Collaudare apparecchiature per reti ottiche a 100 Gbit

MISURE OTTICHE –

La prossima comparsa di reti capaci di operare a velocità di 100 Gbit/s comporta l’insorgere di problematiche progettuali sempre più complesse per i costruttori di moduli e apparecchiature, che devono essere in grado di collaudare tutte le possibili configurazioni con un elevato grado di precisione.

In passato, la richiesta di tecnologie di networking ad alta velocità sempre più evolute ha avuto origine a livello di reti dorsali (backbone) e su lunga distanza (long-haul) per soddisfare i requisiti dei carrier che gestiscono reti core di ampie dimensioni. Al giorno d'oggi, la necessità di maggiori velocità a livello di reti d'accesso e metropolitane è del tutto assimilabile a quella delle reti core e sta facendo aumentare la richiesta di apparecchiature ad alta bit rate (fino a 100 Gbit/s Ethernet nel prossimo futuro) come pure di apparecchiature di trasporto ottico per le trasmissioni su lunga distanza. Sulle reti di accesso e metropolitane, caratterizzate da distanze molto più brevi, applicazioni quali Video-on-Demand generano domanda, da parte degli utenti, di programmi ad alta definizione, mentre il settore dello Storage Area Networking (relativo cioè a quelle reti appositamente dedicate al compito di trasportare i dati per la memorizzazione e il recupero online) su distanze comprese tra 3 e 10 km rappresenta un'altra applicazione destinata a far aumentare questa domanda. Il costante aumento della velocità di Internet e della quantità di dati scambiati ha senza dubbio stimolato la richiesta di velocità sempre maggiori sulle connessioni Ethernet utilizzate dai punti di interscambio Ixp (Internet Exchange Point). Tutto ciò ha contribuito alla necessità di velocità di trasferimento dati (bit rate) maggiori rispetto a quelle offerte dalle attuali connessioni ottiche OC-192 (10 Gbit/s) o 10 GB Ethernet. L'Hssg (High Speed Study Group) che si sta occupando dello standard IEEE802.3ba, e i team di ricerca presso l'Itu-T, stanno concentrando la loro attenzione sull'aumento a 40 Git/s e 100 Gbit/s delle velocità di trasmissione dei dati sulle reti. A livello di reti Wan, Itu-T sta già lavorando su progetti che prevedono l'incapsulamento di 10 GB Ethernet e 100 GB Ethernet nelle connessioni Wan di trasporto ottico a una velocità pari a 112 Gbit/s. Secondo i principali carrier e operatori di rete operanti su scala mondiale, per poter soddisfare le richieste degli utilizzatori è necessario assicurare velocità di 100 Gbit/s entro il 2010, sfruttando però le fibre ottiche già esistenti.

