Architettura di una rete di Telecomunicazione

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1 Marco Listanti Architettura di una rete di Telecomunicazione

2 Struttura di una rete Rete di accesso Connette gli utenti terminali ai Nodi di Accesso (Access Node - AN) e fornisce la connettività necessaria per il supporto dei servizi agli utenti Rete Regionale/Metropolitana Raccoglie i flussi di traffico generato da utenti localizzati in un area geografica (es. grandi città, regione) Forma flussi ad alta capacità che sono diretti verso il backbone di rete per la commutazione a lunga distanza (Traffic Grooming) Capacità crescente Backbone I nodi di frontiera con il backbone sono detti Point of Presence (PoP) E la parte centrale della rete che ha lo scopo realizzare l interconnessione delle aree regionali e la commutazione dei flussi ad alta capacità provenienti da queste

3 Struttura di una rete AN AN PoP AN PoP BACKBONE PoP AN RETE REGIONALE METROPOLITANA AN AN: Access Node PoP: Point of Presence RETE D ACCESSO

4 Esempio: la rete di Telecom Italia Rete Regionale/Metropolitana CPE FTTB ADSL2+ ( 10Mbit/s) // // // // IP-DSLAM (4.000) BBAN - CN OPTICAL PACKET BACKBONE Backbone GPON RAN - CN STORAGE // IP- MSAN FTTC (ONU) VDSL2 ( 50Mbit/s ) OPTICAL PACKET METRO MULTISERVICE EDGE NODE (POP) CRM SERVICE DELIVERY DATA WAREHOUSE SERVICE ASSURANCE BILLING TRAFFIC & USAGE ERP NETWORK MANAGEMENT CPE FTTH / B ( 100Mbit/s ) Rete di accesso CUSTOMER DATA BASE WORK FORCE MANAGEMENT NETWORK NEUTRAL EM NETWORK DATA BASE OPERATION SUPPORT SYSTEM (OSS)

5 Esempio: la rete di Telecom Italia // Rete di Distribuzione In rame // STADI DI LINEA (SL) # Permutatore SL DSLAM HDSL Sistema Trasmissione STADI DI GRUPPO URBANO (SGU) # 630 Sistema Trasmissione MSC/RNC/ SGSN SGU / BBN PE / NAS CDN Stadi di Gruppo di transito (SGT) POP # 24 OPTICAL PACKET BACKBONE SDH / ATM Rete di Accesso BTS / Node B Sala OLO MSC #100 Backbone Rete Regionale CPE Fibra ottica accesso

6 Esempio: la rete telefonica di TI Struttura gerarchica a tre livelli Primo livello (Backbone) Stadi di Gruppo di Transito SGT 3 Gateway internazionali (Roma, Milano, Palermo) Primo livello SGT Gateway Internazionale Backbone SGT 65 SGT (divisi in 32 aree gateway) Secondo livello (Rete regionale) Stadi di Gruppo Urbani SGU 628 SGU (50-60 mila utenti per SGU) Terzo livello (Rete Metropolitana) Secondo livello SGU Rete Regionale/Metropolitana SGU Stadi di Linea SL Stadi di Linea (SL) (che coprono ~ 8100 comuni) Terzo livello SL Rete di accesso SL

7 Overview delle soluzioni per la rete di accesso

8 Rete di accesso Interconnette le postazioni d utente alla centrale locale E progettata per fornire agli utenti il supporto alla gamma di servizi richiesta Area coperta di raggio 1-5 km E tradizionalmente composta di risorse dedicate Tecnologie realizzative Rame (doppino) xdsl Fibra ottica Punto-punto, PON Radio Sistemi radio 2G e 3G, WiFi (802.11), WiMax (802.16)

9 Rete di accesso Requisiti Banda sufficiente agli utenti per le esigenze dei servizi Connessione rapida all utenza presente e prevedibile in un area Minimizzazione dei Strategia Tempi di fornitura del servizio Costo di realizzazione Posare risorse trasmissive necessarie a soddisfare esigenze dell utenza prevedibili in un arco temporale a lungo termine (decina di anni)

10 Rete di accesso in rame La distanza coperta dalla rete di accesso dipende dalla tipologia del territorio nazionale e dalla distribuzione della popolazione Esempio: In Italia per il 50% degli utenti la distanza è inferiore a 2 Km Negli USA per il 50% degli utenti la distanza è inferiore a 4 Km

