KM3NET, Data and Control paths proposal

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KM3NET, Data and Control paths proposal Powered By Docstoc
					            Proposta per la distribuzione ibrida dei
             segnali di controllo e dati nella torre
                            Nemo

                           Saverio Minutoli
                        INFN Genova – KM3Net




Saverio Minutoli         NEMO Technical Board, LNS 9-10 Marzo 2009
                                            Premessa


              Dopo l’ultimo meeting tenuto ai LNS, si e’
               palesemente dichiarata la scarsa propensione della
               collaborazione francese ad adottare la trasmissione
               ottica come unica tecnologia per il layer fisico di
               trasmissione dati e controlli.
                   – Da esaustive prove effettuate nell’ambito di Antares, si e’
                     constatata la scarsa affidabilita’ dei connettori ottici
                     manipolati da ROV.
                   – Da questo know-how, viene osservato che non e’ il caso di
                     riutilizzarli nelle nuove applicazioni.


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                   Approccio al link ibrido elettro/ottico
   L’idea della proposta di connessione ibrida nasce unendo le informazioni provenienti
    dal completo ed esauriente documento preparato da Maurizio Bonori (basato su
    layer ottico) e l’osservazione dei colleghi francesi (vedi premessa).
   Il primo approccio alla struttura ibrida e’ stato introdotto studiando il dettagliato
    sistema proposto da Maurizio e sostituendo la fibra ottica con connessioni in rame.
    Si e’ evidenziato che:
        – Il sistema di trasmissioni prevede che per ogni piano la massa dei dati aumenta di circa
          100Mb/s (60 dati + 10 hydro + 30 overhead).
        – Essendo la topologia prevista del tipo a catena, implica che dopo al piu’ 7 piani, si
          raggiunge l’attuale limite di 750Mb/s@50m permesso dai cavi misurati (o individuati sul
          mercato) dalla collaborazione.
             • Questo comporta un buffering dei suddetti piani al piu’ ogni 50m fino a base torre.
                Inoltre il primo piano dista 100m, 2 volte la max distanza ammessa.
             • Perdite ovvie di potenza per l’amplificazione e shaping dei dati.
             • Inoltre per ogni gruppo di 7 piani bisogna iterare quanto sopra detto.
             • In caso di rottura di un piano, i dati dei precedenti ad esso sono perduti.
        – Il sistema di slow-control non ha il problema della bit rate, ma essendo anch’esso
          connesso a catena (onde convogliate sull’alimentazione), e’ soggetto in caso di rottura alla
          perdita di comunicazione dei piani isolati.

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                            Link ibrido elettro/ottico  TJB e dati

      La descrizione della connessione ibrida prevede:
            – I dati ed i controlli sono connessi ad un punto di accumulo
              (ThirdJunctionBox-TJB) attraverso connessioni a doppino di rame (o
              coassiale).
            – Ciascuna TJB gestisce 10 dei 20 piani previsti per ogni torre.
            – Ciascuna torre ospitera’ 2 TJB, posizionate:
                   • Per semplicita’ meccanica: sui piani 5 o 6, oppure 15 o 16.
                       – Max distanza tra TJB e piano piu’ lontano = 200m
                   • Per simmetria: tra i piani 5 e 6 la prima e, 15 e 16 la seconda.
                       – Max distanza tra TJB e piano piu’ lontano = 180m
      Ciascuna TJB e’ collegata alla SJB attraverso due fibre ottiche e due cavi
       per l’alimentazione (propria e dei nodi controllati).
      La trasmissione dei dati e’ basata su una connessione punto-punto, con
       TJB come nodo centrale della stella.
            – In ciascuna connessione punto-punto la max bit rate e’ quella relativa al
              piano 100Mb/s trasmissibile su rame senza particolari problemi fino alla max
              distanza di 200m.
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                          Link ibrido elettro/ottico  controlli

 La trasmissione dei controlli prevede due topologie di connessione:
   – Connessione punto-punto come per i dati
              • Protocollo half-duplex (TJB come master, Piano come slave)
                  – Can-Bus, ma anche I2C potrebbe essere un candidato.
              • Velocita’ di trasmissione bassa (~1Mb/s o poco piu’)
              • Semplificita’ di cablaggio, soltanto un doppino per nodo.
       – Connessione a ring (Token in – Token out)
              • Architettura dell’anello basato su network quali IBM token ring o FDDI.
              • Alta velocita di trasmissione. (40Mb/s, basato su LHC)
              • Cablaggio complesso, richiede 8 doppini per nodo (vedi slide successiva):
                  – 3 in nodo + 3 out nodo + 2 ritorno dati.
 Se la quantita’ dei dati da trasferire e’ bassa, allora la connessione punto-punto
  e’ certamente la preferita.  Semplicita’ cablaggio.
 Se la quantita’ di dati da trasferire e’ alta, allora la topologia ad anello e’
  preferita.  Cablaggio complesso.

