28‐6‐2013
SURFnet 7: De Optische Laag 27 juni 2013
Rob Smets – Netwerkdiensten (
[email protected])
Inhoud: • Introductie • Optische communicatie: een basis – Technologieën – Concepten
• NGE over SURFnet’s CPL netwerk • Vragen
1
28‐6‐2013
Introductie: Pré-SURFnet7 • SURFnet4: ATM / SDH circuits (geen optica) • SURFnet5: Leased lambda’s from BT (geen optica) • SURFnet6: Leased fiber, eigen lambda’s, maar keuze transceivers gebonden aan leverancier optisch netwerk. • Nu ca. 12.000 km Fiber, > 100 nodes – Nederland – Cross-Border Fibers naar o.a. Geneve, Hamburg, Kopenhagen en Londen
Introductie: SURFnet7 Institute Application
Application
Service
Application
Routed IP (Layer 3)
Next Generation Ethernet
Institute Application
Application
Application
Service
(Layer 2)
Bandwidth
Bandwidth Optisch Transport (Layer 0/1)
2
28‐6‐2013
De optische laag informatie
informatie Kanaal
Hoe je fotonen gebruikt om informatie van de ene plek naar de andere krijgt!
Technologieën • Optische vezel → houdt de fotonen bij elkaar • Laser → opwekken van kwalitatief goede fotonen uit elektrische data • Fotodiode → effectief en efficiënt omzetten van fotonen naar elektrische data Data (0,1,0,0,1,0,1,1,…) Kanaal electrical
Transmitter (Laser)
Data (0,1,0,0,1,0,1,1,…) electrical
optical
fiber
Receiver optical (Photodiode)
• Maar ook: OTN, SDH, WDMs, DSCM, EDFAs, FEC, WSSs, etc…
3
28‐6‐2013
Propagatie van licht in glasvezel • Glasvezel voor datatransport is “single mode” glasvezel
• Multimode fiber wordt niet voor transport over lange afstanden gebruikt omdat dit leidt tot “mode dispersie”
Transmitters Afstembare – DWDM Laserdiode Data φ
Mach Zehnder Modulator
• • • •
SURFnet gebruikt afstembare transceivers in de C‐band (1530nm‐1568nm) 88 kanalen 50GHz spectrum ‐1 tot 3 dBm output power 10Gbps modulatie
4
28‐6‐2013
Receivers data preamp
AGC
decision
FEC
CLK
receive
voorbeeld • SURFnet gebruikt receivers die dispersie tolerant zijn • Ontvangst gevoeligheid tussen ‐ 24dBm en ‐21.5dBm • ‐400ps/nm tot 1600ps/nm dispersie tolerant
zonder FEC met FEC
+1,5dB
Factoren (niet) succesvolle transmissie Kanaal
Data (0,1,0,0,1,0,1,1,…)
Data (0,1,0,0,1,0,1,1,…) Kanaal
electrical
Transmitter (Laser)
electrical
optical
fiber
optical
Receiver (Photodiode)
• • • • • • •
Regenbuitjes Deining/golven Snelheid Afstand/Horizon Achtergrond Code Lichtsterkte
• • • • • • • • •
Lengte Snelheid Verliezen Fiber Forward Error Correction Gevoeligheid ontvanger Modulatie Methode Zendvermogen Bandbreedte Niet‐lineariteit
5
28‐6‐2013
Transmissie verliezen Data (0,1,0,0,1,0,1,1,…)
Data (0,1,0,0,1,0,1,1,…) 50 km fiber
100km fiber
150km fiber
Receiver
Transmitter amplifier
amplifier amplifier Power [dBm] +3 0
17dB
20dB
‐10
‐7dBm
13dB
10 dB
16dB
23dB
‐17 ‐20 ‐23 ‐30 100km
150km
300km
Distance [km]
Optische versterkers brengen optische signalen weer op (oorspronkelijke) sterkte, maar introduceren wel ruis (ASE)
EDFAs Fiber met Erbium atomen
optisch signaal in
isolator
isolator
WSC
optisch signaal uit
WSC
980nm pomp diode
Elektronen in aangeslagen toestand
‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
980nm foton uit pomp diode
‐ ‐
tussen toestand
‐ +
=
versterking
=
ruis
‐ ‐
Elektronen in grond energie toestand
‐ ‐‐
‐ ‐
6
28‐6‐2013
Dispersie beperkingen •
Power
Brekingsindex van glasvezel is afhankelijk van frequentie, dus van de modulatie
‘1’
‘0’
‘1’
‘1’
‘0’
‘1’
geen dispersie time
Power
•
Gevolg: opgaande en neergaande flanken komen in naburige symbolen terecht: Inter Symbool Interferentie
•
‘1’ ‘0’ verhouding wordt slechter (Extinction Ratio)
•
‘1’
‘0’
‘1’
‘1’
‘0’
‘1’ acceptabele dispersie time
Power
‘?’
‘?’
‘1’
‘1’
‘?’
‘1’
time
Power
‘?’
Signaal wordt gevoeliger voor ruis
veel dispersie
‘?’
‘?’
‘?’
‘?’