11 Esempio: la rete in rame di TI E costituita da Portanti fisici Attestazioni e terminazioni Apparati trasmissivi Si suddivide in Rete Primaria dalla Centrale all Armadio di Distribuzione (~ 1 km) Rete Secondaria dall Armadio al Distributore (~ 200 m) Raccordo all interno dell edificio (~ 50 m)

12 Rete di accesso in rame

13 Rete di accesso in rame Area Cavo Distributore SL Area di Armadio Armadio

14 Struttura della rete di accesso in rame Fonte: Telecom Italia 2007

15 Rete di accesso Le esigenze di servizio e di banda degli utenti si sono evolute nel tempo WEB service VoIP Streaming Audio e Video IPTV Obiettivo: evoluzione della rete con minimizzazione dei costi e riutilizzo, per quanto possibile, della rete in rame Soluzione a breve-medio termine: Tecnologia xdsl

16 Scenario servizi per utenza residenziale

17 Scenario servizi per utenza business

18 Tecnologia xdsl Banda in accesso su rete in rame ~ Mbps ~10 20 Mbps ADSL2+ VDSL2 Ultra Broadband Broadband ~2 6Mbps ADSL 2 VOIP ~ kbps ADSL 1 WEB ~64 kbps Dial Up 2009 Tempo

19 Configurazione sistemi ADSL

20 Tecnologia xdsl La capacità fornita dai sistemi xdsl dipende dalla lunghezza del collegamento in rame Soglie critiche 100 Mbit/s 0,2 Km 50 Mbit/s 0,8 Km 20 Mbit/s 2 Km 8 Mibit/s 3 Km La fornitura di una connettività con banda >50 Mbit/s è critica nella rete in rame attuale

21 Architetture FTTx (Fiber To The X)

22 Architetture FTTx Sostituzione del doppino in rame con la fibra ottica aumentare la banda fornita agli utenti mantenere il costo di impianto il più basso possibile Esempio di breakdown dei costi di impianto in uno scenario green field 85% per lavori civili (scavi e posa del cavo) 10% per l hardware per le terminazioni e relative attività di istallazione 5% per la fibra e i componenti ottici Evitare per quanto possibile la posa di nuovi cavi

23 Architetture FTTx FTTE (Fiber to the Exchange) FTTN (Fiber to the Node) I collegamenti in fibra ottica si estendono fino alla Centrale Locale Il collegamento dalla centrale locale all utente è realizzato con cavi in rame FTTC (Fiber to the Curb) FTTCab (Fiber to the Cabinet) I collegamenti in fibra ottica si estendono fino ad un dispositivo detto Optical Network Unit (ONU) collocato in un punto intermedio della rete di accesso tra centrale e utente Il collegamento dall ONU all utente finale è realizzato su cavo in rame

24 Architetture FTTx

25 Architetture FTTx FTTP (Fiber to the Premises) Il collegamento in fibra ottica arriva direttamente nell ambiente dell utente (casa o ufficio) o nelle immediate vicinanze FTTB (Fiber to the Building) Il collegamento in fibra arriva all edificio dove si trova l utente e l utente è raggiunto tramite cavo in rame o per mezzo di tecnologia wireless FTTH (Fiber to the Home) la fibra arriva direttamente a casa dell utente

26 Architetture FTTx

27 Configurazioni di accesso in fibra

28 Strutture FFTx

29 Architetture di reti di accesso ottiche

30 Problema Come realizzare i collegamenti in fibra nelle architetture FTTx? FFTC FTTCab FTTB FTTH Quali sono le architetture disponibili?

31 Architettura Punto-Punto Ogni utente è raggiunto da una fibra dedicata Cons Pros Approccio simile a quello della rete in rame Elevato costo di impianto Elevata complessità lato centrale Elevate prestazioni e massima flessibilità

32 Architettura a stella attiva (AON) Caratteristiche Fibra singola dalla centrale ad un nodo intermedio Fibre dedicate per utente dal nodo intermedio Il nodo intermedio effettua la funzione di mux/demux Posizionamento nodo attivo Pros Cons Cabinet (FTTCab/FTTC) Building (FTTB) Costi minori rispetto alla soluzione puntopunto Esercizio e manutenzione del nodo attivo