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                        Proposta dati e controlli punto-punto (1)

 In definitiva la proposta piu’ semplice sembra essere quella punto-punto sia per i dati
  che per i controlli.
       – La ridondanza e’ insita nella tipologia di connessione. In caso di rottura di uno o piu’ nodi,
         soltanto i nodi interessati saranno perduti.
       – La TJB sara’ ovviamente un concentratore intelligente che gestisce le 10 linee di controllo dei
         piani e implementa l’algoritmo ADD&DROP per costruire il payload dei dati proposto nel
         documento di Maurizio.
 Per ogni piano necessitano le seguenti connessioni:
              • Un doppino per i dati
              • Un doppino per i controlli
              • Un doppino o due fili per l’alimentazione
 Assumendo che i 10 piani gestiti dalla TJB siano collegati ad essa come 2 blocchi di 5,
  allora servono due connettori (uno per ogni blocco) da 30 contatti lato TJB, mentre
  serve un connettore a 6 contatti per ogni nodo.
       – L’implementazione della topologia necessita dunque di un connettore da 30 contatti lato TJB
         stampato opportunamente, da dove fuoriescono 5 cavi da 6 connessioni cadauno.
       – Oppure, per evitare il cavo stampato da 30 pins, l’alternativa e’ avere 5+5 connettori da 6
         contatti nella TJB e ciascuno di essi collegato al rispettivo nodo.

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                         Proposta dati e controlli punto-punto (2)


            Tutti I connettori devono essere scelti, valutati e progettati
             insieme ad i progettisti e specialisti meccanici della struttura
             torre, che hanno gia’ affrontato le problematiche di questo tipo
             di connettori elettrici in ambito sottomarino.

            La proposta alternativa ad anello (Token-in , Token-out) del
             control path, al momento la metterei in standby.
             Principalmente per l’aumento significativo delle connessioni.
                   – Le connessioni aumentano principalmente per l’implementazione
                     della ridondanza del control path nel caso di un nodo rotto.
                   – Nel caso la quantita’ dei dati scambiati tra TJB e nodo sia
                     consistente, questa architettura potrebbe diventare una valida
                     opzione.


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 PMTs                                                              20                            Data and Control paths.
                          ADC
                                                                             120m               Twisted pairs cu wires

 Storey components sketch                   PMTs                   17
                                                                              40m
                                                                   16

Third Junction Box, 1 out of 10 petals connections.                                        20m
                                                                        40m          TJB         Max length = 180m
         = Power                                                                                 Min length = 20m
         = Data path                                                                      20m
         = Control path                                            15
                                                                              40m
        2x3 connessioni                     TJB                    14
                                                                              120m
                                                                   11                            Low Voltage,
                                                                              40m
Esempio di implementazione della dorsale                           10                            Data and Control paths.
                                                                                                 Twisted pairs cu wires
                 ibrida                                                       120m
•Le TJB sono posizionate in maniera simmetrica                     7
•Le connessioni dati e controlli sono punto-punto                             40m
                                                                   6
•Per ogni TJB sono previsti 5+5 connettori
                                                                                           20m
destinati ai nodi                                                                                Max length = 180m
                                                                        40m          TJB
                                                                                                 Min length = 20m
                                                                                           20m
        Power                                                      5
                                                                              40m
                                                                   4
  Copper wire
                                                                              120m
                                                      2            1
   Optic fiber                  PJB   pwr    SJB          2
                                                                  Storey      100m                              8
                                                                  number
                                Module Skip Redundancy
 Schema di principio dell’architettura di ridondanza nel caso della topologia del Control
  Path del tipo ad anello o Token in – Token out.



            Out

                      Nodo n-1              Nodo n              Nodo n+1       Nodo n+2
      Control path
                                Secondary
       controller


          TJB
                          CCU




                                               CCU




                                                                    CCU




                                                                                 CCU
            In


                                                                                          Primary




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                                  Scheda di test control path


     Equalizer     Clock & Data
                     recovery                                                   Encoder   Driver
                                    PLL

                                                         CCU

     Equalizer     Clock & Data
                     recovery                                                   Encoder   Driver

                                    PLL




Il gruppo di Genova sta realizzando una scheda dedicata allo studio del control pat

Test con differenti configurazioni:
   o Cables/Equalizers/Drivers
   o Encoderes
   o Speed
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                                               Conclusioni

 Il sistema ibrido proposto puo’ rispondere alle richieste del sistema
       –    In termini di Bit Rate
       –    Distanza tra nodi
       –    Affidabilita’ e robustezza.
       –    Minime perdite in caso di rottura di un nodo.
       –    Eliminazione quasi “totale” delle fibre ottiche, con conseguente riduzioni delle
            problematiche ad esse associate nell’ambito di installazione dell’esperienza.
 Ulteriori test saranno eseguiti su cavi in condizioni di ambiente simulato
       – Scheda in lavorazione a Genova (al momento con priorita’ bassa).
       – Utile uno scambio di informazioni per meglio direzionare i tests.
 La proposta ovviamente necessita’ di un processo di iterazioni successive,
  soprattutto con gli esperti che hanno gia’ affrontato il progetto sia dal punto di
  vista elettrico, elettronico e meccanico.



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