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


l
Struttura di un sistema DWDM lk l
lk

DEMUX
...
MUX
0/E A A A A
...

E/O

...
0/E
DCF E/O
Transponder Transponder
DEMUX

...

MUX
A A A A

...
...

DCF l
?
► 4080 canali spaziati di 100 o 50 GHz
rispettivamente
► Banda ottica tipica: 15301565 nm
(banda C)
► Bit rate per canale: 10, 40 e 100
Gbit/s



Sistemi IM-DD
Modulazione esterna
Intensity Modulation
Driver Direct Detection

Dati APC
LD
ATC
PD Mod. Est.

Dati
Amp. Amp. AGC Decisione

PD Estrazione
APC: Automatic Power Control Bias clock
ATC: Automatic Temp. Control control



Effetti di degrado trasmissivo
Rumore Guadagno Dispersione PMD
Ottico (ASE) non uniforme Cromatica PDL

DEMUX
...
MUX

A A A A
...

...
Effetto Kerr DCF
SPM, XPM, FWM Fibra
compensatrice
Diagramma ad occhio in trasmissione Diagramma ad occhio in ricezione



Gittata tipica di sistemi DWDM terrestri (IM-DD)
► Caratteristiche tipiche di un transponder a 10 Gbit/s IM-DD
Max. DC: ~800 ps/nm (~60 km G.652)
Max. PMD: 10 ps
OSNR [dB]

Min. OSNR: 24  11 dB (a seconda del tipo di FEC del formato NRZ/RZ)

• Tecniche per migliorare la gittata dei sistemi
• Impiego di codici a correzione d’errore nei ricevitori
24
• Impiego di amplificatori ottici distribuiti ad effetto Raman
20 NRZ
• Impiego del formato di modulazione RZ
16 senza FEC
12 NRZ
RZ
con FEC
E-FEC
RAMAN

400 800 3000 Lunghezza [km]



Evoluzione del trasporto ottico

• Il traffico delle reti di trasporto cresce a tassi sostenuti: 3060%
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)



Efficienza spettrale
Spettri di potenza di segnali a 100 Gbit/s

100 Gbit/s PM-QPSK
Max. DC: 8  10 ps/nm
(~0.60.8 km G.652)
Max. PMD: 1 ps
100 Gbit/s QPSK Min. OSNR: 21 dB

100 Gbit/s NRZ

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
Frequenza [GHz]

• 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


Formato QPSK
• Portante cosinusoidale modulata in fase

Im • 4 valori di fase
01 11 • 2 bit/simbolo
p3/4 p/4

cos(wt + f(t))
Re
p5/4 p7/4
11 00 10
00 10

t

p/4 p5/4 p7/4


Rappresentazione dei segnali modulati
► Ogni segnale modulato in ampiezza o fase può essere rappresentato
come:
s(t) = A(t) cos [wct + f(t)]
= A(t) cos f(t) cos wct - A(t) sin f(t) sin wct
► Esprime il segnale come combinazione lineare dei segnali ortogonali
cos(wct) e –sin(wct)
► Le componenti (reali) sono:

I(t)=A(t) cos f(t) Componente in fase
Q(t)=A(t) sin f(t) Componente in quadratura
► I(t) e Q(t) sono la parte reale ed immaginaria dell’INVILUPPO COMPLESSO:

c(t) = I(t) + jQ(t)
s(t) = Re[c(t) ejwct]


Generazione del segnale QPSK 11 10
00
110010

DEMUX s(t)
I(t) 101
Driver
p/4 p5/4 p7/4
s(t)
LASER I(t)
SINTONIZZABILE
p/2

Q(t)
Driver

100 I(t) cos(wct) t

Im Modulatori di fase
01 11 Mach Zehnder
p/4
Q(t)
p3/4

Re
p5/4 p7/4
-Q(t) sin(wct)
00 10



Multiplazione di polarizzazione
110010 DEMUX
Ix(t) 101
Driver

sx(t)
Pol. X p/2

Qx(t)
Driver
Pol. X
LASER
100 Segnale
SINTONIZZABILE
PBS PBC
011 PM-QPSK
Iy(t)
Polarization Driver Pol. Y
Beam Splitter
Pol. Y sy(t)
p/2

Qy(t) Polarization Beam Combiner
Driver

111
011111 DEMUX


Rivelazione coerente del segnale QPSK
Ibrido 90°
~ I(t)
p/2

LASER Segnale
QPSK
~ Q(t)
SINTONIZZABILE

► 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


Rivelazione coerente del segnale DP-QPSK
Ibrido 90°
~ Ix(t)
p/2

Pol. X ~ Qx(t)

LASER Segnale
PBS PBS
SINTONIZZABILE QPSK Ibrido 90°
~ Iy(t)
p/2
Pol. Y

~ Qy(t)