33 Architettura a stella passiva (PON) Caratteristiche Pros Utilizzo esclusivo di componenti ottici passivi (splitter/combiner) Fibra singola dalla centrale al punto di splitting/combining Fibre dedicate per utente Costi di impianto e di manutenzione minori rispetto alla soluzione attiva Alimentazione non necessaria

34 Configurazione generale di un accesso in fibra Racc. ITU-T G OLT (Optical Line Terminator) Unità di interfaccia lato rete E interna alla centrale e esegue le funzioni trasmissive per il collegamento con le ONU ONU (Optical Network Unit) Unità di interfaccia lato utente Esegue le funzioni di terminazione della PON lato utente OLT e ONU hanno lo scopo di fornire un servizio di trasporto trasparente agli strati protocollari superiori (es. ATM, GbE)

35 Esempio Ultra Broadband Coverage 65% Street Cabinet FTTC VDSL2 ( 50Mbit/s ) IP- MSAN (ONU) MULTISERVICE EDGE NODE (POP) FTTH / B ( 100 Mbit/s ) GPON BBAN - CN Broadband: 3Play/20 M Coverage 100% CPE FTTH / B ( 100 Mbit/s ) OPTICAL PACKET METRO RAN - CN STORAGE Local Exchange ADSL2+ ( ~10Mbit/s) IP-DSLAM (~8.200 COs) CPE FTTB

36 Accesso per utenza affari Esigenza di elevata capacità Tecnologia Gigabit Ethernet (GbE) Accesso con banda fino a 1 Gbit/s Allocazione flessibile della banda Basso costo Connettività fibra ottica bonding uso in parallelo di doppini in rame con trasmissione SHDSL

37 Reti di accesso radio

38 Architettura Rete Radiomobile 2G e 3G HLR HLR HLR VLR MSC 463 BSC Iu (CS) BSC MSC GGSN Gn SGSN 70 RNC Iu (PS) Node B RNC Iu (CS) Iub Iur BSC macro BTS micro BTS macro Node B 50 micro Node B Uu MS (ME+USIM) cell RNC area

39 Rete Radiomobile GSM

40 Rete Radiomobile 3G

41 Rete di accesso radio Banda in accesso (condivisa) ~14 Mbps ~7 Mbps HSPA 2 HSPA 2 + MOBILE INTERNET ~ 3 Mbps HSPA 1 MOBILE TV ~100 kbps ~300 kbps EDGE UMTS ~10 kbps GSM 2009 Time

42 Backhauling Consiste nell insieme dei collegamenti tra i nodi del backbone di rete e le sottoreti di accesso Collegamento tra Stazioni Radio Base (BTS) e BSC Collegamento tra Node B e RNC Collegamento tra DSLAM e Nodo di rete Collegamento tra Access Point WiFi e Nodo di rete Supportano il trasporto di flussi multiplati che possono essere gestiti da altri operatori La capacità dei collegamenti di Backhauling deve essere dimensionata in relazione al traffico proveniente dalle aree di accesso

43 Eterogeneità della rete di accesso

44 Metro/Regional Network

45 Servizi supportati Una Metro/Regional Network deve essere in grado si supportare la seguente gamma di servizi Servizi per utenti finali residenziali Accesso ad internet Voice over IP (VoIP) IPTV Telefonia tradizionale Servizi per utenza affari Circuiti diretti Accesso GbE e reti private virtuali di livello 2 (VLAN) Accesso internet e reti private virtuali di livello 3 (IP/MPLS)

46 Servizi supportati Servizi infrastrutturali (Backhauling) DSLAM Flussi Gigabit Ethernet di DSLAM IP Traffico proveniente da accessi radio GSM e UMTS GbE Flussi n x 2 Mbit/s tra Node B e RNC Interfaccia Gb (BSC-SGSN) Interfaccia Iu a pacchetto (RNC-SGSN) Interfaccia Iu a circuito (RNC-MGW) Interfacce A (BSC-MSC) e Abis (BTS-BSC) UMTS GSM Metro Regional Network Flussi SDH STM 1 (155 Mbit/s) per circuiti TDM (telefonia tradizionale) WLL Supporto di collegamenti ad alta capacità per accessi Wireless Local Loop (WLL) (es. WiFi, WiMax) TDM