L'evoluzione tecnologica verso i 100 Gbit/s
Per le trasmissioni su lunga distanza nelle reti di trasporto ottiche esiste un certo numero di ostacoli relativi alle prestazioni della fibra ottica. I carrier vogliono garantire una maggiore velocità di trasferimento dati senza dover installare nuove fibre. La presenza di problemi imputabili a fenomeni quali la dispersione cromatica (Chromatic Dispersion) e la dispersione dei modi di polarizzazione (Polarisation Mode Dispersion) significa che non tutte le fibre attualmente installate possono garantire la qualità della trasmissione per velocità di trasmissione maggiori di 10 Gbit/s utilizzando la tradizionale modulazione on/off. Sebbene per affrontare tali problematiche siano stati suggeriti accorgimenti quali l'uso di tecniche Fec (Forward Error Correction) e di compensazione della Pmd, è anche necessario aumentare il rapporto tra segnale e rumore ottico o Osnr (Optical Signal Noise Ratio) per mantenere le distanze di trasmissione in presenza di maggiori velocità di trasmissione dati e di maggiore densità di lunghezze d'onda utilizzate. Ciò va ad aggiungersi al costo delle apparecchiature, in quanto richiede una potenza di funzionamento più elevata.
Nuove tecniche di modulazione come ad esempio Dqpsk (Differental Quadrature Phase Shift Keying) o DP-Qpsk (Dual Polarization - Quadrature Phase Shift Keying) rappresentano una soluzione alle problematiche appena esposte in quanto consentono di effettuare la trasmissione a una velocità di simbolo inferiore rispetto alla velocità di trasferimento effettiva dei dati. Utilizzando un segnale di modulazione a 50 Gbit/s per ciascuna delle due componenti I e Q, la modulazione Dqpsk permette di ottenere una velocità di simbolo pari alla metà della velocità di trasferimento dati. Applicando la modulazione alle due componenti I e Q per entrambe le onde di modulazione P e S, e utilizzando un segnale a 25 Gbit/s come segnale di modulazione, la modulazione DP-Qpsk permette di ottenere una velocità di simbolo pari a ¼ della velocità di trasmissione dati. Velocità di trasmissione di simbolo inferiori permettono di ridurre le problematiche legate alla dispersione cromatica, alla dispersione dei modi di polarizzazione e al rapporto segnale/rumore ottico. Come contropartita, però, le tecniche di modulazione contribuiscono ad aumentare la complessità circuitale. Quindi sussistono alcune incertezze relativamente al tipo di apparecchiature e di schema di modulazione da utilizzare nei sistemi di trasporto ottico operanti a 100 Gbit/s per le applicazioni “carrier-class”.
La medesima ambiguità si ritrova anche a livello di realizzazione delle apparecchiature 100 GB Ethernet da utilizzare per le reti “client”. Attualmente sono in fase di valutazione alcune proposte che spaziano da 100GBASE-R10 - che prevede l'uso di 10 lunghezze d'onda con o senza algoritmi FEC - a 100 GBASE-R4 - che contempla l'impiego di 4 lunghezze d'onda a 25 Gbit/s l'una - fino ad arrivare a 100GBASE-R seriale operante a 100 Gbit/s utilizzando una singola lunghezza d'onda. La soluzione ideale, ovvero incrementare la velocità di trasmissione a 100 Gbit/s utilizzando una trasmissione seriale su una singola forma d'onda è al di là delle possibilità tecniche attuali. Nella Fig. 1 vengono riportare le configurazioni in fase di valutazione da parte di Ieee 802.3ba Hssg per realizzare connessioni Ethernet a 100 Gbit/s utilizzando un insieme comune di apparecchiature di rete e moduli per distanze dell'ordine di 10 metri (su cavi in rame), 100 metri (su fibra multimodale) e 10 o 40 km (su fibra monomodale). Sebbene la configurazione 10x10 GB sia considerata la più semplice dal punto di vista tecnico, essa richiede ai fornitori di mantenere un gran numero di porte presso la centrale telefonica. Ciò si traduce in un aumento dei costi in termini di apparecchiature installate. Da qui l'esigenza da parte dei fornitori di servizi di disporre di apparecchiature operanti a velocità più elevata che permettano di ridurre il numero delle porte installate presso la centrale telefonica e diano la possibilità di collegarsi direttamente con i server video in modo da garantire maggiore efficienza nella fornitura di servizi quale ad esempio VoD ad alta definizione. Le configurazioni 10x10Gb e 4x25 Gb su più lunghezze d'onda nella medesima fibra sono quindi valutate con estrema attenzione da parte dei maggiori fornitori.
A questo punto è necessario prendere in considerazione un requisito ancora più importante: alcune delle fibre già installate possono non risultare in grado di supportare la spaziatura di 50 GHz delle lunghezze d'onda, standardizzata per la trasmissione a 10 Gbit/s, quando la trasmissione avviene utilizzando le configurazioni 10x10 Gb o 4x25 Gb. Gli operatori e i carrier hanno iniziato a considerare questo come un requisito critico al quale i produttori devono attenersi.

