1923. Primo diodo ad emissione di luce (O. V. Lossew).

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1 PROSPETTIVA STORICA Alexander Graham Bell ( ) inventa il fotofono (1880): un segnale ottico viene modulato attraverso la riflessione su una membrana posta in vibrazione da onde acustiche di pressione in aria. Ancora, è un sistema di trasmissione in aria. L idea viene presto abbandonata. -31-

2 PROSPETTIVA STORICA Primo diodo ad emissione di luce (O. V. Lossew) Primo brevetto (AT&T) per un sistema di comunicazione ottico guidato da un mezzo trasparente (vetro). Nasce il concetto di fibra ottica, ma il vetro disponibile non è ancora sufficientemente trasparente per permettere applicazioni pratiche. Bisogna aspettare il 1960 per avere il primo sistema assemblato in laboratorio con componenti pratiche Primo laser a gas Primo laser a semiconduttore Abbattimento dell attenuazione in fibre di vetro da 1000 db/km a meno di 20 db/km (brevetto Corning). -32-

3 PROSPETTIVA STORICA Primi anni 70. La contemporanea disponibilità di diodi laser e fibre in vetro a bassa attenuazione porta allo sviluppo dei sistemi di comunicazione ottica (telecomunicazione su lunghissime distanze). Anni 80. La diminuzione dei costi di fibra e dei sistemi di trasmissione/ricezione apre nuove campi di applicazione: Local Area Networks, applicazioni audio HiFi, applicazioni automobilistiche, strumentazione, sensoristica fisica e chimica. -33-

4 PROSPETTIVA STORICA Vantaggi della fibra ottica rispetto a spazio libero e cavi coassiali: Vs. Spazio libero - Nessun problema di allocazione di banda o restrizioni sul tipo di modulazione e potenza del segnale (il numero di canali per la trasmissione via etere è fisicamente limitato: oggi per possedere una trasmittente radio o TV bisogna comprarla da chi già la possiede). Vs. Cavo coassiale - Bassa attenuazione e elevata larghezza di banda. La bassa attenuazione permette di ridurre sensibilmente il numero di ripetitori (ripristinano il livello di potenza del segnale). L elevata larghezza di banda consente il passaggio inalterato del segnale senza bisogno di equalizzazione. -34-

5 PROSPETTIVA STORICA La fibra di vetro è un dielettrico: non risente di disturbi elettromagnetici esterni (Electro Magnetic Interferences EMI). Nessuna interferenza o errore in ambienti difficili, per esempio in presenza di motori elettrici impulsati. La radiazione è confinata all interno della fibra: non è possibile intercettare le informazioni (militari, bancarie, etc.) tramite accoppiamento induttivo (usato per i cavi in rame). gestione del tipo segnale determinata in modo puramente tecnico (nessuna agenzia di regolamentazione). -35-

6 PROSPETTIVA STORICA Elevata sicurezza intrinseca: impossibile provocare shock elettrico a persone, nessun pericolo di incendio per scintillazione da arco voltaico (uso adatto ad ambienti saturi di sostanze chimiche esplosive). Ingombro e leggerezza: un sistema di comunicazione a fibra ottica pesa circa 30 volte meno dell equivalente in cavi di rame. una singola fibra può trasportare tutta l informazione di un cavo formato da 900 coppie di filo di rame. -36-

7 PROSPETTIVA STORICA Le fibre ottiche sviluppate nel corso degli anni appartengono a una serie di generazioni legate strettamente alla lunghezza d onda. La curva superiore tratteggiata corrisponde ai primi anni 80, quella a puntini agli ultimi anni 80, e quella a tratto continuo è relativa alle fibre attuali. Le prime fibre furono sviluppate per lavorare ad una lunghezza d onda di circa 850 nm, che corrisponde alla prima finestra ( first window ) in una fibra ottica basata su silicio. Questa finestra si riferisce ad una lunghezza d onda che presenta basse perdite ottiche e si trova tra diversi picchi di assorbimento la cui causa principale è il residuo di umidità presente nel vetro della fibra e lo scattering di Rayleigh. -37-

