
► Servizi VC4 strutturati
► Affidabilità eccellente (MS-
SPRing)
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Trasporto Sud-Nord del traffico internazionale
• Il traffico proveniente dal medio e lontano
oriente è convogliato in Sicilia da sistemi
sottomarini
• Deve essere instradato a Milano dove sono
dislocati i POP della rete Pan-Europea di
Telecom Italia Sparkle
41
MedNautilus
Rete Pan-Europea di
Telecom Italia Sparkle
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Opportunità offerte dalle nuove tecnologie fotoniche
42
Tunnel ottico
Trasparente (OCh) CP CP
CP
CP
CP
CP CP CP
Ultra Long-Haul
DWDM
Multi-degree
ROADM
► Minor numero di rigeneratori
► Risparmio negli investimenti
Control Plane
GMPLS
Evoluto
► “Provisioning” end-to-end
► Protezione e restoration di OCh
► Risparmio nei costi operativi
Percorso di
protezione
o di restoration
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k a l i ode nk a l i ode n Struttura del nuovo Backbone fotonico
• Diametro di rete: 2400-3100 km (working-protection)
• Massimo numero di hop: 11
• Grado nodale: 25 (media 3.1)
• Tecnologia:
• 44 nodi a commutazione di l basati su ROADM
• 71 sistemi DWDM ULH con 80 lambda
• Fibre G.655 e G.652
• Canali ottici (OCh) a 10, 40 e 100 Gbit/s
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Risparmi energetici ed altri benefici operativi
• In confronto al trasporto su sistemi DWDM punto-punto, si
stima un risparmio energetico compreso tra 20 e 30%
• Il risparmio energetico è dovuto principalmente alla riduzione
del numero di rigeneratori, mentre il consumo dei ROADMs è
molto piccolo
• La nuova rete comporta numerosi altri benefici:
• Notevole riduzione delle parti di ricambio (minor numero di rigeneratori);
• Risparmio del ~40% nel costo di creazione dei circuiti;
• Opportunità di trasferire i circuiti delle reti “legacy” razionalizzando il
trasporto nel backbone
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45
“Protection and Restoration combined”
Protetto
In servizio
Fuori servizio
t
Guasto Guasto
Protezione (<50ms)
Guasto
Guasto Guasto
Guasto
Guasto
Guasto
Restoration (secondi)
Guasto
Guasto
Circuito
Rete
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Sommario
• Sistemi coerenti a 40 e 100 Gbit/s
• La rete fotonica Kaleidon
• Evoluzione delle reti fotoniche
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Reti fotoniche ad una svolta
47
ESSIAMBRE et al.,
JLT, 2010
Esperimenti Record recenti
Nuove tecnologie fotoniche
• MIMO su fibre multimodo
• Fibre “multicore”
• Modulazione del momento
angolare orbitale dei fotoni
• …
Tecnologie fotoniche
attuali
“evolute”
Medio termine
Lungo termine
Uso più efficiente
della banda ottica
Allargamento della
banda ottica
2012 ~2020 ~2030
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Politecnico di Milano, 10 dicembre 2012
Kaleidon: la nuova rete fotonica italiana
Reti fotoniche ad alta efficienza e a banda ultra larga
48
Uso più
efficiente
della banda
ottica
► Supercanali ottici
► Transponder configurabili
► Griglia flessibile
Allargamento
della banda
ottica
► Amplificazione Raman
Tecnologie abilitanti
Pro
ssim
a g
en
era
zio
ne
di
reti
fo
ton
ich
e
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Kaleidon: la nuova rete fotonica italiana
Nyquist DWDM e supercanali
• Le portanti ottiche possono essere fittamente
spaziate e trattate come supercanali
• Nel “Nyquist DWDM” la spaziatura limite è il baud rate
49
Optical
Frequency
Po
we
r S
pe
ctr
um
Channel spacing Df
Superchannel
BOSCO et al.,
JLT 2011
► La gittata dei sistemi è limitata
dall’interferenza non lineare
(FWM-like impairment model)
