Abstract: the always increasing demand for band

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1 Silvia Di Bartolo, Franco Curti, Giorgio Maria Tosi Beleffi Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell Informazione NOTE LE RETI OTTICHE PASSIVE SU ETHERNET (PASSIVE OPTICAL NETWORKS ETHERNET BASED) Sommario: la richiesta sempre crescente di banda disponibile ha messo in evidenza la necessità di nuove tecnologie di accesso alla rete. in questo articolo è stata descritta una possibile soluzione, sperimentata in ISCOM, rappresentata da una rete ottica passiva basata su Ethernet, e possibili evoluzioni dello dell architettura standardizzata dall IEEE per aumentare il numero di utenti serviti. Abstract: the always increasing demand for band availability has put in evidence the need for new access network tecnologies. In this article it has been described one possibile solution, represented from the passive optical net based on Ethernet, and possible evolutions of the architecture standardized from the IEEE in order to increase the number of customers served and possible lenght. 1. Introduzione Negli ultimi anni la crescita, in termini di capacità, delle reti d accesso è stata quasi irrilevante se paragonata alla crescita sperimentata dalle reti dorsali. L aumento di traffico provocato dall esplosione di Internet ha messo chiaramente in evidenza questo divario: la rete d accesso costituisce il collo di bottiglia dell intera rete. La soluzione a larga banda più utilizzata è il Digital Subscriber Line (DSL), che benché porti ad un enorme miglioramento di capacità attualmenteè poco adeguato ai nuovi servizi emergenti ma soprattutto molto limitato nell area di copertura. Nell epoca dell e-commerce e dell e-government si prevede che sempre più utenti saranno online, e per maggior tempo sfruttando la banda disponibile in maniera sempre più intensa. [1] Sono necessarie quindi nuove tecnologie per le reti d accesso. Sebbene fin ora abbia prevalso la xdsl come tecnologia d accesso per ragioni di costo di rete rispetto alle larghezze di banda rese disponibili, oggi una soluzione possibile sembra essere quella della tecnologia ottica. La rete d accesso ottica può essere sia attiva che passiva e punto-punto che multipunto. Le architetture considerate sono tre: FTTH, Fiber To The Home, ossia con Figura 1 Tecnologie d accesso: lunghezza vs capacità fibra ottica cablata fino a casa; FTTB, Fiber To The Building, con fibra ottica fino alla costruzione in cui sono situati gli utenti da servire; FTTCab, Fiber To The Cabinet, fino ad un armadio di derivazione riducendo la distanza della connessione DSL e aumen tandone la capacità di trasporto. 2. Reti passive e loro evoluzione La prima architettura PON (Passive Optical Network) fu la quella basata su ATM, APON, che come si può facilmente intuire utilizza ATM come La Comunicazione - numero unico

2 NOTE Silvia Di Bartolo, Franco Curti, Giorgio Maria Tosi Beleffi Figura 2. Esempio di rete passiva in un contesto evolutivo protocollo di livello due. La grande limitazione di questa architettura risiede nel fatto di essere legati ad un unica tecnologia e al limite dell ATM stesso. Questo protocollo infatti utilizza pacchetti di lunghezza fissa a 53 byte. Successivamente si è passati alla Broadband PON come evoluzione della APON passando dai 155 Mbps in upstream e 622 Mbps in downstream di quest ultima a 622 Mbps in upstream e 1,2 Gbps nella BPON. Lo standard seguente quello delle BPON è stato quello delle Giga PON che pur rimanendo compatibili con i sistemi APON e BPON aggiunge compatibilità con Ethernet e trasporto della voce su TDM. Successivamente lo standard delle Ethernet PON ha offerto un compromesso tra prezzo ed efficienza dello standard Ethernet. Le PON ATM, Broadband e Giga sono standardizzate dall ITU-T nella serie di raccomandazioni, rispettivamente, G.983, per le prime due e G.984. Le PON basate su Ethernet si basano sullo standard dello IEEE 802.3ah. [2] 3.Reti Passive basate su Ethernet Nell ultimo decennio, l esplosione delle reti di telecomunicazione ed il moltiplicarsi di architetture di rete, protocolli di rete, di trasporto, di collegamento, etc, ed il continuo evolversi dei servizi, quindi delle reti stesse ha generato la necessità di andare in contro ad una migrazione di voce e video verso il formato digitale, e verso una totale convergenza delle reti. Come detto i costi per byte della fibra ottica sono, in rapida prospettiva, nettamente più bassi di quelli degli altri mezzi trasmisi e la tecnologia Ethernet è la più diffusa in ambito di rete locale. Questo connubio rende la migrazione di video, voce e dati su Ethernet molto più appetibile che su infrastrutture dedicate. La Ethernet Passive Optical Network, EPON, si presenta come una tecnologia semplice, economica, scalabile e capace di trasportare video, voce e dati su IP fino all utente finale. Questa rete è estremamente semplice da installare e costituita da tre elementi: l Optical Line Terminal (OLT), che costi tuisce l interfaccia della rete verso le altre reti, l Optical Network Unit (ONU), che costi tuisce l interfaccia verso gli utenti, l accoppiatore passivo ottico, il quale può dividere (e in questo caso l accoppiatore viene indicato come splitter) il segnale di ingresso secondo un rapporto ben preciso o accoppiare due segnali d ingresso in uno di uscita, in base alla direzione di percor renza del dispositivo. OLT, ONU e accoppiatore passivo sono collegati tramite fibra ottica secondo una topologia punto-multipunto. 46 La Comunicazione - numero unico 2007