8 PROSPETTIVA STORICA La regione intorno agli 850 nm fu inizialmente interessante perché la tecnologia dei dispositivi emettitori di luce a quella lunghezza d onda era già ben consolidata. Erano inoltre disponibili rivelatori al silicio a basso costo. Gli sviluppi tecnologici successivi la resero meno appetibile, a causa del limite dovuto a perdite relativamente alte in fibra (3 db/km). Molte industrie passarono alla seconda finestra a 1310 nm con attenuazioni più basse (0.5 db/km). Nel 1977, la Nippon Telegraph and Telephone (NTT) sviluppò componenti per la terza finestra a 1550 nm, che offre le perdite minime per fibre basate sul silicio: circa 0.2 db/km. -38-

9 PROSPETTIVA STORICA Attualmente sistemi a fibre ottiche a 850 nm, 1310 nm e 1550 nm sono fabbricati e installati insieme a sistemi a basso costo per brevi tratte che sfruttano la luce visibile intorno ai 660 nm. Ciascuna lunghezza d onda ha i suoi vantaggi; lunghezze d onda elevate offrono prestazioni migliori, ma a costi maggiori: I collegamenti (link) più corti possono essere realizzati con lunghezze d onda di 660 nm o 850 nm. I link più lunghi richiedono sistemi a 1550 nm. Una quarta finestra è in via di sviluppo, intorno ai 1625 nm; le perdite non sono significativamente minori della terza finestra, ma può risultare molto utile in sistemi di comunicazione a lunghezza d onda multipla. -39-

10 PROSPETTIVA STORICA Tra i primi a servirsi della fibra ottica, per le sue qualità di velocità e sicurezza, furono i militari degli Stati Uniti. Nei primi anni 70, l U.S. Navy dotò di un sistema telefonico a fibre ottiche la nave U.S.S. Little Rock. Seguì l Air Force che avviando il suo programma Airborne Light Optical Fiber Technology (ALOFT) nel I successi di queste applicazioni incoraggiarono il finanziamento di numerosi programmi di ricerca per sviluppare fibre più resistenti, cavi adatti alle zone di guerra, componenti ad alte prestazioni e numerose applicazioni dal campo aeronautico fino ai sommergibili. -40-

11 PROSPETTIVA STORICA Presto seguirono applicazioni commerciali. Nel 1977 AT&T e GTE istallarono sistemi telefonici a fibre ottiche a Chicago e Boston, rispettivamente. Queste applicazioni di successo condussero ad un incremento delle reti telefoniche su fibra ottica. All inizio degli anni 80 le fibre ottiche single-mode, operanti nelle finestre a 1310 nm e più tardi a 1550 nm, divennero lo standard per le reti telefoniche. Inizialmente il mondo dell Information Technology fu lento nell assimilare I sistemi a fibra ottica, oggi largamente usati per le loro doti di leggerezza, resistenza alle scariche atmosferiche e sopratutto per l elevata banda. -41-

12 PROSPETTIVA STORICA L industria del broadcasting e dello spettacolo abbracciò i sistemi a fibra ottica: Nel 1980, i gestori delle trasmissioni delle Olimpiadi Invernali di Lake Placid, New York, richiesero un sistema di trasmissione video su fibra ottica come sistema secondario di emergenza. Per la sua qualità e affidabilità, il sistema di emergenza divenne il sistema primario, rendendo le Olimpiadi Invernali del 1980 il primo evento trasmesso su sistemi a fibra ottica. Più tardi, nel 1994, le Olimpiadi Invernali di Lillehammer, Norvegia, divennero il primo evento di video digitale trasmesso su fibra ottica. A metà degli anni 80, il governo degli Stati Uniti deregolamentò il servizio telefonico, permettendo a piccole compagnie di competere con il gigante AT&T. Compagnie come MCI e Sprint rapidamente si resero operative istallando ovunque reti regionali a fibre ottiche. Avvantaggiandosi di linee ferroviarie, gasdotti, etc. queste compagnie stesero migliaia di chilometri di fibre ottiche per tutti gli anni