► Quanto più la spaziatura è stretta
tanto più elevata è l’efficienza
spettrale, tanto più breve è la
gittata
G.652
G.655
Paper OTh3A.3, Poggiolini et al., "Ultra-
Long-Haul Transmission of 16x112 Gb/s
Spectrally-Engineered DAC-Generated
Nyquist-WDM PM-16QAM Channels with
1.05x(Symbol-Rate) Frequency Spacing"
100 G
50 G
150 G
200 G
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Kaleidon: la nuova rete fotonica italiana
Transponder configurabili
• ~32 Gsymbol/s
• Formato di modulazione
configurabile: DP-BPSK, DP-
QPSK, DP-8QAM, DP-16QAM
• “Spectral shaping” elettrico:
DSP e DAC nel trasmettitore
• Sintonizzabilità su griglia
flessibile
• Soft Decision FEC: guadagno
di codifica > 10 dB
50
Optical
Frequency
Po
we
r S
pe
ctr
um
Baud Rate
Spectral shaping
DAC
DAC
DAC
DAC
DS
P
Optical
modulator
Optical
modulator
Laser PC
ADC
ADC
ADC
ADC
DS
P
Laser PS
90
°
Hyb
rid
90°
Hyb
rid
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Amplificazione Raman
• Sistemi Raman a banda ultra larga
(100 nm) sono già stati dimostrati
• Miglioramento dell’ OSNR di 3÷6 dB
rispetto agli EDFA
• Raddoppio della gittata rispetto ai
sistemi EDFA
51
Pe
r P
ola
riza
tio
n S
pe
ctr
al E
ffic
ien
cy
Puc et al., ECOC 2005
► I sistemi con amplificazione Raman si
avvicinano all’efficienza spettrale limite
di Shannon
► Costellazione e codifica ottimizzate
► Efficienza spettrale di 16 bit/s/Hz con
una gittata di 1000 km (multiplazione di
polarizzazione)
1518 nm 1620 nm
ESSIAMBRE et al., JLT 2010
Sir
Chandrasekhara
Raman
1930 Nobel Prize
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ROADM a griglia flessibile
• WSS a banda variabile
• Consentono di commutare i
supercanali come aggregati
• Permettono di ottimizzare la spaziatura
delle portanti in funzione della gittata
richiesta per il supercanale
52
Optical
Frequency
Po
we
r S
pe
ctr
um
Variable pass bands WSS
Optical
Frequency
Po
we
r S
pe
ctr
um
Mean power spectral density
Gittata breve
Spaziatura stretta Gittata media Gittata lunga
Spaziatura larga Giuseppe Ferraris © Telecom Italia SpA 2012, tutti i diritti riservati
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Scenari evolutivi delle reti fotoniche
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Today’s WSON Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3
(SE limit)
Channel
spacing [GHz]
50 33.3 33.3 33.3
Amplification EDFA EDFA RAMAN RAMAN
Optical
Bandwidth [nm]
32 32 100 100
N. of DWDM
channels
80 120 360 360
Transponders’
bit rate [Gbit/s]
40 100 100 150 100 200 400
Transponder’s
reach [km]
3000 2000 1800 700 3600 700 <1000
Modulation
format
(dual pol.)
BPSK QPSK QPSK 8QAM QPSK 16QAM Optimized
constellation
and coding
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Kaleidon: la nuova rete fotonica italiana
Analisi di scalabilità di Kaleidon
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EDFA
Df=50 GHz
40/100
Gbit/s
EDFA
Df=33 GHz
150 Gbit/s
Raman
Df=33 GHz
100/200
Gbit/s
Raman
Df=33 GHz
400
Gbit/s
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Kaleidon: la nuova rete fotonica italiana
Bibliografia reti di trasporto
• ITU-T G-series Recommendations – Supplement 39, www.itu.int/itu-
t/recommendations/index.aspx?ser=G
• R. S. Tucker et al., “Evolution of WDM Optical IP Networks: A Cost and
Energy Perspective”, IEEE JLT, VOL. 27, NO. 3, FEBRUARY 1, 2009
• Adel A. M. Saleh, and Jane M. Simmons, “Evolution Toward the Next-
Generation Core Optical Network”, IEEE JLT, VOL. 24, NO. 9,
SEPTEMBER 2006
• S. Gringeri et al., “Flexible Architectures for Optical Transport Nodes
and Networks”, IEEE Communications Magazine, July 2010
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