3 LE RETI OTTICHE PASSIVE SU ETHERNET NOTE Figura 3. Esempio di topologia punto-multipunto [1] Tabella 1.Valori di operatività di una rete passiva ottica definiti dallo standard IEEE 802.3ah [3] Nel cammino tra sorgente e destinazione quindi non ci sono elementi attivi che richiederebbero una sorgente di alimentazione che rappresenterebbe un elemento di vulnerabilità delle reti tradizionali; la topologia punto-multipunto riduce a uno il numero di tx-rx ottici nella centrale di interfaccia con le reti MAN e minimizza il dispiegamento di fibre ottiche rendendo il cablaggio della rete più semplice e più economico. Nello standard IEEE 802.3ah viene definito un intervallo di operatività nel quale le caratteristiche della rete passiva devono essere contenute. [3] Come suggerisce lo standard stesso si possono Figura 4.Esempio di topologia ibrida [3] utilizzare diverse topologie punto-multipunto purché rispettino i valori presenti in Tabella 1; ognuna di esse avrà un rapporto di estrazione di potenza e distanza raggiungibile differenti. Una tipica topologia è quella ad albero con un Figura 5. Downstream [1] unico splitter con rapporto di estrazione 1:N. Ovviamente esiste un compromesso tra rapporto d estrazione e le distanze raggiungibili. Nel caso di topologia ad albero e splitter del tipo 1:16, la distanza massima copribile, ad esempio, è 20Km. Si possono anche generare, nel caso fosse necessario, topologie ibride dal punto di vista dei mezzi trasmessivi come riportato in Figura 4, CO indica Central Office e P2P la topologia point to Figura 6. Upstream [1] point. Secondo quanto stabilito dallo standard 802.3ah, il collegamento punto-multipunto della rete è bidirezionale; vengono utilizzate due lunghezze d onda differenti per ogni verso di trasmissione: in uplink, ossia dalle ONU al OLT viene utilizzata una lunghezza d onda di 1310nm; in downlink, ossia dal OLT alle ONU viene utilizzata una lunghezza d onda di 1490nm. In downstream il segnale emesso dal OLT viene trasmesso in broadcasting a tutte le ONU che prelevano solo i pacchetti destinati ad esse. L indirizzamento è di secondo livello (OSI), utilizzando gli indirizzi MAC delle ONU. In uplink il segnale trasmesso da una ONU raggiunge l OLT ma non le altre ONU per le proprietà fisiche dell accoppiatore/splitter. La condivisione del mezzo da parte degli utenti avviene utilizzando una tecnica di accesso multi- La Comunicazione - numero unico

4 NOTE Silvia Di Bartolo, Franco Curti, Giorgio Maria Tosi Beleffi plo a divisione di tempo (TDMA) che richiede un processo di sincronizzazione delle ONU all OLT. Le ONU sono sincronizzate ad un tempo di riferimento comune. Sia ONU che OLT contengono un contatore a 32 bit che viene incrementato ogni 16 ns. Quando l OLT invia un messaggio inserisce il valore del suo contatore nel messaggio e l ONU setta il valore del suo contatore al valore ricevuto sincronizzandosi con l OLT. A sua volta l ONU risponde inviando un messaggio in cui è inserito il valore del suo contatore che l OLT compara con il proprio. La differenza di questi valori rappresenta il ritardo di propagazione che l OLT usa per assegnare correttamente un time slot all ONU. Ogni ONU trasmette nel time-slot ad essa allocato evitando collisioni. Ogni time-slot è in grado di trasportare diverse trame Ethernet; l ONU memorizza le trame dell utente e attende l arrivo del time-slot. L allocazione degli slot può essere statica o dinamica ed è gestita insieme alla sincronizzazione e registrazione delle ONU, dall OLT tramite il multi-point control protocol (MPCP). Concludendo, possiamo dire che l intelligenza di rete è concentrata nell OLT in modo da rendere l ONU, cioè l interfaccia d utente, semplice da utilizzare e poco costosa. [4] 4. Rete sperimentale ISCOM La rete sperimentale è stata cablata in ISCOM (vedi Figura 7) in fibra ottica singolo modo, come previsto dallo standard 802.3ah, raggiungendo tre piani differenti e differenti stanze, dieci in tutto tra laboratori ed uffici. L OLT (AN5116 FiberHome) è Figura 8. EPON1 e EPON2 stato sistemato in una stanza del primo piano da cui partono le due reti passive basate su Ethernet che l OLT gestisce che d ora in poi chiameremo EPON1 e EPON2. Sulla prima rete (EPON1) sono state connesse tutte le ONU (AN5006 FiberHome) situate nei laboratori raggiunti dalla fibra ottica, a cui sono Figura 7. EPON sperimentata in ISCOM 48 La Comunicazione - numero unico 2007