Sistema coerente DP-QPSK a 100 Gbit/s

Trasmettitore Ricevitore
► ~28 GBaud/s (112 Gbit/s) ► Front-end ottico
► Spaziatura 50 GHz ► ADC, DSP, decisione
► Efficienza spettrale 2 (bit/s)/Hz ► 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
Convertitori ADC

DSP CMOS ASIC per ricevitore coerente
(20 milioni di porte logiche, Nortel [1])


Elaborazione digitale dei segnali

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



Digital Signal Processing passo passo (I)

ADC output

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

► Segnale distorto dalla dispersione cromatica e PMD
► Campionamento asincrono
► Rumore di fase


Compensazione della dispersione cromatica
Input Output
X
b0
T
X
T b1

X
T b2

X
b3

• Filtro FIR
• Inversione della risposta della Dal riferimento [1]:
fibra “Performance of Dual-Polarization QPSK for Optical Transport Systems”

• N. di coefficienti proporzionale  D Ll2 
alla dispersione massima N  2 2 
1
compensabile
 2cT 


Digital Signal Processing passo passo (II)

Dispersion compensation output


► 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


Digital Signal Processing passo passo (III)

Symbol Retiming Output


► Corretta temporizzazione
► Il segnale permane distorto dalla PMD, dal rumore di fase e dal mancato
isolamento delle polarizzazioni


Compensazione della PMD

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

• 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


Digital Signal Processing passo passo (IV)

PMD Comp. Output


► I due stati di polarizzazione sono separati e la PMD è compensata
► Le costellazioni “ruotano” a causa della diffferenza di pulsazione wS wLO



Stima della fase della portante

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



Digital Signal Processing passo passo (V)

Phase Recover. Output


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



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

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



Caratteristiche trasmissive a confronto

10G 40G 40G 100G
RZ IMDD DQPSK Coh. DP-BPSK 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
1600 1000 1300 ~1000
(5 ROADM 16 span G.652) [km]
Spectral efficiency
0.2 0.8 0.8 2
(50 GHz grid) [(bit/s)/Hz]
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
Simulazione numerica
della massima distanza
di trasmissione (fibra G.652)

Dal riferimento [6]



Bibliografia sistemi coerenti
[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


Organizzazione funzionale di una rete backbone, ASON:
Automatically Switched Optical Network
Sistema informativo dedicato a:
Piano di
configurazione manuale dei circuiti e delle protezioni,
Gestione Performance Monitoring, gestione degli allarmi …

Piano di Sistema informativo dedicato a:
configurazione automatica dei circuiti e delle protezioni,
Controllo dedicate o condivise (restoration), network discovery, …

Insieme dei sistemi dedicati alle funzioni di
Piano Dati trasferimento dei dati: multiplazione, trasmissione,
commutazione

Sistema DWDM

Cross-
connect



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 Linea
nord
e nodi ROADM

Splitter
WSS
Nodo ROADM
Schema funzionale di un WSS di grado 3

WSS
Linea
est
Splitter

Splitter

WSS
Linea
sud


Struttura di un WSS



Scheda di linea ROADM



Dal DWDM punto-punto alle reti “lambda-switched”

DWDM punto-punto Reti “lambda switched”
(fino al ~2010) (oggi)

Transponders

Optical circuits

ROADM

Nodo di rete Nodo di rete
con terminazioni DWDM Con funzioni “lambda switching “



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

Architettura del
backbone IP
Le reti “client” domestiche
OPB: Optical
Packet Backbone

X COBG
BS
BZ

TS
MI
TO
VE
VR VRPD
AL
TO MI 2MI 1 BO
VE GE
MO
SV RI
ALPC
FI AN
BO
A PG
PI
PI FI N
P PE
G P RM
RM 2 E
RM 1
R BA
M BA
SS NANL
1
TA
TA CA

CZ
CA
PA
PA
CT
► Rete ASON magliata CT

► Anelli SDH a 2.5 Gbit/s • CRS 1 Tera-routers nel core
► Cross-connect SDH e link
► Servizi VC4 strutturati • Interfacce POS a 10 Gbit/s per
DWDM tutti I link
► Affidabilità eccellente (MS-
SPRing) ► Control Plane, routing • Interfacce POS a 40 Gbit/s nel
centralizzato core


Trasporto Sud-Nord del traffico internazionale
Rete Pan-Europea di
Telecom Italia Sparkle

• Il traffico proveniente dal medio e lontano
oriente è convogliato in Sicilia da sistemi
sottomarini
• Deve essere instradato a Milano dove sono MedNautilus
dislocati i POP della rete Pan-Europea di
Telecom Italia Sparkle


Opportunità offerte dalle nuove tecnologie fotoniche
Ultra Long-Haul
DWDM ► Minor numero di rigeneratori
► Risparmio negli investimenti
Multi-degree
ROADM ► “Provisioning” end-to-end
► Protezione e restoration di OCh
Control Plane
GMPLS ► Risparmio nei costi operativi
Evoluto Percorso di
protezione CP
o di restoration
Tunnel ottico
CP Trasparente (OCh) CP CP