Collaudo accurato, economico e flessibile
I produttori di moduli e apparecchiature di rete per applicazioni Ethernet a 100 Gbit/s e reti core devono essere in grado di collaudare tutte le configurazioni appropriate e seguire le evoluzioni in termini di standard e di soluzioni tecniche. I costruttori di strumenti di misura e collaudo devono quindi affrontare una triplice sfida: rendere disponibili soluzioni di collaudo avanzate nel momento in cui la tecnologia non è stata ancora standardizzata; garantire i livelli di flessibilità necessari per soddisfare tutti i possibili setup di collaudo richiesti, e assicurare la massima flessibilità di aggiornamento delle piattaforme di test per seguire le varie fasi dell'evoluzione tecnologica. Per tali ragioni le piattaforme di collaudo esistenti, come ad esempio i tradizionali Bert (Bit Error Rate Tester) utilizzati per le apparecchiature operanti a 10 Gbit/s, devono evolvere verso un concetto più moderno di analizzatore della qualità del segnale, che offra la capacità di supportare i collaudi relativi a tutti i possibili schemi di modulazione, e allo stesso tempo flessibilità e scalabilità necessarie per collaudare differenti configurazioni di trasmissione. Tra le funzionalità di maggior rilievo, da segnalare un elevato grado di libertà per ottimizzare la definizione di specifici pattern di test, un accurato controllo di caratteristiche quali sincronizzazione del canale e analisi del disallineamento (skew) tra dati e clock, e disponibilità di tool integrati capace di aumentare la velocità e l'efficienza nel corso del collaudo di complesse unità a più canali. Durante il collaudo della trasmissione a livello fisico per segnali aggregati (10x10 Gbit/s, 2x20 Gbit/s, 4x25 Gbit/s) i principali parametri di componenti e apparecchiature) sono i seguenti:

  • sincronizzazione del canale;
  • tolleranza allo skew del canale;
  • gestione del crosstalk all'interno dei componenti;
  • rapporto tra costi e prestazioni di soluzioni alternative per la modulazione del segnale;
  • tolleranza al jitter per la gestione del clock del segnale;
  • interferenza tra le lunghezze d'onda della fibra nella spaziatura a 50 GHz.

Nel collaudo dei segnali, relativamente alle apparecchiature e ai componenti utilizzati per migliorare l'efficienza della trasmissione su lunghe distanze, i principali parametri da collaudare sono:

  • dispersione cromatica;
  • dispersione dei modi di polarizzazione;
  • rapporto segnale/rumore ottico.

