Corso di Reti di Telecomunicazione del sistema di... · 10g 10g V V V V J J R P P R P PP ... PP per...

Corso di Reti di

Telecomunicazione

Progetto del sistema di trasmissione ottico


Progetto del sistema di trasmissione ottico Modello del sistema

Penalità di potenza

Trasmettitore e ricevitore

Amplificatori ottici

Crosstalk

Dispersione

Non linearità

Progetto complessivo del sistema

2


Progetto del livello fisico ottico

Effetti che degradano le prestazioni

Margini di sicurezza

Riduzione degli effetti dannosi

Compromesso tra diverse esigenze di progetto

3






Crosstalk

Dispersione

Non linearità


4

Modello del sistema WDM (1)

Componenti del sistema unidirezionale

Trasmettitori, multiplexer, amplificatori, DCU, demultiplexer, ricevitori

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Trasmettitori Set di laser DFB con o senza modulatore esterno

Multiplexer Combinazione dei singoli canali in fibra

Amplificatore di potenza Aumenta potenza di segnale prima della trasmissione

Amplificatori di linea Amplificano il segnale dopo una distanza fissata

Possono comprendere DCU

Preamplificatore Amplificazione prima della ricezione

Demultiplexer Separa i canali in ricezione

Ricevitori Un fotodiodo per ogni canale

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Sistemi digitali (ma in generale analogici)

Modulazione NRZ

Compiti del livello fisico

Trasporto affidabile di bit dalla sorgente al destinatario

Inizializzazione del link

Protezione degli utenti dagli effetti dannosi dei laser

Misura della qualità del livello fisico

BER (da 10-9 a 10-15)

Margine di potenza aggiuntivo introdotto

7






Crosstalk

Dispersione

Non linearità


8

Penalità di potenza (1)

Ogni effetto dannoso risulta in penalità di potenza

Possibili due diverse definizioni

Incremento della potenza in dB al ricevitore necessaria per mantenere lo stesso BER in presenza dell’effetto

Riduzione del valore di γ, argomento della funzione Q(·),

dovuto all’effetto dannoso

La seconda definizione è più usata

Simboli equiprobabili, soglia ottima

Aggiungiamo un effetto dannoso (es. dispersione)

Q

PPRQBER

01

01

''

0

'

1

'

0

'

1

QPPR

QBER

9


Definiamo la penalità di potenza come

In decibel

Due casi di interesse

Rumore non dipendente dal segnale

Rilevamento diretto con PIN

Rumore termico

Rumore dipendente dal segnale

Ricevitore preamplificato

Rumore segnale-ASE

Ricevitore con APD

Rumore shot

P0 << P1,

PP '

01

01

'

0

'

1

'

0

'

1

'

log10log10

PPR

PPR

PP

01

'

0

'

1log10PP

PPPP indsig

1

'

1log5P

PPP dipsig

11 P

10


Importante considerare la polarizzazione

SOP varia casualmente

PP in teoria variano nel tempo

Consideriamo il worst case

Segnali con stesso SOP, massima penalità

Progetto del sistema

Si determina il valore ideale di γ

Es. BER 10-12 richede γ circa 7 (17 dB)

Si aggiungono al valore ideale i PP

Un termine per ogni effetto dannoso

Ogni termine si considera indipendente dagli altri

Il valore finale è quello da ottenere considerando il sistema ideale e calcolando γ come visto nel capitolo precedente

11


Esempio

BER 10-12, γ ideale 17 dB

PP per non idealità associate a trasmettitore, crosstalk, dispersione cromatica, non linearità, PDL, invecchiamento componenti, margine di sicurezza

Alla fine si richiede γ = 31 dB

Il progetto prosegue come nel caso ideale

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Crosstalk

Dispersione

Non linearità


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Trasmettitore (1)

Parametri di progetto

Potenza di uscita

Laser DFB

Da 1 mW (0 dBm) a 10 mW (10 dBm)

Con amplificatore di potenza fino a 50 mW (17 dBm)

Limitazione dovuta a non linearità e sicurezza

Extinction ratio r (r=P1/P0)