13 PROSPETTIVA STORICA E tuttavia sono ancora richiesti progressi tecnologici. Nel 1990, i Bell Labs trasmisero segnali a 2.5 Gb/s per una tratta di 7,500 km senza rigenerazione. Il sistema utilizzò un laser a solitoni e un amplificatore ottico all Erbio (Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA) che permise al segnale di giungere sufficientemente indistorto a destinazione. Nel 1998, ricercatori dei Bell Labs riuscirono a trasmettere 100 segnali ottici simultanei, ciascuno alla velocità di 10 Gb/s su una distanza di 400 km. In questo esperimento una tecnica detta Dense Wavelength-Division Multiplexing (DWDM) permette di combinare segnali a diverse lunghezze d onda in un unico segnale ottico, incrementando il tasso totale di trasmissione di una singola fibra fino 1 Terabit per secondo (10 12 bit per secondo). -43-

14 PROSPETTIVA STORICA: TENDENZE Oggi, la tecnologia DWDM continua ad essere sviluppata. Come la domanda di incremento di larghezza di banda per il traffico dati cresce, spinta dalla fenomenale crescita di Internet, sempre più si fa sentire l esigenza di passare a reti di comunicazione basate su fibra ottica. Oggi, ma probabilmente si tratta di dati già superati, più di mezzo miliardo di persone accede a Internet regolarmente. Circa 40 milioni di case sono collegate a Internet. Il world wide web ospita già più di 2 miliardi di pagine web, e quotidianamente vengono aggiunte circa 3.5 milioni di nuove pagine web. Proiezione dell incremento del traffico Internet -44-

15 PROSPETTIVA STORICA: TENDENZE Il fattore importante in questo sviluppo è l incremento della capacità di trasmissione della fibra, che è cresciuta di un fattore 200 nell ultimo decennio. A causa dell immensa larghezza di banda potenziale della tecnologia a fibra ottica, 50 THz o più, esistono straordinarie possibilità di applicazioni future. Attualmente, si stanno portando nelle case servizi a larga banda, per i dati, l audio e sopratutto il video. I servizi a larga banda disponibili per il mercato di massa aprono la possibilità di una larga varietà di comunicazioni interattive per consumatori e produttori, come video-on-demand, banking, shopping e l insegnamento a distanza interattivo. Crescita della capacità di trasmissione della fibra ottica -45-

16 RETI: CENNI Una rete connette tra loro un certo numero di sistemi. Lo scopo principale è permettere lo scambio di informazioni tra utenti. La tipica struttura di una rete digitale consiste di link punto-punto che connettono stazioni (per es. PC). Reti analogiche possono connettere sensori e processori di segnale. L informazione può essere analogica (per es. reti telefoniche analogiche), digitalizzata (per es. moderne reti telefoniche digitali, TV via cavo), oppure dati (per es. data base). L informazione è spostata attraverso la rete in risposta alla richiesta di un utente (per es. PC). Il reale cammino dei dati attraverso i nodi della rete è controllato dalla rete stessa. -46-

17 RETI: CENNI Un collegamento punto-punto è una singola connessione all interno di una rete. Il caso più semplice di link è un cavo tra due macchine, come un PC e una stampante. In questo caso minimo le attività di controllo della rete sono effettuate direttamente da appositi circuiti presenti nel PC e nella stampante. In grandi reti con centinaia di link le attività di rete sono eseguite da appositi circuiti elettronici a sé stanti. A livello intermedio, piccole reti di PC, apposite schede aggiuntive realizzano le funzionalità di rete. In tutti questi casi, ciascun link punto-punto connette esattamente due stazioni. -47-