La necessità di generare e analizzare più canali richiede un Sqa (Signal Quality Analyzer) in grado di assicurare la massima flessibilità in termini di configurazione, sincronizzazione del clock su linee multiple e sincronizzazione del pattern su tutti i canali. La sincronizzazione del canale e l'effetto dello skew hanno un impatto sulla qualità del segnale dopo la modulazione ottica, sull'efficienza della trasmissione su lunghezze d'onde multiple e sull'accuratezza della trasmissione attraverso circuiti ad alta velocità. La presenza di una seppur lieve differenza nelle lunghezze del percorso del segnale in uno dei canali di trasmissione genera un disallineamento che ha effetti importanti. Un segnale a 20 Gbit/s, per esempio, ha un ciclo di 1 bit di 50 ps, che è equivalente a una lunghezza di percorso pari a circa 1 cm. Per un adeguato collaudo della modulazione e della demodulazione, lo strumento di misura deve essere in grado di garantire una corretta sincronizzazione della temporizzazione del pattern, oltre a fornire i mezzi per valutare la tolleranza allo skew sul lato ricevitore dell'apparato in fase di test. Oltre a ciò, gli effetti del crosstalk generati dai differenti canali all'interno di componenti di trasmissione attiva dipendono in misura rilevante dalla sincronizzazione e dallo skew tra i canali. Un Sqa deve quindi essere in grado di assicurare la sincronizzazione dei pattern e garantire la generazione/compensazione di uno skew pari ad almeno ± 1 bit tra i canali per analizzare l'affidabilità degli schemi di modulazione/demodulazione e dei componenti da utilizzare per le realizzazioni pratiche. Il collaudo e la simulazione degli schemi di modulazione richiedono pattern complessi per il modulatore e il pre-codificatore (pre-coder). L'Sqa deve mettere a disposizione funzionalità di programmazione ad alta risoluzione per i pattern definiti dall'utilizzatore. Una risoluzione fino a 1 bit è indispensabile per ottimizzare in maniera efficace i pattern programmabili quando si devono collaudare velocità tra 10 e 40 Gbit/s e superiori. Le funzioni di precodifica e codifica integrate nell'Sqa MP1800A di Anritsu permettono di ridurre drasticamente i costi di ricerca e sviluppo per le reti core a 40G e 100G così come il time-to-market, grazie al supporto della generazione automatica dei segnali di modulazione necessari per la valutazione delle tecnologie di modulazione ottica 100G DP-QPSK e 40G DQPSK, DPSK e ODB.
I nuovi segnali ad alta velocità prevedono che i componenti in fase di collaudo ricevano una potenza di ingresso maggiore di quella necessaria per gli attuali segnali a 10 Gbit. La necessità di amplificare la potenza può complicare ulteriormente l'operazione di collaudo in quanto è necessario tenere in considerazione le caratteristiche dell'amplificatore e ottenere risultati di test accurati. Al fine di evitare il ricorso a un amplificatore esterno, l'Sqa di Anritsu è in grado di generare di segnali di alta qualità ed elevata ampiezza, fino a 3,5 Vpp, con un'ampia gamma di capacità di regolazione per quanto riguarda ampiezza, cross point e soglia. Ciò consente all'Sqa di pilotare direttamente laser Eml (Electro-absorption Modulated Laser) a 25 Gbit/s ed effettuare valutazioni accurate di un'aggregazione di canali di tipo 4 x 25 Gbit/s. Un altro problema che si presenta durante il collaudo di moduli ottici di nuova generazione (CFP - 100G Form-factor Pluggable) e apparecchiature operanti a 100 Gbit/s è rappresentato dal fatto che è necessario garantire l'interoperabilità tra apparecchiature e moduli di produttori differenti. Tra le più importanti problematiche da affrontare si possono annoverare il controllo e la tolleranza allo skew delle linee e al jitter del segnale, imputabili a fattori quali ritardo di propagazione del percorso di trasmissione, lunghezza della fibra, lunghezza del pattern del Pcb, lunghezza del cavo e ritardo di propagazione nel circuito integrato. Il modulo Pma esegue il demultiplexing di 10 linee a 10 Gbit in 20 linee a 5 Gbit e un successivo multiplexing in 4 linee a 25 Gbit. Nel modulo Cfp non viene eseguito alcun controllo dello skew, quindi al modulo Mld dell'apparecchiatura è affidato il compito di controllare e compensare qualsiasi fenomeno di skew esistente tra i canali. Un valore aggiunto di notevole importanza che contraddistingue l'Sqa di Anritsu è dato dal fatto che lo strumento consente i collaudi di verifica dell'interoperabilità, come l'analisi simultanea di tolleranza allo skew del segnale su canali multipli, secondo le strutture di demultiplexing e multiplexing del modulo Pma, come definito dallo standard. Oltre a ciò, è necessario applicare pattern di test specifici al dispositivo in fase di collaudo ed eseguire l'analisi sul lato ricevitore dell'Sqa. Per eliminare gli errori nella generazione dei pattern di test e consentire di effettuare il collaudo di ciascuna unità in tempi brevi, Anritsu sta mettendo a punto pattern di test da pre-caricare nell'Sqa MP1800A in modo da rendere disponibile un mezzo economico e conveniente ai costruttori di apparecchiature e moduli per applicare sequenze conosciute conformi agli standard, e accordarsi su metodologie di test comuni tese a garantire l'interoperabilità. L'Sqa MP1800A è anche in grado di collaudare la tolleranza al jitter per il modulo in fase di test mediante la generazione del jitter su tutti i canali di segnale.

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