VALENTINA BRIZITELECOM ITALIATechnology & Operations - Network Engineering
Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di
TELECOM ITALIA Principali applicazioni ed evoluzioni previste
UNIVERSITA’ LA SAPIENZA, 10 DICEMBRE 2009
Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009
Agenda► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini e le sue
applicazioni
– Le componenti fondamentali– Esempi di progettazione– Le applicazioni nella Rete TI
► L’evoluzione
– Il 100G – Le reti intelligenti “all optical”
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Concetti Chiave
► Sistemi DWDM: principi e componenti fondamentali
► Fibra ottica e caratteristiche relative
► Problematiche trasmissive nelle fibre ottiche e loro soluzione
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Che cosa e’ il WDM?Wavelenght Division Multiplexing
Trasmissione di più segnali ottici multiplati a divisione di lunghezza d’onda (frequenza)
Mu
ltip
lex
er
1
2
3
4D
em
ult
iple
xe
r
Spetto del segnaleottico in ingresso
1
Spetto del segnaleottico in uscita
2
3
4
1 2 3 4
f.o.
f.o.
f.o.
f.o.
, , ,
f.o.
f.o.
f.o.
f.o.
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Schema generale di un sistema DWDM Punto - Punto
Booster
Pre
OLA
OLA
OLA
OLA
Pre
Booster
Apparato Client
Inte
rfac
cia
Sta
ndar
d Interfaccia.
Standard
Interfaccia.
Standard
Interfaccia.
Colorata
Interfaccia.
Colorata
Mu
xD
emu
x
Inte
rfac
cia
Sta
ndar
dIn
terf
acci
a.
Col
orat
aIn
terf
acci
a.
Col
orat
a
Transponder
Mu
x D
emu
x
1
k
k+1
N
1
k
k+1
N
...
...
N lunghezze d’onda (o canali)per il trasporto di N segnali
Apparato Client
Apparato Client
Apparato Client Apparato
Client
Apparato Client
Apparato Client
Apparato Client
Transponder
Transponder Transponder
OSC
OSC OSC
OSC
OLA Optical Line Amplifiers
OSC Optical Supervisory Channel (tipicamente un segnale a 2 Mbit/s)
Pre Pre amplificatore
Booster amplificatore di lancio
OSC
OLT (Optical Line Terminal) OLT (Optical Line Terminal)
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Bande di funzionamento DWDM
1530 1565
Fibra G.653Fibra G.653
Banda C Banda L
[nm]00=1550 nm=1550 nm
Fino a 12 canali a 10 Gbit/snon-equispaziati in frequenza
Fino a 40 canali a 10 Gbit/s (espandibili ad 80) equispaziati in frequenza (100 GHz e 50 GHz)
1530 1610/16251565
Fibra G.652 / G.655Fibra G.652 / G.655
[nm]
Fino a 40 canali (espandibili ad 80) a 10 Gbit/s equispaziati in frequenza (100 GHz e 50 GHz)
Fino a 40 canali (espandibili ad 80) a 10 Gbit/sequispaziati in frequenza (100 GHz e 50 GHz)
Banda C Banda L
1610/1625
Banda L
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Tipi di sorgenti del segnale ottico
LED
Fabry-Perot DFB
Diodi LASER
Sorgenti
► LED (i primi utilizzati per la trasmissione in fibra)
Lenti, spettro relativamente ampio, luce poco focalizzata, ovvero cono di illuminazione ampio elevata perdita di accoppiamento con la fibra (10-20dB in fibre multi-mode e fino a 30 dB in single-mode)
► Laser (successivi ai LED e con prestazioni superiori)►Superano limiti dei LED e sono un fattore abilitante della tecnologia DWDM►Diverse tipologie di laser utilizzate(Fabry-Perot, Distributed Feedback (DFB) lasers, Distributed Bragg Reflector (DBR) laser
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Modulazione On/Off Keying: due livelli di potenza luminosa “On” e “Off” sono associati ai bit “1” e “0”. Implementata in due modalità, NRZ ed RZ
► Non Return to Zero (NRZ): ad ogni “1” corrisponde il valore “On” di potenza luminosa per tutto il tempo di bit
► Return to Zero (RZ): ad ogni “1” corrisponde il valore“On” di potenza luminosa per un periodo limitato del tempo di bit (1/2 o 1/3)
RZ
NRZ
La modulazione del segnale ottico
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Phase Shift Keying (PSK): la variazione sistematica e’ realizzata sulla fase del segnale luminoso e non sull’ampiezza
► Quadrature PSK (QPSK): i valori di fase ammessi (simboli della costellazione) sono 4
A ogni simbolo sono associati due bit► Differential QPSK (DQPSK)
Invece di associare ad ogni coppia di bit una coppia di valori di fase assoluti (es. 11 corrisponde a [+45°, +45°]) si modula la fase in funzione delle variazioni dei bit '00', '01', '11', '10' con 0°, 90°, 180°, -90° (es. da 00 a 01 si varia la fase di 90°)
La modulazione del segnale ottico
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La multiplazione/demultiplazione delle lunghezze d’ondaI multiplatori/demultiplatori ottici sono componenti passivi in grado di multiplare/demultiplare i segnali colorati caratterizzati da diverse lunghezze d’onda
Possono essere realizzati con le seguenti modalità► Filtri di Fabry Perot► Reticoli: di Bragg, in fibra, in schiere di fibra ottica (AWG)► Filtri acusto-ottici► Interferometri Mach-Zehnder
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I ricevitori
Trasformano segnale luminoso in segnale elettrico
Sono dei fotodiodi con funzionamento opposto rispetto ai LED
Sono dispositivi che hanno una finestra di ricezione ampia (lo stesso fotorilevatore e’ in grado di convertire segnali luminosi a diverse lunghezze d’onda)
Esistono diverse categorie► Positive-Intrinsic-Negative (PIN) diode, corrente proporzionale alla potenza luminosa► Avalanche PhotoDiode (APD), extra-guadagno di corrente ma piu’ rumore
PINAlta velocità
Sensibilità Limitata
APDVelocità limitataAlta sensibilità
Fotodiodi
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Ricevitorewideband
Segnale Client in
3R Trasmettitore
conversione
O-E-O
kSegnale Client out
rappresentazione schematica Transponder
nm (15xx) nmIn Out
InOut
Il Transponder
Effettua una traslazione del segnale ottico utente convertendolo in una frequenza compatibile con la griglia di funzionamento del sistema DWDM
Verso il Mux
Dal Demux
I transponder disponibili commercialmente sono “fully tunable”, ovvero i laser possono essere sintonizzati via software su qualsiasi delle 80 lunghezza d’onda disponibili nella griglia di funzionamento.
