cap.02 sistemas v10

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2 – Sistemas Tecnologia DWDM

Padtec S/A © 2012 Todos os Direitos Reservados Cap. 2 - 2

Conteúdo - Módulos

• Apresentação Institucional;• Sistemas DWDM;• Descrição dos produtos da

Plataforma DWDM da Padtec;• Topologia da Rede de

Gerência;• Configuração do Supervisor de

Transponder Pai e do Canal de Supervisão;

• Gerência Local da Padtec;• Controle automático de Ganho

para amplificadores ópticos;

• Configurador de Amplificadores ópticos;

• Cuidados de operação com os amplificadores ópticos;

• Optical Transport Network (OTN) - G.709 ITU-T;

• Gerenciamento de falhas na rede de transmissão da Padtec – simulação de falhas;

• Avaliação do treinamento.


Tópicos

Princípios de Transmissão WDM Evolução de Sistemas Monocanal para Sistemas DWDM Amplificados

Tecnologias que Viabilizaram Sistemas DWDM Fibras Ópticas Lasers Amplificadores Ópticos

Limitações de Sistemas DWDM com Amplificação Óptica Dispersão Cromática Polarization Mode Dispersion (PMD) Efeitos Não-Lineares


Tópicos





Transmissão Óptica – Sistemas Monocanais

Site 1

Exemplo: SDH STM-16 (L.16-2)

2,5 Gb/s sobre 1 par fibra de ~ 90 km

-2 dBm -28 dBmTX RX

RX TX

Site 2


Amplificadores Ópticos para alcançar maiores distâncias de transmissão

12 dBm -28 dBm RX

RX

AO

AO

Booster (EDFA)



Site 1


Site 2


Booster + Pré EDFA

12 dBm -38 dBm

RX

AO

AO

Pré-amplificador (EDFA)

AO

AO

Booster (EDFA)



Site 1


Site 2


Booster + Pré + 4 Linhas EDFA

RX

AO

AO

AO

AO

AO

AO

Linha (EDFA)

...

...


Como aumentar a capacidade dos Sistemas?

Duas alternativas:

• TDM: Time Division MultiplexingMultiplexação por Divisão de Tempo

• WDM: Wavelength Division MultiplexingMultiplexação por Divisão de Comprimento de Onda



•Combina tráfego de múltiplas entradas em uma única saída de alta capacidade de transmissão•Permite alta flexibilidade no gerenciamento de tráfego•Requer funcionalidade de mutiplexação elétrica•Atualmente limitado a 40 Gbit/s (STM-256)•Maiores taxas de bit são muito suscetíveis a problemas de dispersão

Transmissão de bytes entrelaçados em um único comprimento de onda



•Uma forma de multiplexação por divisão de frequência (FDM)•Integra tráfego óptico sobre uma única fibra óptica•Permite alta flexibilidade em expansão de largura de banda •Reduz funções custosas de multiplexação e demultiplexação elétrica

Usa múltiplos comprimentos de onda sobre uma única fibra óptica

Independênciade taxas de bite formatos

DWDM = Dense WDM e CWDM = Coarse WDMDWDM = Dense WDM e CWDM = Coarse WDM


Sistemas DWDM

Site 1


Site 2

Booster + Pré + 4 Linhas EDFA

AO

AO

AO

AO

AO

AO ...

...

λ1

λ2

λ3

λN

MU

X Ó

PT

ICO

DE

MU

X Ó

PT

ICO M

UX

ÓP

TIC

O

λ1

λ2

λ3

λN

DE

MU

X Ó

PT

ICO


Sistemas DWDM – Alta Capacidade

De 2.5 Gb/s por fibra, 90 km ...