47 Requisiti per una Metro/Regional Network Ottimizzazione dei costi infrastrutturali Infrastruttura unica a pacchetto Integrazione dei servizi Semplificazione architetturale (delayering) Qualità del servizio (QoS) controllo dei ritardi e del jitter tecniche di bandwidth allocation e congestion control tecniche di policing e di shaping Scalabilità supporto di link a capacità crescente supporto di VLAN configurabili Affidabilità/Disponibilità bassa probabilità di fuori servizio ridondanza degli apparati meccanismi di riconfigurazione in caso di guasti Flessibilità Facilità di provisioning di nuovi collegamenti Esercizio e manutenzione (O&M) meccanismi di monitoraggio dei guasti e delle prestazioni Circuit emulation per supporto flussi TDM Uniformità tecnologica con il backbone

48 Tecnologie Multi Protocol Label Switching (MPLS) Layer 3 Asynchronous Transfer Mode (ATM) Gigabit Ethernet (GbE) Layer 2 Synchronous Digital Hierarchy (SDH) Wavelength Division Multplexing (WDM) Layer 1

49 Esempio Optical Packet Metro (OPM) di Telecom Italia Due livelli di nodi con funzionalità di switching a layer 2 (Ethernet) Un livello di nodi con funzionalità di switching a Layer 3 (IP/MPLS) Caratteristiche Sostituzione della tecnologia SDH con Ethernet Automatic Protection Switching (APS) in caso di guasto Strato fisico basato su WDM

50 Traffic Grooming I mezzi trasmissivi forniscono la possibilità di trasmettere flussi ad elevata capacità Sistemi WDM su fibra ottica: 100 lunghezze d onda ciascuna a 10 Gbit/s 1 Tbit/s I flussi generati dalla rete di accesso sono normalmente a capacità notevolmente inferiore Sistemi TDM a 2, 34, 155 Mbit/s Flussi GbE a 1 Gbit/s E indispensabile multiplare (groom) flussi a bassa capacità per formare flussi ad alta capacità La funzione di Grooming ha come obiettivo l ottimizzazione dell utilizzazione della capacità e la minimizzazione del costo della rete

51 Traffic Grooming Definizione del Grooming Problem dato l insieme R dei flussi a bassa capacità che rappresentano le richieste di servizio che possono essere multiplati (groomed) per formare flussi (path) ad alta capacità posto che una richiesta può essere instradata su un insieme di path individuare la configurazione dei path e l allocazione delle richieste sui path stessi e in modo da minimizzare il numero totale M di path

52 Traffic Grooming Per attuare il grooming del traffico si possono usare varie forme di multiplazione SDM (Space Division Multiplexing) usare più mezzi trasmissivi in un link tra due nodi WDM (Wavelength Division Multiplexing) usare più lunghezze d onda sullo stesso mezzo trasmissivo TDM (Time Division Multiplexing) usare più time slot sulla stessa lunghezza d onda

53 Traffic Grooming Esempio rete a 4 nodi {1,2,3,4} 7 flussi in ingresso (richieste) grooming factor C max = 3 su un singolo path possono essere multiplati fino a 3 flussi 1 2 C=2 C=2 C=3 Path C=3 Richiesta 4 3

54 Backbone

55 Caratteristiche Backbone Rete orientata al trasferimento a lunga distanza di flussi ad elevata capacità provenienti dalla rete Metro/Regionale Integrazione del traffico (voce, dati, video) Basso ritardo Elevata affidabilità Meccanismi di Ingegneria del traffico Meccanismi per il supporto della QoS

56 Tecnologie Multi Protocol Label Switching (MPLS) Layer 3 Wavelength Division Multplexing (WDM) Layer 1

57 Esempio Optical Packet Backbone (OPB) di Telecom Italia 32 PoP Topologia logica a doppia stella Inner Core: 4 PoP (2 a Roma, 2 a Milano) Outer Core: 28 PoP Collegamento dual homing degli Outer PoPsui PoPdell InnerCore Rete fisica costituita dalle rete di trasporto ottica Collegamenti Inner Core: circuiti a 10 Gbit/s (STM- 64) Outer Core: circuiti a 10 (STM-64), 2,5 Gbit/s (STM-16) e 155 Mbit/s (STM-1) Carico massimo sui link 50%

