Politecnico di Milano Dipartimento di Elettronica e Informazione Facolt`a di Ingegneria delle Telecomunicazioni Tesi di Specialistica in Reti di Telecomunicazioni Architetture di nodi di commutazione ottici di tipo add/drop riconfigurabili Candidato: Gianluigi Notarnicola Relatore: Prof. Achille Pattavina Correlatore: Prof. Guido Maier A.A. 2010/2011 Ai miei genitori Contents Contents i 1 Sistemi di trasmissione a 100 Gbps 7 1.1 100 Gbps Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Schemi di Modulazione per la trasmissione a 100 Gbps . . . 10 1.2.1 Modulazioni d’ampiezza . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 PDM-QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.3 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Rivelazione Coerente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4 Impairments non lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.1 Self-Phase Modulation (SPM) . . . . . . . . . . . . . 19 1.4.2 Cross-Phase Modulation (XPM) . . . . . . . . . . . . 21 1.4.3 Four Wave Mixing (FWM) . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4.4 Scattering di Brillouin stimolato (SBS) . . . . . . . . 25 1.4.5 Diffusione di Raman stimolata (SRS) . . . . . . . . . 26 2 Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer - ROADM 27 2.1 Architettura del ROADM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.1 Wavelength Selective Switch (WSS) . . . . . . . . . . 29 2.1.2 Array Waveguide Gratings (AWG) . . . . . . . . . . 34 2.2 Proprieta` dei ROADM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3 ROADM Physical Impairments . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.1 Filtraggio concatenato . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.3.2 Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3 ROADM Scalability 45 3.1 Modello di scalabilita` per il ROADM . . . . . . . . . . . . . 46 i Tesi Specialistica di Gianluigi Notarnicola ii CONTENTS 3.1.1 Input del modello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.2 Scenario NoSplit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1.3 Scenario NoDropSplit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1.4 Scenario Split . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2 Applicazione del modello a reti di telecomunicazioni . . . . . 62 3.2.1 Applicazione del Modello . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4 Architetture di nodi ad interconnessione di ROADM: De- sign e Scalabilit`a 67 4.1 Switching Networks Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2 Modello di scalabilita` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2.1 Confronto tra il ROADM singolo e la rete di ROADM 78 5 Modello di trasmissione per reti di trasporto con ROADM 83 5.1 Descrizione del modello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.1.1 Il Trasmettitore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.1.2 Il ROADM di trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.1.3 Cascata di ROADM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.1.4 Il ROADM di ricezione . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.1.5 Il ricevitore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.2 Simulazioni e risultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Bibliography 99 Lista dei Simboli e delle Abbreviazioni 105 List of Figures 107 List of Tables 110 Tesi Specialistica di Gianluigi Notarnicola Abstract Il lavoro di tesi svolto riguarda lo studio di scalabilita` del ROADM (Recon- figurable Optical Add/Drop Multiplexer), cio`e un’analisi delle prestazioni del dispositivo al variare delle configurazioni, ed uno studio sul numero di dispositivi interni al ROADM necessari quando si modificano i requisiti prestazionali. Una prima fase `e stata incentrata sullo studio dello stato dell’arte dei dis- ´ positivi di commutazione ottica, con particolare attenzione al ROADM. E stata fatta una trattazione sugli impairments fisici per la trasmissione in fibra per velocita` di 100 Gbps (standard nelle reti long-haul di nuova gen- erazione) ed per il ROADM. Una seconda fase ha riguardato lo studio di scalabilita` del ROADM al variaredelleconfigurazioniprincipali(colorless, directionless, contentionless, gridless). I risultati sono stati indirizzati al calcolo del numero di dispositivi interni al ROADM con particolare attenzione al WSS (Wavelength Selective Switch). La tesi comprende uno studio su una architettura di ROADM formata dall’interconnessione di ROADM con grado nodale piu` basso. Si fornisce un’analisi delle prestazioni ed un confronto con il ROADM singolo. L’ultima parte ha riguardato la realizzazione di un simulatore di trasmis- sione su reti DWDM con ROADM come nodi principale. L’obiettivo `e visu- alizzare l’interazione tra il segnale e il ROADM, valutando la degradazione e il crosstalk. 1 Tesi Specialistica di Gianluigi Notarnicola Tesi Specialistica di Gianluigi Notarnicola Introduzione Le reti di trasporto a lunga distanza (long-haul networks) sono sempre state oggetto di un’evoluzione rapida e continua. La crescita costante di traffico IP, soprattutto files video e intensive transazioni WEB 2.0, `e il driver prin- cipale di un continuo rinnovamento delle reti di trasporto. Oggigiorno, lo standard di trasmissione a lunga distanza che si sta affer- mando`e il 100 Gbps Ethernet. 100 Gbps Ethernet`e la naturale successione della gerarchia 10M/100M/1G/10G, standards di successo negli anni prece- denti.[6] Figure 0.1: Consumo di Banda in aree LAN e WAN 3 Tesi Specialistica di Gianluigi Notarnicola 4 CONTENTS Neglianniscorsiqualsiasitentativoditrasmissionea100Gbpseracarat- terizzato dalla suddivisione di un unico flusso in uno stream di contributi a bitrateinferioreinviatisupiu` lunghezzed’onda. Questametodologiarisulta essere sconveniente in termini di efficienza spettrale e quindi la tendenza `e quella di esplorare tecniche di trasmissione ad alto bitrate su una singola lunghezza d’onda. Lo sviluppo di schemi di modulazione multilivello, asso- ciati al PM (polarization multiplexing), permettono di raggiungere lo scopo prefisso. In particolare, lo schema M-PSK (Multilevel - Phase Shift Keying) e le sue varianti sembrano essere le modulazioni designate per la trasmis- sione single carrier a 100 Gbps. Un altra tendenza `e l’utilizzo di OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), uno schema di modulazione ampiamente utilizzato nei sis- temi RF-wireless e nei sistemi di broadcasting audio e video.[26]. Un altro aspetto da considerare `e la (re)introduzione dei ricevitori coer- enti a valle dello schema di trasmissione. Questo `e stato possibile grazie all’utilizzo di dispositivi DSP (Digital Signal Processing) che garantiscono una notevole riduzione degli impairments lineari indotti dalla trasmissione infibra, fattorecherendevapococonvenientelarilevazionecoerenterispetto a quella diretta.[27] I ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) sono l’elemento chiave nella costruzione di delle reti di trasporto long-haul di nuova gener- azione. In questi nodi la caratteristica intrinseca di riconfigurabilit`a rende possibile una gestione dinamica delle lunghezze d’onda. Una lunghezza d’onda o un gruppo di lunghezze d’onda possono essere inviate alle sezioni di add/drop o semplicemente attraversare il nodo senza che ci sia bisogno di una conversione E-O-E (Electrical-Optical-Electrical). Inoltre, grazie all’utilizzo dei ROADM, le reti a larga scala possono evolvere da una inter- connessione di reti ad anello a grandi reti mesh.[17] Il lavoro di tesi`e incentrato sullo studio di questi dispositivi. In particolare, si analizza il ROADM dal punto di vista fisico e si analizza la scalabilita` dello stesso. I seguenti capitoli sono cos`ı strutturati: • Il primo capitolo include un’analisi dello stato dell’arte per reti di trasporto a 100 Gbps, con particolare attenzione agli impairments fisici che caratterizzano la trasmissione in fibra a queste velocita` e per questi schemi di modulazione. • Il secondo capitolo tratta in modo approfondito il ROADM dal punto Tesi Specialistica di Gianluigi Notarnicola