… Para 6,4 Tb/s por fibra, 500 km160 canais de 40 Gb/s


Sistemas DWDM - Comparação

SDH SDH

SDH SDH

SDH SDH

SDH SDH

SDH SDH

SDH SDH

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

3R

32 Clientes 64 Fibras + 224 Regeneradores SDH (3R)

Solução TDM para 600 km


Sistemas DWDM - Comparação

32 Clientes 2 Fibras + Transponders + Amplificadores Ópticos

Solução DWDM para 600 km


Tópicos





Fibras Ópticas

Núcleo

Casca

Capa (plástico)Visão espacial

Seção transversalEstrutura:

125µm (casca)

8-10µm (núcleo)Fibra monomodo:


Fibras Ópticas MonomodoStandard Single Mode Fiber (SMF)

Dispersão zero em 1310 nm ITU-T G.652

Dispersion-Shifted Fiber (DSF) Curva de dispersão deslocada para comprimentos de onda superiores

para ter dispersão zero em 1550 nm Sistemas ópticos com um lambda em 1550 nm ITU-T G.653

Non-Zero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF) Uma pequena dispersão é introduzida na janela de 1550 nm para

evitar o principal efeito não linear: Four Wave Mixing Sistemas DWDM de longo alcance e com altas taxas de bit ITU-T G.655

Zero Water Peak Fiber Eliminação do pico de água (OH), abrindo toda a janela óptica de 1300

a 1600 nm Ideal para sistemas metropolitanos CWDM ITU-T G.652C


Fibras Ópticas Monomodo

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Ate

nu

ação (

dB

/km

)

1600 1700140013001200 15001100Lambda (nm)

EDFA

Atenuação(todas as fibras)

20

10

0

-10

-20

Dis

pers

ão (

ps/n

m×

km

)

NZDF

Zero-OH FiberElimina o pico de água

em 1385 nm

Dispersion-Shifted Fiber

Standard Single-Mode Fiber


1ª Janela 2ª Janela 3ª Janela

Band

a C

152

0-15

70

Band

a L

157

0-16

20

Fibras Ópticas – Bandas de Transmissão

Ordem cronológica de uso de transmissores comerciais:

1- Para a 1ª janela: 850 nm (aprox. 80 nm de banda)2- Para a 2ª janela: 1310 nm (aprox. 150 nm de banda)3- Para a 3ª janela: 1550 nm (aprox. 160 nm de banda)


Laser

Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

• Evolução de Lasers Semicondutores• Alta potência de transmissão• Distribuição espectral estreita (alguns MHz)• Alta confiabilidade• Modulação direta ou externa • Disponível para aplicações com altas taxas de bit• Distributed Feedback (DFB) – utilizado em Sistemas DWDM


Laser – Modulação para taxas até 10Gb/s

Em sistemas ópticos, o processo de modulação consiste em transformar sinais elétricos em sinais ópticos capazes de se propagar pela fibra. Através da modulação em amplitude as informações são transformadas em luz. O método de modulação mais simples é a modulação ON-OFF (OOK, On-Off Keying) que pode ser utilizada para sistemas de até 10 Gb/s.

0 1 1 1 10 0 tempo

Pot. Óptico

0 1 0

0 1 1 1 10 0 tempo

Pot. Óptica

0 1 0

Formato NRZnon-return-to-zero

Formato RZ 50%return-to-zero


Laser – Modulação

Modulação Direta (chirping) Modulação Externa (ou Integrada)

ModuladorÓptico

Laser

Pulsosópticos

Driver

Laser

Pulsosópticos

Driver

Tolerância àDispersão Cromática Mod. direta Mod. externa

2,5 Gb/s (STM-16) 1.800 ps/nm 10.000 ps/nm

10 Gb/s (STM-64/10 GbE) - 1.600 ps/nm


Laser – Modulação para 40 Gb/s

Desafios da transmissão 40G em relação à 10GA figura abaixo ilustra o que acontece com o um canal de 40 Gb/s se modulado utilizado modulação em amplitude (OOK – On Off Keying). Repare que a largura de banda ocupada pelo canal é inviável para sistemas DWDM com espaçamento de 100 ou até 50 GHz.

