Comunicazioni Ottiche, Capitolo 3, Edizione Ottobre 2007 1

3. Optical Transport Network (OTN) 3.1 Introduzione La crescita della disponibilità di banda indotta dallo sviluppo della tecnologia WDM insieme alla crescita del traffico a pacchetti rappresentato da IP pongono la richiesta di un nuovo protocollo di trasporto basato sulla tecnologia ottica che abbia le caratteristiche di:

• essere “trasparente” per i “clienti” SDH/SONET ma anche G-Ethernet, ATM, IP e MPLS;

• fornire cammini (paths) con granularità alta (2.5, 10, 40 Gb/s); • migliorare le funzionalità OAM (Operation, Administration &

Maintenance) per tutti i “clienti”. Nasce così nel 1999 con la raccomandazione ITU G.872 il nuovo protocollo denominato Optical Transport Network o OTN. In realtà la G.872 è solo una delle decine di raccomandazioni che stanno costituendo questo nuovo protocollo in una continua integrazione fra le necessità degli operatori telecom, i provider di banda, i clienti fornitori di servizi, i costruttori di apparati. e i fornitori di tecnologia. Le altre importanti raccomandazioni sono: la G.709 che specifica la struttura ed il mapping, G.959.1, G.692, e G.693 che specificano il layer fisico ed a livello di piani di controllo, la G807 che specifica il processo di “automatic switching” per la gestione della rete. Il protocollo OTN stabilisce come le reti ottiche debbano essere dotate di funzionalità che provvedono al:

1) trasporto; 2) multiplexing; 3) routing; 4) supervisione; 5) sopravvivenza dei segnali dei clienti mediante un trattamento da

svolgersi “prevalentemente” in ambito ottico. Il protocollo OTN segue i principi dell’architettura a strati di tipo client-server. E’ apparso subito evidente che l’obiettivo di costruire un nuovo vero

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protocollo ottico che portasse al superamento dello strato SONET/SDH fosse molto difficile. Quello che si sta sviluppando è quindi un approccio graduale che per il momento cerca di gestire soprattutto circuiti ottici (o con termine inglese, lightpaths) considerando questi come delle “entità” sottoposte a switching di circuito ed operando su queste entità con una sezione analogica (un sub-protocollo) che garantisce:

- la propagazione e la manutenzione dei lightpaths; - la rivelazione di guasti del link e la relativa protezione; - la restaurazione dei lightpaths.

Per quello che riguarda invece le funzionalità di “server” propriamente detto, esse sono essenzialmente ancora affidate all’elettronica mediante la costruzione di una sezione digitale (sub-protocollo) chiamata digital wrapper, più flessibile dell’SDH ma ugualmente complessa. E’ sempre un protocollo sincrono che si installa sui lightpaths e forma l’ Optical Channel OCh e che provvede a:

- funzioni di segnalazione ; - funzioni di sincronizzazione e de-sincronizzazione per clienti

asincroni (adattamento ai layer elettrici alti); - funzioni di FEC (Forward Error Correction); - funzioni di adattamento al sub-strato WDM; - funzioni di TDM per multiplare client SONET/SDH con

granularità 2.5, 10 e 40 Gb/s. L’insieme dei due sub-protocolli si unisce a formare il Modulo di Trasporto Ottico o Optical Transport Module OTM del protocollo OTN che nella sua versione elementare coincide con l’OCh ed appare quindi come in Figura.

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In pratica l’entità più importante dell’OTM è l’Optical Channel che può essere definito come un circuito ottico dotato di trama il quale ingloba la Optical Transport Unit OTU (capace a sua volta di “vedere” i “clienti”) e permette di compiere un un cammino ottico attraverso componenti ottici (principalmente Amplificatori Ottici AO, Optical Add Drop Multiplexer OADM, Optical Cross-Connect OXC, Optical wavelength Converter OWC, Fibre Ottiche OF , ecc.) Ed è terminato da una coppia di Rigeneratori Elettronici e ospita funzionalità di Forward Error Correction o FEC. La caratteristica essenziale dell’OCh è di rimanere sempre ottico. In una struttura di rete molto semplice ad ogni OCh verrebbe quindi assegnata una sola

!

" detta Optical Channel Carrier OCC e quindi la struttura dell’OTM sarebbe come da figura

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Le informazioni sull’allocazione delle

!

" , sulla presenza o assenza di “client”, sulle caratteristiche generali degli apparati, sono contenute negli Non-Associated Over Head (non associati alle singole

!

" ovvero in questo caso ai singoli OCh) che vengono trasmesse usando appositi canali fuori banda (cioè

!