58 Esempio Inner Core 4 nodi Topologia a Doppio quadrilatero Collegamenti a 10 Gbit/s (STM-64) tra i 4 nodi Collegamenti a 2,5 Gbit/s (STM-16) in dual-homing verso i PoP Outer

59 Rete trasmissiva o di trasporto Costituisce la parte fisica del backbone di una rete di telecomunicazioni La topologia logica (link IP) è ricavata attraverso la creazione di cammini (path) sulla rete fisica Viene utilizzata in modo praticamente esclusivo la tecnologia ottica WDM con flussi ad alta capacità (es. 2,5-10 Gbit/s) Progressiva sostituzione della tecnologia SDH Topologia a maglia con nodi di interconnessione (Optical Digital Cross Connect ODXC) Riconfigurabilità dei cammini ottici in modo che la topologia logica rimanga invariata in caso di guasto di un link fisico

60 Esempio Rete Phoenix di Telecom Italia Tecnologia WDM Topologia a maglia link tra i nodi a 2,5 e 10 Gbit/s node degree uguale a 3 protezione in caso di doppio guasto Fast restoration percorsi di riserva precalcolati e condivisi Piano di controllo semi distribuito calcolo dei percorsi centralizzato segnalazione distribuita

61 Esempio: Topologia logica e fisica

62 Esempio: Topologia Fisica Inner Core Milano 1 Milano 2 Roma 1 Roma 2

63 Logical Topology Design (LTD) Date la topologia fisica di una rete (insieme dei nodi e dei rami) la matrice di traffico R che rappresenta i flussi tra i nodi della rete Determinare la topologia logica della rete insieme dei collegamenti logici (lighpath) tra i nodi in modo da massimizzare le prestazioni della rete (Ritardo) A B Topologia 2 Fisica 1 3 C A a b 4 D B D c Topologia Logica C A d a Matrice di traffico B c D b d C

64 Routing & Wavelength Assignment (RWA) Data una rete di trasporto ottica con specificata topologia logica e dato un insieme R di richieste di connessione Definizione del routing dei path ottici (lightpath) e assegnazione delle lunghezze d onda ai lightpath in modo da minimizzare il costo e/o massimizzare l efficienza di utilizzo delle risorse assenza di convertitori di lunghezza d onda presenza di convertitori di lunghezza d onda Richieste di conenssione statiche e note a priori (Static Lighpath Establishment SLE) incrementali (successione di richieste nel tempo) con durata infinita di ciascuna connessione dinamiche (successione di richieste nel tempo) con durata finita di ciascuna connessione (Dynamic Lighpath Establishment DLE)

65 Summary Tecnologie Multi Protocol Label Switching (MPLS) Asynchronous Transfer Mode (ATM) Gigabit Ethernet (GbE) Synchronous Digital Hierarchy (SDH) Wavelength Division Multiplexing (WDM) Problemi Grooming Multiplazione ottima dei flussi Logical Topology Design (LTD) Individuazione della topologia logica data la topologia fisica Routing & Wavelength Assignment (RWA) definizione dell instradamento di una connessione e assegnazione della/e lunghezza/e d onda alla connessione

66 Materiale didattico e di approfondimento P. Impiglia et alii: La rete in rame di Telecom Italia: caratteristiche e potenzialità per lo sviluppo delle tecnologie xdsl. Notiziario Tecnico Telecom Italia, anno 13, n. 1, Giugno 2004 F. Effemberger et alii: An Introduction to PON Technologies. IEEE Communication Magazine, Marzo 2007 T. Koonen: Fiber to the Home/Fiber to the Premises:What, Where, and When?. Proceeding IEEE Vol. 94, n. 5, May 2006 M. De Bortoli et alii: Tecnologie ottiche per l accesso: le soluzioni Passive Optical Network. Notiziario Tecnico Telecom Italia, anno 13, n. 1, Giugno 2004

67 Materiale didattico e di approfondimento A. Ciarniello et alii: OPM, la nuova rete metro regional di Telecom Italia. Notiziario Tecnico Telecom Italia, anno 14, n. 5, Dicembre 2005 A. M. Langellotti et alii: Il Backbone IP di Telecom Italia Wireline. Notiziario Tecnico Telecom Italia, anno 13, n. 2, Dicembre 2004 P. Pagnan: Phoenix la nuova rete di trasporto nazionale. Notiziario Tecnico Telecom Italia, anno 13, n. 2, Dicembre 2004