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Problemi trasmissivi nelle fibre otticheEFFETTI LINEARI Attenuazione della fibra, dovuta alla struttura del materiale e alle impurità di produzione Dispersione Cromatica (CD): dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda Dispersione di polarizzazione (PMD): birifrangenza dovuta alla dipendenza dallo stato di polarizzazione del segnale Rumore introdotto dagli amplificatori ottici per emissione spontanea (ASE)
EFFETTI NON LINEARI:Fenomeni di diffusione (scattering): SBS retrodiffusione stimolata di Brilluoin: una parte del segnale trasmesso viene persa perché retroddiffusa SBR diffusione stimolata di Raman: una parte della Potenza del segnale relativo ad una λ passa ad una λ superiore
Fenomeni dovuti all’effetto Keer (indice di rifrazione dipendente dalla potenza ottica del segnale) SPM auto modulazione di fase: allargamento dello spettro XPM modulazione di fase incrociata: la variazione temporale della potenza di un canale induce una modulazione di fase su i canali adiacenti FWM miscelazione a 4 onde; l’Interazione tra tre segnali trasmessi ne genera un quarto
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Diagramma a occhio
E’ il diagramma utile per visualizzare il degrado dei segnali trasportati su fibra
Soglia di decisione per gli 1
Soglia di decisione per gli 0Zona grigia
NRZ
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Attenuazione
Riduzione del livello di potenza ottica all’aumentare della distanza (lineare)
E’ funzione della lunghezza d’onda (non tutte le lambda sono attenuate dello stesso fattore) e dovuta alla struttura molecolare della fibra, giunzioni e connettori
≈
lontano0 km
Potenza ottica
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Compensazione dell’attenuazione: gli amplificatoriPer compensare gli effetti dell’attenuazione ed estendere la portata del segnale luminoso occorre amplificare il segnale dopo un certo numero di km con un Optical Line Amplifier (OLA)
OA
Potenza ottica
Prima dellaamplificazione
Dopo laamplificazione
Gli amplificatori ottici si basano sul principio dell’emissione stimolata:
► Amplificatori laser a semiconduttore (SOA)► Amplificatori a fibra drogata con terre rare (in genere erbio) (EDFA)
Da considerare come “side effect”:► l’ASE che amplificato si somma al segnale utile e degrada il rapporto segnale rumore ottico OSNR in uscita► l’insorgenza di effetti ottici non lineari nella fibra ottica► l’accumulo degli effetti dispersivi (CD e PMD)
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Compensazione dell’attenuazione: gli amplificatori
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Gli amplificatori Raman
Vengono utilizzati per compensare valori di attenuazione molto elevati, tipicamente su tratte molto lunghe (link sottomarini)
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Allargamento nel tempo del segnale ottico all’aumentare della distanza (lineare) e del bit rate (quadratica)
La deformazione introduce errori nella decodifica del segnale
La Dispersione Cromatica (CD)
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Compensazione della Dispersione Cromatica (CD)Esistono due modalità di compensazione della CD► Pre-distorzione del segnale nel tempo per compensare effetti
► Dispersion Compensating Module (DCM o DCF): introducono una compensazione opposta alla dispersione presentata dalla fibra
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La Dispersione Modale (PMD)Allargamento del segnale ottico nel tempo all’aumentare della distanza (sqrt); è dovuta alla differente velocità di gruppo sugli assi del Core (processo di produzione, posa della fibra, stress esterni)
nx
nyEx
Ey
Impulso che entra nella fibra
Ex
Ey
Impulso che entra nella fibra
Ey
Impulso che entra nella fibra Impulso si allarga in uscita dalla fibraImpulso si allarga in uscita dalla fibra
y Direzione di propagazione z
La PMD è rilevante solo per segnali con bit rate superiore a 10Gb/s in quanto a questa velocità la durata del ritardo è uguale a quella del singolo bit 100ps
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Rigenerazione del segnale ottico
Segnale trasmesso
Segnale ricevuto
1R = Reamplifing
2R = Reamplifing + Reshaping
3R = Reamplifing + Reshapig + Retiming
Per realizzare collegamenti DWDM su distanze per le quali i fenomeni descritti nelle slide precedenti hanno effetti tali da non consentire la fattibilità del collegamento ottico si possono inserire dei punti di “Rigenerazione 3R”, costituiti da due transponder posizionati back-to-back”
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Classificazione delle fibre
Step-Index Graded-IndexReti Locali
