Kaleidon: la nuova rete fotonica italiana

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



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

Giuseppe Ferraris © Telecom Italia SpA 2012, tutti i diritti riservati 4



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




Effetti di degrado trasmissivo

7

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 . . .

. . .




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)




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)

9 Giuseppe Ferraris © Telecom Italia SpA 2012, tutti i diritti riservati



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




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))




Rappresentazione dei segnali modulati

12

► 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]




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




Multiplazione di polarizzazione

14

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




Rivelazione coerente del segnale QPSK

15

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°




Rivelazione coerente del segnale DP-QPSK

16

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




Sistema coerente DP-QPSK a 100 Gbit/s

17

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




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

18

CMOS ASIC per ricevitore coerente

(20 milioni di porte logiche, Nortel [1])

Convertitori ADC

DSP




Elaborazione digitale dei segnali

19

Dal riferimento [1]: “Performance of Dual-Polarization QPSK for Optical Transport Systems”




Digital Signal Processing passo passo (I)

20

ADC Disp. Comp. Retiming PMD Comp. Phase Recover.

► Segnale distorto dalla dispersione cromatica e PMD

► Campionamento asincrono

► Rumore di fase

ADC output




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




Digital Signal Processing passo passo (II)

22


► 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




23


► 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




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

24

Dal riferimento [1]:

“Performance of Dual-Polarization QPSK

for Optical Transport Systems”




Digital Signal Processing passo passo (IV)

25


► 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




Stima della fase della portante

26

Riferimento [5]: Kazuro Kikuchi, “Coherent transmission systems”




Digital Signal Processing passo passo (V)

27


► La differenza di frequenza wS wLO è compensata e i segnali I e Q sono

correttamente ricostruiti

Phase Recover. Output




Integrazione di Rx TX 100 Gbit/s su una singola scheda

28

Dal riferimento [1]: “Performance of Dual-Polarization QPSK for Optical Transport Systems”




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




Limiti trasmissivi dei formati multilivello

30

Dal riferimento [6]

Simulazione numerica

della massima distanza

di trasmissione (fibra G.652)




Bibliografia sistemi coerenti

31

[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




Sommario






Organizzazione funzionale di una rete backbone, ASON:

Automatically Switched Optical Network

33

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




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]




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




Struttura di un WSS




Scheda di linea ROADM




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




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




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)




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




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




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




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




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




Sommario






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




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




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




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




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




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



Scenari evolutivi delle reti fotoniche

53

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




Analisi di scalabilità di Kaleidon

54

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




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


Kaleidon: la nuova rete fotonica italiana

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