CP
CP CP
CP



Struttura del nuovo Backbone fotonico
k a le i d on
• Diametro di rete: 2400-3100 km
(working-protection)
• Massimo numero di hop: 11
• Grado nodale: 25 (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



“Protection and Restoration combined”

Protetto
Restoration (secondi)
In servizio
Protezione (<50ms)
Fuori servizio
Circuito t

Guasto

Guasto

Guasto
Guasto

Rete



Reti fotoniche ad una svolta Uso più efficiente
della banda ottica

Medio termine
ESSIAMBRE et al., Allargamento della
JLT, 2010 Tecnologie fotoniche banda ottica
attuali
“evolute”

2012 ~2020 ~2030
Nuove tecnologie fotoniche
• MIMO su fibre multimodo
Esperimenti Record recenti • Fibre “multicore”
• Modulazione del momento
angolare orbitale dei fotoni
• …

Lungo termine


Reti fotoniche ad alta efficienza e a banda ultra larga
Tecnologie abilitanti
Uso più ► Supercanali ottici

Prossima generazione di reti
efficiente
► Transponder configurabili
della banda
ottica ► Griglia flessibile

fotoniche
Allargamento
della banda ► Amplificazione Raman
ottica


Superchannel

Nyquist DWDM e supercanali

Power Spectrum
• Le portanti ottiche possono essere fittamente
spaziate e trattate come supercanali
Optical
Channel spacing Df
• Nel “Nyquist DWDM” la spaziatura limite è il baud rate Frequency

Paper OTh3A.3, Poggiolini et al., "Ultra- BOSCO et al.,
Long-Haul Transmission of 16x112 Gb/s JLT 2011
Spectrally-Engineered DAC-Generated
Nyquist-WDM PM-16QAM Channels with
1.05x(Symbol-Rate) Frequency Spacing"

► La gittata dei sistemi è limitata 50 G
dall’interferenza non lineare
(FWM-like impairment model) 100 G

► Quanto più la spaziatura è stretta
150 G
tanto più elevata è l’efficienza
G.652 200 G
spettrale, tanto più breve è la G.655

gittata


Transponder configurabili
DAC Optical
• ~32 Gsymbol/s DAC
modulator

DSP
Laser PC

• Formato di modulazione DAC
Optical
modulator
configurabile: DP-BPSK, DP-
DAC

QPSK, DP-8QAM, DP-16QAM Spectral shaping

Power Spectrum
• “Spectral shaping” elettrico:
DSP e DAC nel trasmettitore
• Sintonizzabilità su griglia Baud Rate
Optical
Frequency
flessibile

Hybrid
• Soft Decision FEC: guadagno ADC

90°
ADC
di codifica > 10 dB

DSP
PS Laser
ADC

Hybrid
90°
ADC



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
1518 nm 1620 nm
sistemi EDFA
ESSIAMBRE et al., JLT 2010 Puc et al., ECOC 2005
Per Polarization Spectral Efficiency

► I sistemi con amplificazione Raman si
avvicinano all’efficienza spettrale limite
di Shannon
► Costellazione e codifica ottimizzate
Sir ► Efficienza spettrale di 16 bit/s/Hz con
Chandrasekhara
Raman una gittata di 1000 km (multiplazione di
1930 Nobel Prize
polarizzazione)


ROADM a griglia flessibile
Variable pass bands WSS

Power Spectrum
• WSS a banda variabile

Optical
• Consentono di commutare i Frequency
supercanali come aggregati
Mean power spectral density

Power Spectrum
• Permettono di ottimizzare la spaziatura
delle portanti in funzione della gittata
richiesta per il supercanale Optical
Frequency
Gittata breve
Gittata media Spaziatura stretta
Gittata lunga
Spaziatura larga


Scenari evolutivi delle reti fotoniche
Today’s WSON Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3
(SE limit)
Channel 50 33.3 33.3 33.3
spacing [GHz]
Amplification EDFA EDFA RAMAN RAMAN
Optical 32 32 100 100
Bandwidth [nm]
N. of DWDM 80 120 360 360
channels
Transponders’ 40 100 100 150 100 200 400
bit rate [Gbit/s]
Transponder’s 3000 2000 1800 700 3600 700 <1000
reach [km]
Modulation BPSK QPSK QPSK 8QAM QPSK 16QAM Optimized
format constellation
(dual pol.) and coding


Raman
Df=33 GHz
Analisi di scalabilità di Kaleidon 100/200
Gbit/s

Raman
EDFA Df=33 GHz
Df=33 GHz 400
150 Gbit/s Gbit/s

EDFA
Df=50 GHz
40/100
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


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