Rapporto tra P1 e P0

Fissata la potenza media P si vorrebbe

P1 = 2P, P0 = 0, r infinito

In pratica, r compreso tra 10 e 20

1

20

r

PP

1

21

r

rPP

14

Trasmettitore (2)

r finito implica l’introduzione di una penalità

PP per rumore indipendente dal segnale

Riduzione di γ rispetto a sistema con r infinito a

potenza media P costante

Riduzione di γ rispetto a sistema con r infinito a

potenza di picco P1 costante

Limiti dipendono dall’applicazione

Laser e effetti non lineari: potenza di picco

Sicurezza occhi: potenza media

PP per rumore dipendente dal segnale

PP superiore dovuta al rumore sullo 0

1

1log10

r

rPP indsig

r

rPP indsig

1log10

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Trasmettitore (3)

RIN (intensità di rumore relativa)

Rumore dipendente dal segnale

Fluttuazioni intensità del laser a causa di riflessioni da giunti e connettori

Tipo di modulazione

Diretta

Basso costo, banda più larga a causa del chirp

Riduzione del chirp riducendo l’extinction ratio

Penalità per dispersione e filtraggio non ideale

Esterna

Stabilità e accuratezza della lunghezza d’onda

Tempo di salita/discesa

Side-mode suppression ratio

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Ricevitore

Parametri di progetto

Sensibilità (sensibilità minima)

Potenza media minima necessaria per un BER desiderato ad un bitrate fissato

Misurata in genere per BER 10-12 con sequenze pseudo casuali di 223 – 1 bit

Parametro di overload (sensibilità massima)

Massima potenza in ingresso al ricevitore

APD ampiamente usati oltre i 2.5 Gbps

pinFET + preamplificatore ottico ha sensibilità simile all’APD

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Esempio

2040 km provocano una penalità complessiva di

quasi 3 dB

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Crosstalk

Dispersione

Non linearità


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Amplificatori ottici (1)

Compensazione delle perdite

EDFA in banda C e in banda L, amplificatori Raman

In sistemi long-haul

EDFA (C + L): amplificazione concentrata

Raman: amplificazione distribuita

Caratteristiche degli EDFA

Banda di guadagno larga 35 nm a 1550 nm

Amplificazione della trama WDM in blocco

Tutti i nuovi sistemi installati usano EDFA (C + L)

3 differenti configurazioni

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Amplificatori ottici (2)

Preamplificatore

Migliora la sensibilità del ricevitore

Alto guadagno e basso rumore

Amplificatore di potenza

Incrementa la potenza trasmessa

Massima potenza di uscita possibile

Amplificatore di linea

Compensa le perdite del collegamento

Alto guadagno, basso rumore, alta potenza di uscita

EDFA non è un dispositivo perfetto…

Rumore ASE

Guadagno dipende dalla potenza di ingresso

Guadagno dipende dalla lunghezza d’onda

21

Saturazione del guadagno (1)

Potenza di uscita limitata Al crescere della potenza di ingresso, il guadagno ad

un certo punto scende

Modello approssimato

Gmax guadagno non saturato

Psat potenza di saturazione interna

Pin potenza di ingresso

A bassa potenza Pin, G = Gmax

Ad alta potenza G tende a 1, Pout tende a Pin

potenza di uscita per cui G scende di 3 dB

Funzione di potenza di pompa e parametri EDFA

Valori nell’ordine di 10 – 100 mW (10 – 20 dBm)

G

G

P

PG

in

sat

maxln1

sat

outP

2lnsat

sat

out PP 22

Saturazione del guadagno (2)

Gli EDFA possono lavorare anche in saturazione

Ricordando che il guadagno è ridotto

Amplificatori di potenza tipicamente lavorano in saturazione

Es. saturazione del guadagno in EDFA

Gmax = 30 dB, Psat = 10 dBm

23

Equalizzazione del guadagno (1)

Necessità di banda di guadagno piatta

Problema critico per WDM con cascata di EDFA

Piccole differenze di guadagno diventano grandi differenze di potenze di uscita

Elevate differenze tra OSNR dei vari canali

Es. 1 dB max differenza per EDFA, cascata di 10 EDFA, squilibrio della catena 10 dB