Multimodali
G.651
StandardG.652
Ottima per DWDM
Dispersion Shifted
G.653Ottima per SDH
Non-Zero-Dispersion
G.655
Ottima per DWDM
Monomodali
Fibre otticheG.650
Nella Rete di Trasporto di Telecom Italia sono presenti:
Fibra G.655 su lunga distanza (di posa recente)
Fibra G.653 su lunga distanza (di posa meno recente – ormai poco utilizzata)
Fibra G.652 su rete regionale e metropolitana
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dB/km
1310 nm
II
1550 nm
III
Caratteristiche principali delle fibre
0.35
0.20
Gu
ad
agn
o d
eg
li E
DF
A
G.653
G.652
0
17
ps/nm km
D()
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1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565
Lunghezza d’onda (nm)
6
5
4
3
2
1
0
7
8
6
5
4
3
2
1
0
7
8
E-LEAF
TrueWave
TrueWave RS
TeraLight
SMDS
Dis
per
sio
ne
cro
mat
ica
(ps/
nm
km
)
Dis
per
sio
ne
cro
mat
ica
(p
s/n
m k
m)
Fibre G.655Caratteristiche principali delle fibre NZD
Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009
Agenda► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini e le sue applicazioni
– Le componenti fondamentali– Esempi di progettazione– Le applicazioni nella Rete TI
► L’evoluzione
– Il 100G – le reti intelligenti “all optical”
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Progettazione di un link DWDMLink Roma – Milano, con 2 OADM intermedi
Fibra G.652/G.655, lunghezza totale
Capacità: 80 lambda @ 10 Gbit/s (spaziatura 50 GHz)
Parametri di progetto:
Attenuazione = 0,24 dB/km
Dispersione Cromatica = 18 ps/km (652)
Dispersione Cromatica = 4,2 ps/km (655)
Coefficiente di PMD = 0,1 ps/SQRT(km)
0,5 dB di perdita per connettori
1 dB di perdita per ogni transito
5 dB di Margine EOL (End of Life)
PC
FI
MIM
RMI
BO
NEW
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BMDX
Line Terminal
Topologia link e attenuazioni BoL (Begin of Life)
Milano
89Km
24 dB
LOFA1110
75
LOFA1120
XX DCM per G-655
25
CMDX
CMDX
E
24,5 dB
91,5 Km
B7B8B6 1
XX DCM per G-652
x Transiti
ILA
LOFA1120
LOFA1110
50
75
W E
Piacenza
EW OADM
LOFA1120
LOFA1110
10LOFA1110
75
LOFA1120
75
CMDXC
MDX
BMDX
BMDX
B8 B8
1CMDX
LOFA11x 0 LOFA + EPM
75
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9,7dB
36 km
20,1dB
73,5 Km
17,9dB
70,6 Km
ILA
LOFA1110
LOFA1110
25
50
W E
ILA
LOFA1110
LOFA1110
50
10
W E
XX DCM per G-655
XX DCM per G-652
x Transiti
Firenze
EW OADM
LOFA1110
LOFA1110
50LOFA1110
75
LOFA1120
75
CMDXC
MDX
BMDX
BMDX
B8 B8
1
LOFA11x 0 LOFA + EPM
75
Topologia link e attenuazioni BoL (Begin of Life)
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Line Terminal
BMDX
70,9 Km
12,5dB
75
LOFA1110
18dB
47,8 Km
Roma
LOFA1110
25
25,4 dB
95,4 Km
ILA
LOFA1120
LOFA1110
75
25
CMDX
CMDX B7
B8
B6
W E W
ILA
LOFA1110
LOFA1110
50
50
W E
XX DCM per G-655
XX DCM per G-652
x Transiti
1
ILA
LOFA1110
LOFA1110
50
50
W E
64,3Km
16.4dB
ILA
LOFA1110
LOFA1110
50
10
W E
34,7Km
9,3dBCMDX
LOFA11x 0 LOFA + EPM
Topologia link e attenuazioni BoL (Begin of Life)
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 31
Layout OLT
TRUTRU
Main ShelfMain Shelf
DCMDCM
c
PS
UP
FANS
ES
CTL1000
RA
IU
PS
UP
CM
DX
1010 B
8 8
Slave Shelf #1Slave Shelf #1
XX1 2
LOFA11x0
LOFA11x0
2 1XX
line
c
PS
UP
FANS
ES
CTL1000
BM
DX
1000
RA
IU
PS
UP
CM
DX
1010 B
8
OS
CU
1010
ALC
T1000 B
5
LO
FA
11xx x
x\9
LO
FA
11xx x
x\9
TR
BD
1121
TR
BD
1121
CM
DX
1010 B
7
Rack 1
TR
BD
1121
TR
BD
1121Reserv
ed
EP
M
CM
DX
1010 B
8 6
TR
BD
1121
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 32
Layout OADM
DCU1 2
LOFA
LOFA
1
DCU1 2
LOFA
LOFA
2 DCU
Line east
Line west
TRUTRU
Main ShelfMain Shelf
DCMDCM
DCMDCM
Slave Shelf # 1
Slave Shelf # 1
2 DCU
Rack 1
c
PS
UP
FANS
ES
CTL1000
RA
IU
PS
UP
CM
DX
1010 B
8
CM
DX
1010 B
8
LO
FA
11xx x
x\9
c
PS
UP
FANS
ES
CTL1000
BM
DX
1000
RA
IU
PS
UP
ALC
T1000 B
5
LO
FA
11xx x
x\9
BM
DX
1000
OS
CU
1010
LO
FA
11xx x
x\9
LO
FA
11xx x
x\9
ALC
T1000 B
5
Reserv
ed
EP
M
Reserv
ed
EP
M
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 33c
Layout ILA
PS
UP
FANS
XX1 2
LOFA11x0
LOFA11x0
2 1XXES
CTL1000
RA
IU
PS
UP
OS
CU
1010
LO
FA
11xx x
x\9
LO
FA
11xx x
x\9
Line east
Line west
TRUTRU
Main ShelfMain Shelf
DCMDCM
Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009
Agenda► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue
origini e le sue applicazioni– Le componenti fondamentali– Esempi di progettazione– Le applicazioni nella Rete TI
► L’evoluzione– Il 100G – le reti intelligenti “all optical”
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 35
La rete di trasporto nazionale di TI
La “rete” DWDM:
► Sistemi DWDM punto-punto non protetti
► Nessuna funzionalità di commutazione delle lambda: la protezione del traffico è demandata agli strati superiori di rete (SDH, ATM, IP).