" fuori dalla griglia d’impiego per il trasporto). Le informazioni relative allo specifico OCh sono invece messe in un OTU-Over Head (Associated) e consistono in 6 ottetti che contengono essenzialmente dati di “optical monitoring”. Queste informazioni sono “immerse” digitalmente via Time Division Multiplexing in aggiunta alla trama del segnale (in alcuni casi si pensa anche ad immetterle analogicamente mediante la inserzione di un sub-carrier al carrier principale). Nella realtà le reti ottiche sono ben più complesse perchè le informazioni viaggiano o possono viaggiare fra una moltiplicità di circuiti ottici ed una molteplicità di circuiti elettrici: il risultato è un aumento della complessità nella struttura dell’OTM.

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3.2 Sezione Analogica di OTN La sezione analogica di OTM si sviluppa seguendo il paradigma di SONET, ovvero con la nascita di 3 strati (dal basso):

- lo strato fisico che prende il nome di Optical Transport Section o OTS (e che comprende essenzialmente la fibra ottica, gli amplificatori ottici e tutti gli elementi ottici che servono a trasmettere e ricevere il segnale);

- lo strato di multiplazione WDM, che provvede alle operazioni di mux e demux dei colori ovvero delle

!

" che caratterizzano i diversi OCC ed alla loro eventuale sostituzione mediante i Transponder ( o gli equivalenti ottici OWC) che prende il nome di Optical Multiplexing Section o OMS;

- lo strato Optical Channel definito in precedenza, che viaggia attraverso eventuali OXC e che può essere immesso ed estratto tramite gli OADM ( od, attualmente, la versione elettrica di questi dispositivi).

Nella rete OTS è “terminato” solo da Amplificatori Ottici AO; OMS è terminato da MUX/DEMUX e comprende diversi tratti di OTS; OCh è terminato da Rigeneratori Elettronici e comprende OXC ed eventuali OADM. In figura viene illustrato un esempio di come queste sezioni vengono identificate nella rete.

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Nel paradigma SONET questi tre strati ricordano rispettivamente gli apparati di STE, LTE e PTE e si può fare un parallelo come in figura

Tutti e tre gli strati concorrono a sviluppare le funzioni principali di OTN secondo la suddivisione riportata nella sottostante tabella:

OTM Functionality

OCh OMS OTS Trasporto Gestisce

l’Adaptation Layer verso i clienti

Provvede la mux di

!

" per il trasporto.

Provvede il canale ottico per il trasporto

Mux/Demux - Provvede l’OH per il processo di mux/demux.

-

Routing OCh Connection Management, provvede OH per gli strati di OXC e OADM

Gestisce gli assegnamenti di

!

" .

-

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Supervision Misura il BER del OCh

Monitoring del comportamento dei mux per ogni

!

" .

Misura il Power Level dei canali WDM.

Survivability Gestisce l’OH per le protezioni dei circuiti ottici.

- -

Nella figura successiva viene indicata la nuova rappresentazione dell’OTM. Che comprende la sezione analogical esplicitata.

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3.3 Sezione Digitale di OTN La “sezione digitale” deve garantire l’ospitalità di clienti sia sincroni che asincroni attraverso percorsi che possono comportare ua molteplicità di OTU. Il “frame” della sezione digitale di OTN è organizzato con la classica struttura a campi. Vediamo inizialmente il problema della sincronizzazione che si pone quando OTN deve ospitare traffico sincrono ( tipicamente SONET/SDH). Quando si vogliono “mappare” diversi client in uno stesso server layer può succedere che i due clock non siano sincronizzati e siano indipendenti l’uno dall’altro. Questo succede anche quando i clock nominali sono gli stessi, poichè i clock di due reti diverse non sono mai esattamente gli stessi. Posso avere allora due casi: a) mapping asincrono: quando i clock delle due reti sono completamente indipendenti; b) mapping sincrono ( a livello di bit o byte): quando posso stabilire una comunicazione fra il server clock ed il client clock. Nel caso (b) il problema si risolve mediante un “aggangio” effettuato con un circuito di Phase Locked Loop, PLL. Nel caso (a) la situazione è più complessa. La strategia tipica che si usa è quella di mandare i segnali del client in un buffer (registro) che poi scarica i suoi segnali sul server. Nel fare questo ci sono delle inevitabili oscillazioni di memoria che danno luogo a overflow positivi o negativi. La soluzione è quella di comunicare tramite gli Over-Head al server queste informazioni in modo che essa provveda con dei bit o byte di “giustificazione” sia positivi che negativi. Si vedrà in seguito che il payload dell’OTN dispone di 4x3808 ottetti = 15232 ottetti e quindi con un byte di giustificazione posso spostare la frequenza di clock di:

!