Para 40 Gb/s:•Necessidade de outra técnica de modulação•Menor tolerância à PMD e dispersão cromática



Modulação em Fase (PSK)

tempo

Bit 0Bit 1 Bit 1 Bit 1

Inversão de fase Inversão de fase Mantem-se a fase



Formatos:

0π 0π

DPSK (Differential Phase Shift Keying)

DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying)



Formatos:

0π

40 G Coerente (com DSP) DP-QPSK (Dual Polarization - Quadrature Phase Shift Keying)

fase

Polarização LHC

Polarização RHC

LHC – Left Hand CircularRHC – Right Hand Circular

DSP- Digital Signal Processing


Amplificadores Ópticos

AOs EDFA mudaram as regras de projeto de sistemas ópticos

• Regiões Típicas de Operação:– Banda C: 1530 nm a 1560 nm– Banda L: 1575 nm a 1605 nm

• AO necessitam de lasers de bombeio: 980 nm e 1480 nm são os mais comuns

• Érbio é utilizado como componente dopante em amplificadores ópticos a fibra (EDFA = Erbium Doped Fiber Amplifier)

• Amplified Spontaneous Emission (ASE) é um ruído faixa larga gerado pelo AO

• Potência por canal óptico em sistemas com N canais:PCANAL = PTOTAL – 3 x log

2N



0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Ate

nu

ação (

dB

/km

)

1600 1700140013001200 15001100

Lambda (nm)

Transmissão em 1550 nm:Região de perda mínima na fibra e

de atuação de EDFAs

Banda EDFA (C e

L)

Limite teórico



• Amplificadores Ópticos degradam a OSNR devido à geração de ASE

Figura de Ruído (dB) = (OSNR)entrada (dB) - (OSNR)saída (dB)

• Portanto para uma determinada OSNR deve-se ter um número limitado de AOs cascateados (spans)

• Para amplificadores de linha: uso de AOs de multi-estágios otimizados- Primeiro estágio otimizado para baixa figura de ruído Segundo estágio otimizado para alta potência de saída

AO AO AO AOAOspan span spanspan



Bombeio

Sinal deEntrada

Sinal deSaída

Fibra dopada com Er3+

IsoladorÓptico

IsoladorÓptico

IsoladorÓptico

Primeiro estágio(baixa figura de ruído)

Segundo estágio(alta potência)

Bombeio

Fibra dopada com Er3+



OSNR


Tópicos





Causas da Degradação do Sinal

Atenuação

AO AO

λ

λ

λ

λ

MU

X Ó

PT

ICO

AO AO



Emissão Espontânea

AO AO

λ

λ

λ

λ

MU

X Ó

PT

ICO

AO AO

Ruído ASE



Dispersão

AO AO

λ

λ

λ

λ

MU

X Ó

PT

ICO

AO AO

Distorção

t



Efeitos Não-Lineares

AO AO

λ

λ

λ

λ

MU

X Ó

PT

ICO

AO AO

EspalhamentoDistorçãoCrosstalk

nm


1

tempo

1 0Sinal original

tempo

Saída do Transmissor

tempo

Entrada do Receptor

tempo

111Sinal regenerado

Dispersão Cromática (DC)

Efeito e consequências• O índice de refração tem um fator dependente do comprimento de onda, portanto as

diferentes componentes de frequência dos pulsos ópticos se propagam em velocidades distintas (as frequências mais altas propagam-se mais rapidamente que as frequências mais baixas)

• O efeito resultante é um alargamento temporal dos pulsos ópticos e uma consequente interferência entre estes pulsos

• Muita Dispersão Cromática Acumulada pode causar taxa de erro no sinal recebido



nm

λc

fc = 193,1 THz

ou1552,52 nm

λa λb

Faixa espectral de emissão de um laser

V = velocidade de propagação no meioc = velocidade da luz no vácuon = índice de refração do meio



nm

λc

fc = 193,1 THz

ou1552,52 nm

λa λb

Faixa espectral de emissão de um laser

Se n varia, a velocidade de propagação de cada comprimento

de onda também varia

Assim, λa trafega mais rapidamente na fibra

que λb (e chega primeiro no receptor)

t


Dispersão Cromática (DC)D

ispe

rsão

(ps/

nm)

Span (km)0 80 160 240 320 400 480

1600

1200

800

400

0

SSM

F

DCM

NZDFCoeficientes

SSMF = 17 ps/nm.kmNZDF = 4,4 ps/nm.km

• Módulos Compensadores de Dispersão (DCMs) são usados para estreitar os pulsos ópticos corrigindo a Dispersão Cromática e evitando suas consequências

• Os DCMs atuam sobre todos os lambdas de um sistema DWDM

• Possuem pequena perda de inserção

• Para fibra SSMF é necessário um maior número módulos DCMs

Alternativa

DCMt

DispACUMULADA = CoefDC X LFIBRA



Alternativa• Uso de DCMs (Módulos Compensadores de Dispersão Cromática)

• DCM: Posicionado entre os 2 estágios de amplificação do amplificador de linha.