► Supporto di interfacce: GbE, SDH 2,5-10 Gbit/s e 10 GbE
► Fibre G.652, G.653 e G.655
► Strato trasmissivo supporto di reti diverse: SDH (Arianna and Phoenix), IP (OPB) e servizi Lambda per Clienti Wholesale e Clienti Retail
OPBOptical Packet
Backbone
OPBOptical Packet
BackbonePhoenixPhoenix
Sistemi punto-punto DWDM
AriannaArianna
Un pò di storia…
Dal 1999: sistemi DWDM con canali a 2.5G
► 12 canali su G.653
► 16 canali su G.652
► Ancora attivi
Dal 2001: sistemi DWDM con canali a 10G e laser tunabili
► 40 canali in L-band su fibre G.653
► 40 canali in C-band su fibre G.652/G.655
► Ancora attivi
Dal 2006: nuova generazione di sistemi DWDM ULH con canali a 10G
► Riduzione del numero di 3R
► Fino a 80 canali su fibre G.652/G.655
► Uso di F-OADM
► Lunghezza max senza 3R: 1.126 km
Un pò di storia…
Dal 1999: sistemi DWDM con canali a 2.5G
► 12 canali su G.653
► 16 canali su G.652
► Ancora attivi
Dal 2001: sistemi DWDM con canali a 10G e laser tunabili
► 40 canali in L-band su fibre G.653
► 40 canali in C-band su fibre G.652/G.655
► Ancora attivi
Dal 2006: nuova generazione di sistemi DWDM ULH con canali a 10G
► Riduzione del numero di 3R
► Fino a 80 canali su fibre G.652/G.655
► Uso di F-OADM
► Lunghezza max senza 3R: 1.126 km
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 36
I sistemi DWDM Nazionali
Distribuzione delle lunghezze dei sistemi DWDM nazionali (senza rigenerazione)
Length [km]
Freq
uenc
y [%
]
0%
5%
10%
15%
20%
25%
100 km 150 km 200 km 250 km 300 km 400 km 500 km 700 km 900 km 1200 km
171 sistemi punto – punto in esercizio
39.500 km lambda equivalenti
Lunghezza media sistemi: 230 km
Lunghezza massima sistemi senza rigenerazione: 1.126 km
Tecnologie attualmente impiegate: Alcatel-Lucent ed Ericsson
Segnali Client supportati trasparentemente: GBE, 10 GBE, STM-16, STM-64
171 sistemi punto – punto in esercizio
39.500 km lambda equivalenti
Lunghezza media sistemi: 230 km
Lunghezza massima sistemi senza rigenerazione: 1.126 km
Tecnologie attualmente impiegate: Alcatel-Lucent ed Ericsson
Segnali Client supportati trasparentemente: GBE, 10 GBE, STM-16, STM-64
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 37
Le reti “client” nazionali
M I
PD
TSBS
BO
TO
GE
FI
PA
RM
NA
BA
SV
AL
BGCO
VRVE
BZ
MORI
PI
ANPG
PE
CA
TA
CZ
CT
NL
M I
PD
TSBS
BO
TO
GE
FI
PA
RM
NA
BA
SV
AL
BGCO
VRVE
BZ
MORI
PI
ANPG
PE
CA
TA
CZ
CT
NL
► Tera-router nei POP
► Interfacce POS (Packet over Sonet) a 10 Gbit/s su DWDM
► Dal 2010 Interfacce POS a 40 Gbit/s su DWDM
► Rete ASON magliata
► Cross-connect SDH e link DWDM
► Control Plane
TO
AL
VR
VE
RM 2RM 1
MI 1MI 2
RM 2
CT
PA
RM 1
NA
RM 1RM 2
VR
VEMI 1MI 2
BO
PC
RM 1RM 2
SS
CA
SSBA
TANA
BO
PI FI
PC
RM 1RM 2
PE
AN
PG
RM 1
XX
► Anelli SDH a 2.5 Gbit/s
► Affidabilità eccellente
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 38
Come si protegge il traffico in una rete?