Si cercano EDFA con guadagno piatto

Tra 1545 – 1560 nm si ottengono facilmente

Tra 1530 – 1545 nm no

L-EDFA hanno banda piatta tra 1565 e 1625 nm24


Preequalizzazione

Si varia opportunamente la potenza trasmessa (b)

Bassa dove il guadagno è alto

Più alta dove il guadagno è basso

Si cerca di ottenere stesso OSNR per tutti i canali

E si riportano tutti i segnali nel range dinamico

Non si può variare molto la potenza di ingresso

Difficile da realizzare in reti

Tecniche per ottenere il guadagno piatto:

25


Equalizzazione

Canali equalizzati ad ogni stadio EDFA (c)

Demux, attenuazione selettiva, mux

Impraticabile, non efficiente

Uso di filtri multicanale

Tecniche per ottenere il guadagno piatto:

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Filtri equalizzatori

AOTF (“Acousto-Optic Tunable Filter”)

Una frequenza RF per ogni canale

Attenuazione ad hoc per ogni canale

Potenza RF elevata (ordine del watt)

Equalizzazione di massimo 2 – 4 canali

Elevate perdite di inserzione, crosstalk

Soluzione ottima

Filtro integrato nell’EDFA con risposta in frequenza opportuna

Filtri a film sottile dielettrico

Cascate di LPG (“Long Period Grating”)

Elemento di perdita con risposta in frequenza facilmente tunabile

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Cascate di amplificatori (1)

Sistema di lunghezza L, con EDFA a distanza l

Perdita di ogni span di fibra e-αl

Ogni EDFA introduce rumore ASE

OSNR degrada progressivamente lungo la catena

Il guadagno deve compensare le perdite dello span

Altrimenti l’OSNR degrada velocemente lungo il link

Ip. di partenza Gmax > e-αl

Nei primi stadi la potenza di ingresso (ASE + segnale) cresce…

Fino a che si supera la potenza di saturazione degli EDFA

Condizione stazionaria spaziale

Guadagno e potenza di uscita costanti a ogni stadio

outon

l

out PGBPGeP 12

l

P segnale

ASE

OSNR=

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

15251530153515401545155015551560156515701575

OSNR

Wavelength (nm)

5 amplificatori in cascata

PASE

PS

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Equazione precedente a sistema con quella relativa al guadagno vs. potenza

Osservazione:

Effetto dell’ASE: il guadagno dello stato stazionario è inferiore alle perdite dello span

Nel progetto di cascate di EDFA si deve scegliere G il più possibile vicino alle perdite dello span

Modello semplificato della cascata di EDFA

Perfetta compensazione

Numero di EDFA nel sistema L/l

G

G

eP

PG

l

out

sat

maxln1

1 leG

leG

lLeBPlLGBPP l

onon

noise

tot /12/12

29


Dato l’OSNR desiderato, si ricava la potenza trasmessa P

lLeBPOSNRPOSNRP l

on

noise

tot /12

OSNR = 50

nsp = 2

Bo = 20 GHz

Attenuazione 0.22 dB/km

L = 1000 km

Si cerca di massimizzare l…

Ma aumenta la potenza trasmessa!!30

Penalità per spaziatura tra EDFA (1)

Idealmente ogni EDFA deve compensare la perdita dello span

Es. l = 80 km, α = 0.25 dB/km, G = 20 dB

Se G disponibile minore, ridurre lo span

Effetto della lunghezza dello span sul rumore

Caso ideale: minimo effetto dell’ASE per G = 1 e numero infinito di EDFA (guadagno distribuito)

Penalità dovuta a guadagno concentrato

G = 20 dB, PP = 13.3 dB

G = 10 dB, PP = 5.9 dB

ASE totale ridotto di 7 dB riducendo la spaziatura da 80 a 40 km

leG GGBLPP on

noise

tot ln/12

G

GPPlumped

ln

1

31

Penalità per spaziatura tra EDFA (2)

Riduzione dell’ASE riducendo la spaziatura… - 7 dB da 80 a 40 km

Ma aumentano i costi Raddoppia il numero degli EDFA necessari

Amplificazione distribuita può ridurre l’ASE senza aumento dei costi! Amplificatori Raman

Progettisti non vedono l’aumento dell’ASE in amplificatori concentrati come penalità…

Piuttosto a parità di guadagno si dice che quello distribuito ha minore figura di rumore equivalente

Può essere addirittura negativa!