‘?’
overmatige dispersie time
Dispersie management ATT1 Tx
120k m SMF
A1
ATT2
DCF
A2
ATT3 A3
1
f
1
Rx
2, 3 After 120km transmission
D [ps/(nm*km)]
SMF λ
0
0
λ
T
2 λ (nm)
DCF
After compensation, PDCF =+5dBm
T bit LD D Tbit = 100ps voor 10 Gb/s D = 17 ps/nm km LD = ~50km ∆λ = 0.112 nm*
3
After compensation, PDCF = 0dBm
7
28‐6‐2013
Voor ieder een glasvezel…
D [ps/nm/km]
SMF Reduced Slope
Glas is niet-linear! •
Te veel vermogen in een glasvezel zorgt voor tjilpen van optische pulsen. Power
time red shift
•
blue shift
Dispersie transformeert vermogens afhankelijke frequentie verschuivingen naar ISI en vermogens veranderingen binnen een symbool: Power
time
8
28‐6‐2013
Uitdagingen SURFnet 7 en verder
source: NTT‐review.jp
DWDM: AWGs en WSS • Capaciteitsuitbreidingen door meerdere golflengtes in één vezel te combineren:
constructieve interferentie alleen voor blauw licht
Source: Wikipedia
Source: Photonics.com
Source: Imec
9
28‐6‐2013
Golflengtes toevoegen in het netwerk Data (0,1,0,0,1,0,1,1,…)
1x10Gbps fiber
Data (0,1,0,0,1,0,1,1,…) fiber
Transmitter
Receiver amplifier
amplifier
amplifier
88x10Gbps TX 1530.33nm
RX 1530.33nm
TX 1530.72nm
RX 1530.72nm
TX 1565.09nm
RX 1565.09nm
Golflengtes manipuleren in het netwerk TX Ch. 46 TX Ch. 60
Schakelt signalen naar andere poorten (=richtingen)
RX Ch. 23
TX Ch. 23
X
RX Ch. 46
TX Ch. 88
RX Ch. 60 RX Ch. 88
10
28‐6‐2013
Equalization • Er zijn wel een aantal beperkingen: – EDFAs versterken niet alle signalen even sterk • Op bepaalde plaatsen worden de 88 kanalen elk even sterk gemaakt d.m.v. verzwakkers
– Golflengte afhankelijk verlies in componenten • AWGs, DSCM, etc…
– Niet alle lasers zijn even sterk • Bij het invoegen van een signalen (Add-funktie) wordt de sterkte aangepast
SURFnet 7 Architectuur 88 golflengtes
Asd001
CPL‐rings Asd002
CPL Nodes: • Versterkers • Regeneratie • Switching • Service Platformen • PoPs • Redundante PoPs
11
28‐6‐2013
Snelheden in de ringen • SURFnet 7 kent op de optische laag twee snelheden: – 10 Gbps → Tussen PoPs onderling en met “express” nodes • Beschikbaar als plugable XFPs zonder en met FEC
– 100 Gbps → Tussen “express” nodes • Beschikbaar als CFP module op de 6500 OTN (Optical Transport Network, ITU-T G.709)
Koppelingen aan CPL Ch.1‐88 | Ch. 14
Ch.1‐88
Reconfig‐OADM (Cross‐Connect)
line
Ch.14 add/drop
GMD‐OADM
Ch.1‐8 Ch.11‐18 Ch.45 line
Ch.14 add/drop
groep 1 groep 2
groep 1 groep 2
groep 5
groep 5
Ch.45 add/drop
Ch.1‐8 Ch.11‐18 lineCh.48
Ch.48 add/drop
Ch.1‐88 | Gr. 5
Ch.1‐88
Thin‐OADM
Ch.1‐88 line
WSS
WSS
Ch.1‐88
line
line Group 5
Group 5
Ch.42 Ch.41 add/drop add/drop
12
28‐6‐2013
10Gbps: Directe koppeling WSS
WSS pass through 1:5
Naar/van Asd001
1:5 Naar/van Asd002
CPL
10G TRX
10Gbps XFP Ethernet 10Gbps XFP G.709
10G TRX
5410 10G TRX
10G TRX
1G TRX
Van / naar instituten
100Gbps Express Nodes
13
28‐6‐2013
100Gbps ophanging WSS
WSS pass through 1:5
Naar/van Asd001
1:5 Naar/van Asd002
CPL
100G TRX
100G TRX
6500 100G TRX
10G TRX
10G TRX
100Gbps CFP G.709 10Gbps, SR, LR 100Gbps, SR10, LR4
Van / naar 5410
100Gbps • 100Gbps kent een Ld van 1km • Powerbudget komt onderwater te staan • Nieuwe beperking: PMD (Polarization Mode Dispersion) – Doordat glasvezel niet rond is!
Source: Tuhh.de
– Echter PMD is stochastisch! • Oplossing moet in de tijd PMD veranderingen compenseren
14
28‐6‐2013
100Gbps • Elektronische compensatie van dispersie, nietlineariteiten en PMD
Bij ontvanger
Pre‐compensatie
• Coherente modulatie technieken geven extra ontvangstgevoeligheid. – Vraagt wel om een hogere OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) – Echter meer vermogen zorgt voor meer niet-lineariteiten!
• FEC wordt verder verbeterd (Soft-Decission FEC)
100Gbps • Zag een zender en ontvanger er voor 10Gbps nog eenvoudig uit, voor 100Gbps: TX
Q RX
I
Sources: Kazuro Kikuchi, Springer
15
28‐6‐2013
Digital Signal Processing voor compensatie transmissie beperkingen
Source: Kazuro Kikuchi, Springer
En maken “Superchannels” (Structs vanaf 400Gbps) mogelijk:
8Tbps
• • •
• • •
80 lasers 320 modulatoren 25Gbaud Electronics
8 lasers 32 modulatoren 250 Gbaud Electronics
16Tbps
Vragen
16