Nel mondo del trasporto esistono due modi per proteggere il traffico:
► Mediante meccanismi di protezione automatica
► Mediante meccanismi di restoration
I meccanismi di protezione automatica prevedono che le strade alternative siano dedicate al traffico da proteggere, mentre i meccanismi di restoration prevedono che le strade alternative possano essere condivise tra più flussi di traffico (a patto che siano rispettate certe specifiche condizioni) e possano essere modificate in tempo reale ed automaticamente dal piano di controllo in funzione delle condizioni della rete
Tipicamente la protezione automatica costa di più ma è più veloce rispetto alla restoration (la protezione ripristina il traffico in meno di 50 ms, la restoration lo ripristina in tempi che vanno dal secondo a qualche minuto)
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 39
Risorse di protezione dedicate o condivise
Nella protezione dedicata si configura un circuito di protezione su percorso disgiunto completamente dedicato ad un singolo circuito “working”
Quando la rete è magliata, si può decidere di condividere le risorse di protezione, cioè allocare una singola risorsa per la protezione di più circuiti
Si parla allora di circuiti protetti con “Restoration” che può essere di 2 tipi:
► Prepianificata: il circuito di protezione è condiviso ma è calcolato in anticipo;
► “On the fly”: il circuito di protezione è calcolato in tempo reale al momento del guasto
A
CB
DE
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 40
La restoration: più strade e più intelligenza
Circuito C-I
Circuito A-G
Risorse di protezione
Funzione di duplicazione
Funzione di selezione
Dopo il guasto le risorse pre-pianificate per il percorso di protezione del circuito C-I vengono immediatamente ricalcolate (mentre il circuito C-I non sta perdendo traffico) e dopo qualche decina di secondi la protezione di C-I e’ nuovamente pronta a intervenire in tempi dell’ordine delle centinaia di millisecondi
Per poter condividere la stessa risorsa trasmissiva tra più circuiti ho bisogno di una maggiore intelligenza e di aumentare il numero di vie uscenti da ciascun nodo
A
D
G I
F
CB
E
H
A
D
G I
F
CB
E
H
A
D
G I
F
CB
E
H
A
D
G I
F
CB
E
H
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 41
Come è fatta una Rete di Trasporto Intelligente (ASON) E’ una rete di trasporto con architettura a maglia basata su nodi ad alta capacità equipaggiati con controllori in grado di gestire i protocolli di routing e segnalazione (Control Plane) necessari per implementare i meccanismi di Restoration. Parte dell’intelligenza della rete (Control Plane) è quindi distribuita negli apparati stessi.
Nell’applicazione TI il piano di controllo è semi-distribuito; il routing è centralizzato (ASTN-Manager) mentre la segnalazione è distribuita. I protocolli utilizzati sono quelli tipici delle reti IP MPLS (OSPF-TE, RSVP-TE) adattati ai contesti trasmissivi
CONTROLLER
CONTROLLER
CONTROLLER
CONTROLLERPorte clientda 155 Mbit/sa 10 Gbit/s
Routing esegnalazione
Collegamento DWDM40x10 Gbit/s
Porte clientda 155 Mbit/sa 10 Gbit/s
Centralizedrouting
Distributedsignalling
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 42
► Nel caso specifico della rete Phoenix in nodi (cross connect ottici, ODXC) sono equipaggiati con matrici elettriche (SDH), interfacce Client sia ottiche sia elettriche e sono interconnessi tra di loro mediante sistemi DWDM
► Gli ODXC hanno alta capacità di switching (80 - 960 Gbit/s)
► Trasporta flussi Client da 155 Mbit/s a 10 Gbit/s
► Le performance degli schemi di Restoration applicati sono
► Restoration pre planned (80-250 ms)
► Restoration on the fly (40-50 s)
La Rete ASON di TI: caratteristiche generali
STM-16 STM-16
STM-64 STM-64
MSH2kMSHES
DWDM PLx40DWDM MHL3000
DWDM 1640WMDWDM 1626LM
Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009
Agenda► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue
origini e le sue applicazioni– Le componenti fondamentali– Esempi di progettazione– Le applicazioni nella Rete TI
► L’evoluzione– Il 100G – le reti intelligenti “all optical”
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 44
L’evoluzione
Le due linee di evoluzione principale attualmente in essere riguardano:
► La velocità di linea: sono oggi commercialmente disponibili i transponder a 40Gbit/s ed i sistemi DWDM di ultima generazione sono in grado di trasportare sino ad 80 canali @ 40Gbit/s. Esistono i primi field trial per trasmissione a 100Git/s
► La flessibilità della rete, tramite l’introduzione dei cosiddetti nodi ROADM Multidegree che consentono di realizzare reti a Fotoniche a maglia (superando il concetto dei link punto-punto) e di introdurre meccanismi di “intelligenza” (Piani di controllo, come ad oggi utilizzati nelle reti IP) che consentono di implementare meccanismi di protezione e restoration anche nello strato fotonico
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 45
Il 40Gbit/s
► La trasmissione a 40G è tecnicamente matura e commercialmente disponibile presso i maggiori Vendor mondiali.