±1

15232= ±65.710

"6= 65.7ppm

Siccome SONET prevede una tolleranza di clock < ±20 ppm e SDH < ±4.6 ppm, con un byte di giustificazione riesco a recuperare gli eventuali disallineamenti del clock. L’organizzazione del frame di OTN è simile a quella SONET/SDH con l’eccezione che i frame a diverso bit-rate sono di diversa lunghezza. In particolare anche nel Digital Wrapper dell’OTM è presente un’area di

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payload che è stata dimensionata per accogliere grandi flussi di clienti SONET/SDH. Il livello gerarchico di OTM è infatti solo 1, 2, 3 a cui corrispondono rispettivamente payload nominali di 2.5, 10, 40 Gb/s, (ovvero gli equivalenti livelli gerarchici STS-48, STS-192, STS-768 / STM-16, STM-64, STM-256). Si definiscono così tre diversi tipi di Payload chiamati rispettivamente Optical Payload Unit OPU-k dove k vale 1, 2, 3. Se partiamo con il considerare il payload essi sono di tre tipi chiamati rispettivamente Optical Payload Unit OPU-k dove k vale 1, 2, 3. L’OPU-1 è un’area costituita da 3807 colonne per 4 righe di ottetti = 15 228 oct. Si fa adesso in modo che questi 15 228 ottetti scorrano nello stesso tempo in cui scorrono i: 90 x 9 x 48 = 38 880 ottetti del STM-16 e quindi il frame OTN-1 durerà

!

15228

3888012510

"6sec = 48.971µ sec

Questa stessa logica vale per OPU-2 e OPU-3. La sola differenza è la presenza di byte di riempimento:

!

16 " 4 = 64( ) in OPU-2 e

!

16 " 4 " 2( ) in OPU-3 posti per raccordare il bit-rate di STM-64 e STM-192. Quindi avremo che per OPU-2

!

15164

155520125µ sec =12.191µ sec

e per OPU-3 si ottiene 3.035 µs. Come si vede, a differenza dei protocolli SONET/SDH i frame OTN sono variabili. La mappatura dei “client” non-sincroni , e quindi di celle a pacchetti, avviene con altre modalità. La raccomandazione G.709 provvede ad una incapsulazione di IP ed ETHERNET per renderla mappabile su OPU senza dover passare da SONET/SDH. Si sta anche pensando ad un protocollo chiamato Generic Framing Procedure, che permette di trasportare ogni pacchetto su un canale Constant Bit-Rate (CBR) canale . Anche per ATM esistono delle modalità di mappatura su OPU con una tecnica simile a quella usata per SONET/SDH.

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La complessiva struttura del frame di OTN ricorda ancora una volta il paradigma SONET: il client viene mappato sull’OPU con l’aggiunta di Over-Head (equivalenti ai Path-OH di SONET), l’OPU a sua volta viene mappato sull’ Optical Data Unit-k o ODU-k con l’aggiunta di un ulteriore OH. L’ODU è lo strato che permette di connettere punto-punto i Cross-Connect Digitali presenti nella rete attraverso i circuiti ottici, utilizzando diversi OCh e quindi diversi OTU: quindi l’informazione viene “passata” da un OTU ad un altro ovvero, ricordando che OTU è l’espressione digitale dell’OCh, da un “colore” ad un altro all’interno della rete (Si veda la figura seguente)

Più in dettaglio i layer digitali hanno le seguenti funzioni: -OPU (Optical Payload Unit): adatta i tributari dei client sia sincroni che asincroni; -ODU (Optical Data Unit): supervisiona e gestisce la connessione (elettrica) end-to-end; svolge funzioni di multiplexing TDM di ODU-1 in ODU-2 e ODU-2 in ODU-3; svolge la funzione di Tandem Connection

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Monitoring cioè permette di monitorare il comportamento dell’OCh in diverse sezioni (sino a 6) poste ad esempio in diversi domini amministrativi ; -OTU (Optical Transport Unit): provvede ad inserire un FEC; provvede il signal monitoring fra i rigeneratori 3R. Quindi la struttura del complessivo OTM con esplicitate sia la parte analogica che la parte digitale diventa come in figura

mentre il “frame” OTN si presenta come nella figura seguente, dove è confrontato con il frame SONET, per evidenziarne le analogie.

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Quindi la complessiva visione di come il protocollo OTN permetta di gestire il traffico di alto livello nella rete ottica è riassunto dalla seguente figura

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Il protocollo OTN si dimostra ancora in fase sperimentale e anche nella sua struttura mostra i limiti derivanti dall’avere una tecnologia tutto-ottica ancora povera: mancano i rigeneratori ottici, i XC ottici, tutte le funzioni di monitoring della qualità del segnale trasportato (misurazione di O-SNR: attualmente solo ESNR viene misurato ed anche in modo indiretto tramite la stima del BER). Manca in sintesi lo switch ottico e quindi la capacità di sostituire l’elettronica nelle operazioni di signal-processing. E’ difficile prevedere se OTN sarà davvero in grado di sostituire SONET/SDH: molto dipenderà anche dal reale aumento di servizi e di traffico e quindi dalla reale necessità di gestire un trasporto di alta granularità quale permette OTN.