5 LE RETI OTTICHE PASSIVE SU ETHERNET NOTE stati collegati sia PC che strumenti di misura, come oscilloscopi, che telefoni analogici. Sulla seconda rete (EPON2) invece sono state collegate le ONU presente negli uffici; ad esse sono collegati pc, e telefoni. La prima cosa da notare è la semplicità di Figura 9.Topologia a bus messa in opera delle rete. Le ONU sono collegate all OLT attraverso un unico collegamento in fibra ottica, da cui, in ogni punto da connetere alla rete, viene estratta una frazione di potenza (il 20%) del segnale transitante attraverso un accoppiatore direzionale 80/20. Quindi se avessi bisogno di portare la rete ad una stanza del piano sotterraneo, non occorre partire dall OLT con una nuova connessione in fibra, ma sarà sufficiente stendere la fibra ottica dalla stanza più vicina in cui la rete è già presente realizzando una topologia punto-multipunto a bus. L installazione della rete in ISCOM ha richiesto solo pochi giorni, il tempo necessario a stendere la fibra da una stanza all altra. Sono state realizzate di verifica del funzionamento della rete. Prima di illustrare tali prove occorre sottolineare il fatto che i dispositivi collegati alla stessa PON non sono in grado di comunicare tra loro poiché per la natura stessa degli accoppiatori utilizzati lungo il collegamento in direzione uplink le ONU comunicano con l OLT ma non tra di loro. Per questo motivo le comunicazioni sono sempre state realizzate tra 2 pc collegati uno all EPON1, l altro all EPON2. Quando l ONU viene connessa alla rete la registrazione avviene in maniera automatica, senza intervento da parte dell utente. I tempi di registrazione sono dell ordine di qualche secondo allo scadere del quale l utente è in grado di utilizzare la rete e i suoi servizi. Come detto, alle ONU sono connessi, tra gli altri dispositivi, dei telefoni analogici; l ONU provvederà alla conversione in formato digitale della voce permettendo l integrazione del servizio telefonico su tale rete. Le connessioni telefoniche, tra utenti di una stessa EPON o di EPON diverse, sono state gestite da un Server Sip implementato via software su un pc connesso all OLT tramite le sue porte Ethernet di estensione. Non sono state fatte misure oggettive sulla qualità del servizio telefonico, ma si è comunque potuto notare che la qualità percepita è buona in termini di comprensione, ritardi e riconoscimento dell interlocutore. Sono stati testati anche servizi come videoconferencing, videostreaming e web browsing. Una porta Ethernet dell OLT è stata collegata ad un router, esternamente alle EPON; grazie a questo collegamento tutti i calcolatori, connessi alle ONU delle due EPON, sono stati in grado di navigare in Internet. Il servizio di videoconferenza è stato realizzato tramite il software NetMeeting mentre per il servizio di videostreaming è stato utilizzato il programma VLC (Video Lan Client). Anche questi tre servizi hanno offerto una buona qualità percepita. 5. Misure Figura 10. Set up di misura Le misure riportate in seguito riguardano la caratterizzazione dei due apparati di rete: OLT e ONU. Sono state ottenute utilizzando il set up di Figura 10. Gli elementi presenti oltre OLT e ONU sono: l attenuatore variabile (ATT) per simulare attenuazione di linea, dovuta allo spazio percorso e al numero di accoppiatori inseriti lungo la linea; l splitter/accoppiatore utilizzato per estrarre il segnale di downstream o accoppiare il segnale emesso dall ONU con quello di upstream; l analizzatore di spettro ottico (OSA) con cui si può calcolare la potenza di picco del La Comunicazione - numero unico