► Il Costo commerciale è però ancora tale da non giustificarne l’inserimento in rete al posto del 10G (rule of thumb:
Costo40/Costo10≤2,5~3)
► Al momento sono ancora poche le esigenze di Clienti per segnali nativi a 40G – le prime applicazioni previste sono per l’interconnessione dei router IP
1990 20102000
10Mb/s
10Gb/s
1Gb/s
100Mb/s
100Gb/s
anno
Bit
rate
di c
iasc
unca
nale
155Mbps
40Gbps
2.5Gbps
10Gbps
622Mbps
EDFA, DWDM, FEC, formati di modulazione, equalizzazione...Innovazionetecnologica
100Gbps
1990 20102000
10Mb/s
10Gb/s
1Gb/s
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100Gb/s
anno
Bit
rate
di c
iasc
unca
nale
155Mbps
40Gbps
2.5Gbps
10Gbps
622Mbps
EDFA, DWDM, FEC, formati di modulazione, equalizzazione...Innovazionetecnologica
EDFA, DWDM, FEC, formati di modulazione, equalizzazione...Innovazionetecnologica
100Gbps
Cap
acit
à(T
b/s
)
Lunghezza Link (x1000 km)
ULH sottomarinoULH terrestre
Record mondiali di trasmissione
su DWDM
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
World record25 Terabit/s
2007
Ultra-highcapacity
80x107G (2007)
164x111G (2008)
81x40G
25
20
15
10
5
0
Cap
acit
à(T
b/s
)
Lunghezza Link (x1000 km)
ULH sottomarinoULH terrestre
Record mondiali di trasmissione
su DWDM
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
World record25 Terabit/s
2007
Ultra-highcapacity
80x107G (2007)
164x111G (2008)
81x40G
25
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Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 46
Opportunità per i sistemi a 100 Gbit/s nel nuovo backbone
► Requisiti del mercato:
► Ulteriore crescita del traffico sul backbone
► Disponibilità della tecnologia trasmissiva a costi competitivi
► Requisiti di compatibilità:
► Compatibilità con griglia a 50 GHz
► Distanza di rigenerazione di almeno 800 km (senza amplificazione RAMAN)
► Tolleranza al filtraggio cumulativo (almeno 9 ROADM in cascata)
► Coesistenza con canali a 10 e 40 Gbit/s con diversi formati di modulazione
► Protezione 1+1 entro 50 ms (inclusi i tempi di training di eventuali compensatori adattativi)
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 47
Caratteristiche della trasmissione ad altissima capacità
FORMATI DI MODULAZIONE
2 LIVELLI
(1 BIT/SIMBOLO)
• NRZ
• RZ
• DPSK
MULTI-LIVELLO
(2 BIT/SIMBOLO)
• DQPSK
• QPSK
• QAM
MULTIPLAZIONE DI POLARIZZAZIONE
2 CANALI SU POLARIZZAZIONI
ORTOGONALI
RIVELAZIONE DIRETTA O COERENTE
RIVELAZIONE DIRETTA
• SI PERDE LA FASE OTTICA DEL SEGNALE
• NESSUNA EQUALIZZ. ELETTRONICA
RIVELAZIONE COERENTE
• MIGLIORA SENSITIVITY E OSNR
• ABILITA EQUALIZZ. ELETTRONICA DI CANALE (EDC)
• RX PIÚ ROBUSTO A CD E PMD
NESSUNA MULTIPLAZIONE DI POLARIZZAZIONE
DECISIONE A DSP O CONVENZIONALE
DECISIONE A DSP
• ELABORAZIONE DSP DI I e Q
• POSSIBILE DEMULT. DI POL
DECISIONE CONVENZIONALE
• CAMPIONAMENTO AL CENTRO DELL’OCCHIO
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 48
Formati di modulazione per il 40G: PolMul - DQPSK
Compatibile con spaziatura 50GHz
Post-processing del segnale non complesso
DQPSK-Modulators
datamodulation
lightsource
CWlaser
balanceddetectors
data demodulation
Q2
polarizationdemultiplexing
opto-electronicconversion
fiber link
transmission
Q1
I1
Q2
Q1
I2
delay lineinterferometers
I2
I1
polarization controller
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 49
Ottime prestazioni per sistemi ULH
Compensazione elettronica di CD e di PMD
Post processing coerente più complesso
QPSK-Modulators
datamodulation
optical hybrids
lightsource
CWlaser
balanceddetectors
opto-electr.conversion
I1
Q2
optical mixing
ADCsdigital signal processing
equalization &demodulation
local laser
analogue/digitalconversion
fiber link
transmission
Q1
I2
I1
Q2
Q1
I2
Formati di modulazione per il 40G: PolMul - Coherent QPSK
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 50
NRZ duobinary
RZ-DQPSK
PolMux-RZ-DQPSK
PolMux-NRZ-QPSK (coh.)
NRZ-DPSK
RZ-DPSK
PolMux-NRZ-DPSKPolMux-RZ-DPSK
0
2
4
6
8
10
12
14 16 18 20 22 24
OSNR(dB) @ BER 1e-4
DG
D t
ole
ran
ce
(p
s) Red: 4 bits/symbol
Blue: 2 bits/symbol
Magenta: 1 bit/ symbol
* DGD tolerance for coherent RX depends on implementation
Formati di modulazione per il 100G
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 51
I vantaggi del coerente
► Eccellente tolleranza alla PMD (30ps o oltre) senza bisogno di compensatori ottici esterni.
► Ottimizzazione della dispersione cromatica residua, senza bisogno di dispositivi ottici addizionali.
► Aggiustamento ultra-veloce (<50 mSec) della dispersione cromatica residua dopo reinstradamento, a differenza dei dispositivi di compensazione ottici tradizionali.
► Distanze di trasmissione non rigenerate superiori ai formati di modulazione non coerenti; i formati di modulazione (proprietari di alcuni vendor) si differenziano da quelli di prima generazione già proposti per una maggiore tolleranza agli effetti non lineari multicanale.
►Tutti i principali Vendor puntano sulla tecnologia coerente per la trasmissione del 100G; per la trasmissione del 40Gbit/s invece le scelte sono differenti.
Valentina Brizi UNIVERSITA’ LA SAPIENZA – 10 DICEMBRE 2009
Agenda► Lo scenario tecnologico: il WDM, le sue origini
e le sue applicazioni– Le componenti fondamentali– Le applicazioni nella Rete TI– Esempi di progettazione
► L’evoluzione– Il 100G – le reti intelligenti “all optical”
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 53
Le reti intelligenti “all optical”
L’elemento chiave è costituito dai nodi Multidegree ROADM, ovvero nodi in grado di relizzare lo switch ed il rerouting di canali ottici tramite comandi da remoto.