18 RETI: CENNI Un collegamento punto punto realizza due funzioni: Traduce i dati in segnali fisici. Trasferisce questi segnali tra due stazioni. Esempio: un trasmettitore Ethernet traduce i dati digitali in livelli logici di tensione, e quindi trasmette i segnali di tensione lungo un cavo ad un ricevitore Ethernet, il quale converte questi segnali nuovamente in dati digitali. I circuiti elettronici di controllo nelle due stazioni forniscono gli opportuni segnali di controllo che indicano quando un dato può essere trasmesso, quando una stazione è pronta a ricevere un dato, quando una trasmissione e la conseguente ricezione è stata completata. -48-

19 RETI: CENNI Trasmettere una elevata quantità di dati in un breve intervallo di tempo richiede un sistema dotato di una elevata larghezza di banda. Ciò può essere fatto utilizzando: Un singolo link punto-punto con elevata larghezza di banda. Link multipli ciascuno con banda ridotta. Esempio: un carattere ASCII costituito da 8 bit può essere trasmesso come 8 bit seriali su un singolo filo (un bit dopo l altro), oppure in parallelo usando 8 fili, uno per ogni bit. A parità di velocità di trasmissione, la banda del collegamento singolo deve essere 8 volte la banda degli 8 collegamenti in parallelo. -49-

20 RETI: CENNI All aumentare della velocità di trasmissione dei dati, aumenta la probabilità di errore. La probabilità di errore di collegamenti a fibra ottica è notevolmente inferiore a quella di collegamenti con cavi di rame (doppino, cavo coassiale, etc.) a parità di velocità di trasmissione. Esempio: una fibra ottica è in grado di trasportare più di 5000 conversazioni telefoniche simultanee, contro la singola conversazione trasportabile su un doppino telefonico (twisted pair wiring). Un collegamento può essere sia in cavo che in fibra ottica, a patto che i requisiti elettrici di interfaccia siano soddisfatti. Gli standard di interfaccia definiscono: Livelli di segnale in tensione (o corrente) Temporizzazione Segnali di controllo. L implementazione fisica del link è trasparente per il computer, il sistema operativo e per l utente finale. -50-

21 RETI: CENNI Il Reference Model of Open System Interconnect (OSI), sviluppato dall International Standards Organization, fornisce un quadro dove inserire le varie questioni che riguardano l implementazione delle reti. Il modello di riferimento consta di 7 livelli Interazione con l utente Layer 1 Application 2 Presentation 3 Session 4 Transport 5 Network 6 Data Link 7 Physical Link Function User software interface Library software, system routines Communication software to network System software, data formatting Network software, packet preparation Network software, data transmission, error recovery Electrical interface, bit stream transmission Software di sistema del computer Interfaccia tra il sistema dell utente e la rete Servizi per formattare l informazione in pacchetti Modalità di istradamento dei pacchetti attraverso la rete Segmentazione dei pacchetti in frames, modalità di correzione dell errore, segnali di acknowledgment ed eventuale ritrasmissione di frames non correttamente ricevuti Standard dell interfaccia hardware -51-

22 RETI: CENNI Molti standard di reti si riferiscono agli ultimi 3 o 4 livelli del modello OSI. Non sempre i livelli in cui è suddivisa una rete, specialmente se si tratta di rete proprietaria, corrispondono ai livelli OSI. Le caratteristiche chiave di rete al livello di Physical Link (layer 7) sono: Topologia della rete Modalità di accesso alla rete Formato del segnale Velocità di trasmissione dati. -52-

23 RETI: CENNI Esempio Ethernet: Protocollo basato sullo standard IEEE per trasmissioni a 10 Mb/s per Local Area Network (LAN) tipo bus, con verifica di presenza della portante, ad accesso multiplo e gestione della collisione (carrier sense multiple access with collision detection CSMA/CD). Lo standard Ethernet permette di usare differenti supporti fisici per la trasmissione: cavi coassiali, doppino non schermato, fibre ottiche. L accesso multiplo con collisione permette che una stazione trasmetta ogni volta che il bus è libero Se due stazioni iniziano la trasmissione nel medesimo istante, entrambe cessano di trasmettere e aspettano un intervallo di tempo di durata casuale prima di ritentare la trasmissione. -53-