Es. G = 20 dB, PP = 13.3 dB caso concentrato

Caso distribuito Fn = 3.3 dB, Fn effettiva -10 dB

ASE accumulato è lo stesso di una catena concentrata con Fn = -10 dB

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Controllo automatico del guadagno (1)

In reti WDM con cascate di EDFA Problema dei transitori di potenza

Variazione del guadagno in funzione della potenza nell’EDFA

Se alcuni canali si guastano, aumenta G

Worst case: W canali, W – 1 sono guasti: il sopravvissuto vede G molto più elevato!

Variazione del guadagno in funzione dei canali presenti

Attivazione e/o disattivazione di canali provoca variazioni nel guadagno

Necessità di controllo del guadagno degli EDFAAGC (Automatic Gain Control)

Potenza di uscita per canale costante33


1 solo EDFA: transitorio di potenza causato da guasti piuttosto lungo (circa 100 μs)

Cascate di EDFA: transitorio veloce (pochi μs)

Rischio di malfunzionamento temporaneo dei canali

Necessità di sistemi AGC molto veloci

Tipologie di AGC

Semplice AGC

Monitoraggio della potenza di uscita

Variazione opportuna della potenza di pompa

Tempo di risposta inadeguato

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AGC retroazionato

Prelievo, filtraggio e retroazione all’ingresso di una parte della potenza di uscita

Controllo del guadagno del loop attraverso un attenuatore variabile

Il feedback fa laserare il loop alla frequenza del filtro

Di conseguenza il guadagno dei canali viene tagliato ad un valore indipendente dalla potenza in ingresso

In una cascata si posiziona l’AGC sul primo stadio

Basta a compensare l’intera cascata

Leggero aumento della figura di rumore e leggero decremento della potenza di uscita

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Lunghezza d’onda di compensazione

Canale non informativo introdotto in ingresso al link e prelevato all’uscita

Si varia la sua potenza per compensare variazioni della potenza di ingresso dei canali

Necessità di laser addizionale, pochi canali compensati, non efficiente dal punto di vista dei costi

AGC introduce volutamente dei loop… In generale, sono da evitare loop di fibra

Guadagno del loop paragonabile alle perdite

Il loop rischia di laserare!!

Estrazione della potenza dai canali informativi

Problema critico in reti ad anello con OADM

Basta l’ASE per innescare l’oscillazione

Soluzioni: scegliere il guadagno leggermente minore delle perdite, aprire gli anelli in punti determinati…

36






Crosstalk

Dispersione

Non linearità


37

Crosstalk

In generale

Sovrapposizione di “altri” segnali con il segnale desiderato

Tutti i componenti inducono crosstalk

Opportune penalità di potenza

Tipologie di crosstalk

Crosstalk intercanale

Frequenze abbastanza diverse in modo che la differenza sia fuori banda (elettronica)

Non linearità, modulazione del guadagno…

Crosstalk intracanale

Frequenze uguali o vicine in modo che la loro differenza sia in banda (elettronica)

Crosstalk coerente, è il più dannoso

38

Crosstalk intracanale (1)

Principali cause

Riflessione

Si tiene facilmente sotto controllo

Cascata di dispositivi mux, demux, switch

Molto dannoso nelle reti

Es. mux-demux: soppressione non perfetta

All’uscita due copie sfasate dello stesso canale

Es. switch: isolamento non perfetto

All’uscita sovrapposizione di canali diversi

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Worst case

Segnali interferenti con stessa polarizzazione e sfasati di π

In realtà fase e SOP variano casualmente

Calcolo del crosstalk intracanale

P potenza media ricevuta, εP potenza media di crosstalk, identica lunghezza d’onda

Campo elettrico al ricevitore

ds, dx = [0, 1], P potenza media

Tutti i canali hanno extinction ratio infinito

)(2cos)(2)(2cos)(2)( ttftdPttftdPtE xcxscS

40


Potenza ricevuta in banda dal ricevitore

Ip. ε << 1 (basso crosstalk)