L’introduzione in rete dei nodi ROADM comporta per un Operatore i seguenti vantaggi:
► Riduzione delle rigenerazioni 3R (e quindi riduzione degli investimenti)
► Configurazione da remoto senza interventi in campo (e quindi riduzione e dei costi operativi
L’implementazione tecnologica più diffusa avviene tramite la tecnologia dei WSS (Wavelength Selective Switch):
► Soluzione scalabile perchè modulare: matrici fotoniche distribuite
► “Power Leveling” per il miglioramento delle performance chilometriche
► Utilizzabile per un’implementazione “semplice” della restoration fotonica con conseguente incremento di:
►efficienza, tramite la condivisione delle risorse►affidabilità, grazie alla possibilità di garantire la sopravvivenza
del traffico per guasti multipli►flessibilità, dovuta al fatto che il percorso di un circuito è
calcolato automaticamente ma può essere modificato
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 54
La Restoration Fotonica► Il Piano di Controllo delle reti fotoniche (dette anche trasparenti) è
sviluppato a partire dal Piano di Controllo delle reti ASON più tradizionali (dette anche opache; tipicamente SDH) con l’aggiunta delle funzioni IA-RWA (Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment)
► Il piano di controllo deve conoscere lo stato fisico della rete (tipo e lunghezza delle fibre, PMD, amplificatori, WSS attraversati) e calcolare le vie otticamente fattibili per ogni circuito e per la sue vie di protezione
► In caso di guasto deve inoltre provvedere a evitare conflitti nell’assegnazione delle risorse
► Il tempo di Restoration ottica è ancora limitato da
► Meccanismi di adattamento al carico degli amplificatori ottici
► Equalizzazione della potenza dei singoli canali ottici
► Tempo di intervento dei meccanismi di compensazione della dispersione cromatica (specialmente se ottici)
► Questa tecnologia non è stata ancora collaudata estensivamente in campo
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 55
Evoluzione delle tecnologie per ROADM
Wave Blocker
PLC
Two degree ROADM Two degree ROADM
2D MEMS Mirror Array
T-ROADM
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 56
La tecnologia Wavelength Blocker (WB)
Drop Signal Output
1 2 3 4
DEMUX
BABAIN OUT
DROP
Splitter
DE
MU
X MU
X
Add Signal Input
ADD
C2C2DWCDWCC1C1PAPA
MUX
Broadcast and Select Architecture
Splitter
1 2 3 4
TransmittersReceivers
Add/Drop
Pass Through
•Gestione di due vie•Controllo della potenza individuale della lambda
•Gestione di due vie•Controllo della potenza individuale della lambda
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 57
La Tecnologia Planar Lightwave Circuit (PLC)
• Gestione di due vie• Controllo della potenza individuale della lambda
• Gestione di due vie• Controllo della potenza individuale della lambda
ROADM
MUX
DM
UX
40
40
DMUX
PL
C
Add
Drop
Express In
Express out In
Out
PL
C
40
DMUX
40
1×2
1×2
1×2
1×2
In Out
Add
1x2 Switch
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 58
La tecnologia Wavelength Selective Switches (WSS)
• Gestione del Multiporta (N>2)• Equalizzazione Ottica• Rerouting di ogni singola lambda verso
qualsiasi delle N direzioni: architettura“directionless”
• Add/drop “colorless” • Implementazione con MEMs o LC (Cristalli
Liquidi)
WSS ROADM
Module
► Per l’add/drop colorless nuove architetture dotate di migliore scalabilità sono già state proposte tramite l’impiego di nuovi componenti ottici (ad es. matrici a MEMS)
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 59
Struttura di un nodo ROADM Multidegree a 3 vie
N
-
W EWSSPB P
B
PB
WSS
DEMUXMUX
WSS
WSS
T
Linea EstLinea Ovest
Linea Nord
Add Drop locale
Collegamenti verso altri ROADM
Transpondersintonizzabile
Ciascun WSS, mediante opportuni splitterottici, invia in Broadcast il segnale WDM verso tutte le direzioni. Il sistema di controllo dei singoli WSS collegato al piano di controllo della rete decide quale colore far passare e quale bloccare. In linea di principio è possibile replicare lo stesso segnale su tutte le uscite.
N
-
W EWSSPB P
B
PB
WSS
DEMUXMUX
WSS
WSS
T
Linea EstLinea Ovest
Linea Nord
Add Drop locale
Collegamenti verso altri ROADM
Transpondersintonizzabile
Ciascun WSS, mediante opportuni splitterottici, invia in Broadcast il segnale WDM verso tutte le direzioni. Il sistema di controllo dei singoli WSS collegato al piano di controllo della rete decide quale colore far passare e quale bloccare. In linea di principio è possibile replicare lo stesso segnale su tutte le uscite.