24 RETI: CENNI Le topologie logiche comunemente utilizzate per le reti sono tre: Bus (p. es. Ethernet) Ring (anello) (p. es. Token Ring dell IBM) Star (stella) (p. es. PC collegato con le sue periferiche) -54-

25 RETI: CENNI I metodi di accesso comunemente utilizzate per le reti sono tre: Gestione della collisione: ogni volta che la rete è libera, la stazione che ha bisogno di comunicare tenta la trasmissione. Se si verifica una collisione, cioè un altra stazione ha iniziato la trasmissione nel medesimo istante, il conflitto viene risolto seguendo regole predeterminate. Token (gettone): una rete ad anello con token richiede che ogni stazione rimanga in attesa finché non riceve il token (un pattern convenzionale di bit che indica che la rete è libera). Star: in una rete a stella la comunicazione è sotto il controllo di una stazione centrale. -55-

26 RETI: CENNI Un Link punto-punto può essere implementato con un cavo, con un ponte a microonde, con una fibra ottica o con qualunque altra tecnologia. L implementazione fisica è trasparente per i livelli software superiori. Il livello fisico è insensibile alle caratteristiche logiche dei dati. Esistono reti di tipo ibrido. Esempio: una rete con distanze largamente variabili tra stazione e stazione può servirsi di cavo per nodi (stazioni) distanti meno di 500 m e fibra ottica negli altri casi. Una rete ibrida fornisce il rapporto migliore costi/prestazioni per alcune applicazioni, ma può avere elevati costi di progetto e manutenzione. -56-

27 RETI: CENNI Una caratteristica chiave dei collegamenti punto-punto è: Trasmettitore e ricevitore alle due estremità del link si devono basare sulla stessa tecnologia (cavo, fibra ottica, etc.) L interfaccia elettrica con i circuiti logici della stazione è normalmente la stessa (TTL, CMOS o ECL) Tipicamente la tipologia fisica dei connettori è la stessa (BNC, RJ45, etc.) -57-

28 RETI: CENNI Tecniche di codifica Scopo: sovrapporre informazione su una portante. Nella televisione, un segnale analogico con larghezza di banda di 5 MHz modula in ampiezza una portante a 500 MHz. L alta frequenza della portante permette al segnale di essere trasmesso attraverso lo spazio libero e distribuito ad una ampia regione (broadcasting: un trasmettitore, molteplici ricevitori, tipicamente a senso unico). Nelle reti telefoniche, il segnale vocale analogico è digitalizzato e trasmesso sul cavo modulando un segnale di corrente o di tensione. Molteplici linee telefoniche possono essere multiplexate numericamente e trasmesse su un singolo collegamento in fibra ottica. In tal caso la portante ottica (luce) ha una frequenza intorno ai 2 x Hz (λ = 1500 nm) (ogni trasmissione è distinta, no broadcasting). -58-

29 RETI: CENNI Temporizzazione: Problema importante per le comunicazioni su lunga distanza Nelle trasmissioni televisive è incluso un segnale di sincronizzazione. Nelle reti telefoniche, la tecnica di multiplexing a divisione di tempo richiede la sincronizzazione con un base tempi comune o segnale di clock. Il recupero dell informazione di temporizzazione dai dati è chiamato sincronizzazione o clock recovery. -59-

30 RETI: CENNI Nelle reti più piccole, per esempio internamente ad un computer, la temporizzazione è realizzata prevedendo una linea di clock separata dalle linee dati. Nelle reti più grandi, per ragioni economiche, non è mai previsto un segnale separato di sincronizzazione. Infatti è molto costoso prevedere una linea di temporizzazione su lunghe distanze, mentre è moto più economico incorporare la temporizzazione nella codifica dei dati. -60-