Termine proporzionale a ε trascurabile

Worst case: sfasamento di π, cos(*) = -1

Potenze ricevute per i bit 1 e 0

Ricevitore con rumore indipendente dal segnale

Ricevitore con rumore dipendente dal segnale

N canali interferenti

)()(cos)()(2)()( tttdtPdtPdtPdP xsxsxsr

(0)rP P 21)1( PPr

21log10 indsigPP

10log 1 2sig dipPP

N

i

i

1

41


Es. PP limitati da rumore termico per crosstalk in funzione del livello di crosstalk (10log(ε)) intracanale e intercanale

PP = 1 dB richiede crosstalk intracanale -20 dB

42

Crosstalk intercanale (1)

Principali cause

Filtro o demultiplexer ottico che seleziona un canale senza perfetta soppressione degli altri

Switch con isolamento non perfetto tra le porte

Stime di PP

Differenza tra le frequenze fuori banda elettronica

)()( tPdtPdP xsr

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Crosstalk intercanale (2)

Worst case

PP per rumore indipendente dal segnale

PP per rumore dipendente dal segnale

N canali interferenti

Sistema WDM non amplificato con filtro centrato sul canale da ricevere

Crosstalk dominante tra canali adiacenti

PP=0.5 dB richiede crosstalk intercanale -13 dB

PPr )1( PPr )0(

1log10indsigPP

10log 1sig dipPP

N

i

i

1

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Crosstalk in reti ottiche

Crosstalk problema critico in reti

Segnale si propaga attraverso molti nodi

Accumula crosstalk a mux, demux e switch

N sorgenti di crosstalk, con livello εs fisso

In genere, si è in presenza di cascate di EDFA

Rumore dominante dipendente dal segnale

PP calcolate dalle formule precedenti

Es. N = 10, crosstalk intracanale

PP = 1 dB richiede un livello di crosstalk di -35 dB per ogni elemento

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Sistemi bidirezionali (1)

Trasmissione in entrambe le direzioni lungo la stessa fibra

Effetti di crosstalk addizionali

In principio, si può usare la stessa lunghezza d’onda nelle due direzioni, ma…

In pratica le riflessioni inducono crosstalk

Molto difficile controllare le riflessioni in fibra

Tipicamente sistemi bidirezionali usano lunghezze d’onda diverse nelle due direzioni

Separazione dei canali con mux/demux o circolatori

Oppure in reti di accesso TDM alternando le direzioni

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Sistemi bidirezionali (2)

Mux/demux

Crosstalk dovuto a riflessione di segnale trasmesso in porta di ricezione

Progetto ad hoc per minimizzare il crosstalk

Circolatore

Crosstalk dovuto a imperfetto isolamento

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Riduzione del crosstalk (1)

Metodo più semplice ed usato

Riduzione del crosstalk a livello di dispositivo

Problema trasferito al progettista dei dispositivi

Il progettista della rete calcola le specifiche ed il crosstalk massimo per ogni elemento

In base al numero di elementi e alla massima penalità ammessa

Topologie che riducono il crosstalk

Scelte architetturali, in particolare per gli switch

Dilatazione spaziale

Dilatazione delle lunghezza d’onda

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Dilatazione spaziale

Architettura con porte inutilizzate

Tipicamente si raddoppiano le porte

Livello di crosstalk da ε a ε2

Svantaggio: costo elevato legato alla ridondanza

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Dilatazione delle lunghezze d’onda

Riduzione del crosstalk intracanale usando più switch

Utile ad esempio per gli AOTF

2 switch invece di 1, uno per i canali pari e uno per i dispari

Raddoppio del channel spacing

Raddoppio del costo

Per le architetture mux/demux

Filtro tra i due stadi che aumenta l’isolamento

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Filtri in cascata (1)

In reti ottiche è molto comune avere cascate di filtri o mux/demux

Banda passante della cascata ridotta rispetto al singolo elemento

Stabilità ed accuratezza delle lunghezze d’onda

Requisito sempre più stringente man mano che si riduce la banda passante dei filtri

Tuning in temperatura

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Filtri in cascata (2)

Caso particolare: cascate di mux/demux

Se le lunghezze d’onda non sono centrate…

Perdite addizionali e crosstalk

Penalità di potenza dovute al crosstalk

Tuning in temperatura (difficoltoso)

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