Grating: effettua la scomposizione in componenti spettrali (canali)
Array di MEMS: riflette ciascuna componente spettrale verso una fibra diversa
Lente per la collimazione
Canale BluCanale RossoPorta di ingresso multicanalePorta di uscita multicanale
Grating: effettua la scomposizione in componenti spettrali (canali)
Array di MEMS: riflette ciascuna componente spettrale verso una fibra diversa
Lente per la collimazione
Canale BluCanale RossoPorta di ingresso multicanalePorta di uscita multicanale
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 60
Architettura “Directionless”
Monitor
WS
S u
nit
WS
S u
nit
WSS unit
WSS unit
DSA DSA
DS
A
Monitor
Monitor
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 61
Monitor
WS
S u
nit
WS
S u
nit
WSS unit
WSS unit
DSA DSA
DS
A
Monitor
Monitor
Colourless ADU
Architettura “Directionless” e “Colorless”
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 62
Scalabilità di un nodo ROADMstep 1: Terminale con WSS 1 via
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 63
Scalabilità di un nodo ROADMstep 2: Roadm con WSS su 2 vie
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 64
Scalabilità di un nodo ROADMstep 3: Roadm con WSS su 3 vie
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 65
Scalabilità di un nodo ROADMstep finale: Roadm con WSS su N vie
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 66
Gestione e supervisione di un nodo ROADM
Il nodo multidegree ROADM è gestito e configurato dal sistema di gestione come un unico Network Element per quanto riguarda:
Eventi di guasto Gestione degli allarmi Upgrade dei servizi
Single network element
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 67
NetworkManager
Scambio dati con il sistema di Gestione
SignalingRouting
Traffico
PROTOCOLLI SNMP, CLI
Tool di Pianificazione/ProgettazionePiano di Controllo
WSON/GMPLS Piano di ControlloWSON/GMPLS
La catena gestionale di una rete con ROADM
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 68
L’evoluzione della Rete TI a fronte delle opportunità offerte dalle nuove tecnologie fotoniche
Tunnel otticoTrasparente (OCh) CP CP
CP
CP
CP
CP CPCP
Ultra Long-HaulDWDM
Multi-degreeROADM
► Minor numero di rigeneratori
► Risparmio negli investimenti
Control PlaneGMPLSEvoluto
► “Provisioning” end-to-end
► Protezione e restoration di lambda
► Risparmio nei costi operativiPercorso di protezione
o di restoration
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 69
Il nuovo Backbone Fotonico TI: architettura e tecnologia
Nodo ROADMNodo ROADM solo transito
G 655
G 653
G 652
►Architettura “target”: 40 nodi ROADM Multidegree in tecnologia WSS► 63 sistemi DWDM ULH con 80 lambda@ 40 Gbit/s
► Pronta per il 100G
► Diametro di rete: 2400-3100 km (working-protection)
► Optical Protection e Restoration con Control Plane
► Sviluppo dal 2010
PG
PI FI
ALTO/L
BZ
PD
VR/S.M.
PC
VE TO
MI M.
TS
UD
MI B.
RM I.
RM S.
RIM.
AN M.
GE L.
SV
TN
PES.
BOP
1
232
3
4
5
6
7
8 910
11
12
1314
15
16
17
1819
20 21
22
24
25
26 27
28
2930
31
32
34
35
36
MO
37PR38
CIV.39
CA
BA
CT/A
PA/R
LAM/A
NA T.
NOLA
CZ
TA
Mazara
55
57
56
54
47
53
50
49
41
46
42
40
4543
48
52
51
POM44
SS
TORT
GA
59
60
6162
58
33
63
ROADM
Evoluzione architettura dei nodi
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 70
Qualche cenno sulla fotonica integrata: un’opportunità tecnologica
► Il termine ottica integrata compare per la prima volta nel 1969 in un articolo apparso su The Bell System Journal: “Integrated Optics: an introduction”; 40 anni dopo il piu’ sofisticato circuiti ottico integrato (PIC, Photonic Integrated Circuit) contiene meno di 100 elementi… ma offre applicazioni interessanti
► Oggi esistono PIC che integrano la funzione di multiplazione, demultiplazione, trasmissione e ricezione multicanale a 10 Gbit/s (e a breve anche a 40 Gbit/s e a 100 Gbit/s)
► L’integrazione garantisce la riduzione del costo della rigenerazione 3R: si passa da reti “trasparenti” a reti “opache”
► Oltre all’indubbio vantaggio di ridurre il costo della rigenerazione e di facilitare quindi la realizzazione di reti fotoniche complesse evitando di dover realizzare collegamenti molto lunghi non rigenerati, l’introduzione della fotonica integrata rende disponibili punti di accesso al segnale in transito per la verifica della qualità digitale (e non solo della potenza del segnale ottico come succede nelle reti “trasparenti”) o per la realizzazione di funzioni più sofisticate
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 71
Qualche cenno sulla fotonica integrata: un’opportunità tecnologica
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 72
Conclusioni
Nell’ultimo decennio le architetture, le tecnologie e le funzionalità della rete trasmissiva di Telecom Italia sono significativamente cambiate, a seguito dei nuovi driver emersi (requisiti dei nuovi servizi e crescita del traffico) e dell’evoluzione delle tecnologie impiegate, in particolare di quelle Fotoniche
Tale processo evolutivo è stato ed è tuttora governato dai seguenti fattori:
• Utilizzare efficientemente le risorse di rete ottimizzando gli investimenti• Rendere automatiche alcune funzionalità di rete riducendo i costi operativi• Realizzare maggiori capacità a minor costo
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 73
Letture interessanti
OFC 2005 - Tutorial on “Current Trends in Optical MEMS”, University of California Berkley ECOC 2009 - Tutorial on “High-Speed PIC Transceivers for Terabit Transport Networks”, Alcatel-Lucent ECOC 2009 – Tutorial on “Coherent receivers: Principles and Real-time implementation”, Alcatel-Lucent White paper on “The Road to 100G Networking”, Ciena, 2008 ECOC 2008 - Tutorial on “Coherent transmission systems”, University of Tokyo ECOC 2009 – White Paper on “POLMUX-QPSK modulation and coherent detection: the challenge of long-haul 100G transmission”, Nokia Siemens Network
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 74
Ringraziamenti
Ringrazio i colleghi di Telecom Italia per i contribuiti fondamentali alla stesura di questo lavoro, in particolareMarco Schiano e Piergiorgio Pagnan
Valentina Brizi - Il ruolo della Fotonica nella rete di trasporto di TELECOM ITALIA 75
Grazie per l’attenzione