80km - SMF 80km - SMFLOA LOA

DCM DCM

80km - SMFPré DCM

• DCM: Posicionado após um pré-amplificador.


PMD – Polarization Mode Dispersion

O plano de oscilação do campo eletromagnético é uma combinação de dois planos principais de oscilação (x e y), que definem os modos de polarização da luz

Um campo E é a soma vetorial dos componentes Ex

e Ey

x

y

z

EyEx



Simetria não perfeita da fibra óptica (núcleo da fibra não perfeitamente concêntrico) causa uma diferença entre as velocidades de propagação dos dois modos de polarização na fibra resultando no alargamento do pulso óptico.

Atraso de propagação entre os modos de polarização (DGD)

x

y

z

Ey

Ex



•Nas fibras comuns, os estados de polarização não se mantêm, isto é, modificam-se de acordo com movimentações e variações na temperatura da fibra

•Como não se tem controle destes parâmetros, a medida da PMD torna-se bastante complexa

•PMD - Medida estatística da penalidade

•Importante para sistemas a partir de 10 Gbit/s.

•Tecnologias recentes de fabricação produzem fibras de baixo coeficiente de PMD (< 0,5 ps/(km)1/2)

•Penalidade apresenta-se como uma flutuação na taxa de erro



Causas


Relação DGD e PMD: mais complexa

O valor médio do DGD <Dt> é conhecido como a PMD da fibra

PMD = <Dt>

Deve-se representar a fibra como uma série de seções de birefringênciaconcatenada de fibra (a) separada por sites de acoplamento (b), isto é, locais ondeos eixos de birefringência de uma seção estão “girados” com relação a outra.


Distribuição (Maxwelliana) do DGD

PMD = <Dt> = PMDCoef x (L)1/2


Penalidade sistêmica

A relação entre o DGDmax e o PMD é referenciada como Fator de Segurança.Por ex., a rec.ITU-T G.691 provê uma tabela de referência com tais fatores.

Se o projetista quiser garantir que a probabilidade do DGD de um enlace de fibra exceder DGDmax seja menor que 4,2x10-5, então:

• Deve projetar o enlace com uma PMD que seja 1/3 do DGDmax e que este, por sua vez, seja somente 30% do período de bit (TB).

PMD < 0,3 x TB/3 = TB/10

DGDmax < 4,2x10-5 (99,9958% abaixo do máximo).



• Efeitos de Espalhamento Estimulados(associadas ao espalhamento)– Stimulated Brillouin Scattering (SBS) limitações na potência de tx– Stimulated Raman Scattering (SRS) crosstalk

• Efeitos devido à Variação no Índice de Refração(modulação do índice de refração pela variação na intensidade da luz)– Self Phase Modulation (SPM) alargamento espectral distorção– Cross Phase Modulation (XPM) alargamento espectral, crosstalk– Four-Wave Mixing (FWM) crosstalk

Amplificadores ópticos de alta potência podem gerar todos os efeitos não lineares acima, levando à degradação do desempenho do sistema óptico.

Amplificadores ópticos de alta potência podem gerar todos os efeitos não lineares acima, levando à degradação do desempenho do sistema óptico.


Retro-espalhamento Brillouin

Espalhamento Raman (SRS)

Fibra

AO

Canais

Provoca desequalização de canais

Alta potênciaParte da potência retorna

AO



Auto modulação de fase (SPM)

Fibra

AO

Canal

Provoca a distorção do canal.Acontece mesmo em sistema monocanal!

nmnm

Efeito de Mistura de Quatro Ondas (Four-Wave-Mixing)

AO

Canais DWDM

Depende da potência e do espaçamento entre canais Canais laterais


Grato!

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