6 NOTE Silvia Di Bartolo, Franco Curti, Giorgio Maria Tosi Beleffi segnale o la sua potenza media attraverso la modalità power meter. La potenza del laser dell OLT è 3.5dBm sulla EPON1 e di 4dBm sulla EPON2; questo valore è calcolato prima dell attenuatore. Introducendo una attenuazione di circa 25dB, tramite attenuatore variabile, si può osservare che l ONU non è più in grado di sincronizzarsi con l OLT e che la connessione cade all improvviso quando la potenza di ingresso dell ONU scende sotto il valore minimo accettato. Mentre è molto semplice caratterizzare in Figura 14. Segnale ONU (5ns/div) Figura 11. Spettro ottico dell'olt Figura 15. Pacchetto emesso dall'onu (1μs/div) Figura 12.Spettro ottico dell ONU Figura 16. Ripetizione pacchetto emesso dall'onu (1001μs/div) Figura 13. Segnale OLT (2ns/div) potenza l OLT poiché emette in modo continuo, non si può dire altrettanto dell ONU, poiché quest ultima emette in maniera intermittente. In Figura 11 e in Figura 12 sono riportati gli spettri ottici del laser presente nell OLT e di quello presente nell ONU rispettivamente. Mentre il primo è un laser monomodale la cui lunghezza d onda d emissione è 1490nm, come richiesto dallo 50 La Comunicazione - numero unico 2007

7 LE RETI OTTICHE PASSIVE SU ETHERNET NOTE Figura 17. Schema di simulazione tramite software standard, il laser dell ONU è multimodale il cui spettro ricade anche esso nella banda prevista dallo standard IEEE. Questa scelta è originata dalla necessità di rendere l ONU il più economico possibile. Di seguito sono riportati i segnali emessi dall OLT e dall ONU nel dominio del tempo, ottenuti tramite oscilloscopio digitale a tempo reale. Figura 18.Throughput nel caso di attenuazione nulla. Come detto in precedenza, ONU e OLT comunicano fino a quando la potenza dell OLT supera la sensibilità del fotodiodo di ricezione dell ONU. Al di sopra di questo valore, qualunque sia la potenza di ingresso dell ONU la connessione rimane sempre allo stesso livello di qualità. Questo è stato osservato utilizzando un software di simulazione (Chariot) nella configurazione riportata di seguito Le misure di perdita di informazione sono state effettuate sul servizio di Netmeeting tra due pc connessi alle due EPON. Le simulazioni hanno durata di due minuti; nel primo caso l attenuazione di linea è stata tenuta a zero e come si vede in figura 18 il servizio fruisce senza problemi fino alla fine della simulazione. Nel secondo caso invece è stata aumentata l attenuazione in modo continuo durante la simulazione stessa. Il servizio, all aumentare dell attenuazione, continua ad essere supportato dalla rete senza subire degradazioni fino a quando la potenza di ingresso dell ONU raggiunge il valore minimo accettabile. A questo punto la connessione cade e il servizio è interrotto. (vedi figura 19) 6. Situazione evolutiva Attualmente le reti PON utilizzano due lunghezze d onda per upstream e downstream, hanno un rapporto di estrazione massimo 1:64 con lunghezze di copertura dell ordine delle decine dei Km. Ciò di cui gli operatori hanno bisogno è di: aumentare le distanze fino all ordine del centinaio di Km; aumentare il rapporto di estrazione del segnale in downstream aumentando così in numero di utenti servito; utilizzare la tecnologia WDM per sfrutta re con più efficienza la struttura di rete; adottare tecniche di accesso multiplo a divisione di codice nel dominio ottico (OCDMA). Per questo motivo gli obiettivi in ISCOM sono lo studio, la ricerca e l implementazione di: reti ottiche passive a larga banda con WDM e dell utilizzo di RAMAN, EDFA, SOA e di fibre HNL all interno della rete passiva. 7. Conclusioni Figura 19.Throughput nel caso di attenuazione limite Si è dimostrata quindi la semplicità di installazione e utilizzo di una rete ottica passiva. E stato caratterizzato il comportamento dell OLT e dell ONU dal punto di vista della La Comunicazione - numero unico

8 NOTE Silvia Di Bartolo, Franco Curti, Giorgio Maria Tosi Beleffi potenza emessa e la loro risposta alla variazione di attenuazione lungo la fibra ottica di interconnessione della rete stessa. Sono stati collegati alla rete telefoni e pc dimostrando la trasparenza dell architettura ottica passiva rispetto i servizi tradizionali. Si è verificata la capacità di connessione ad altre reti attraverso il servizio di web browsing ed è stato valutato il funzionamento della rete attraverso servizi di video-chiamate, video-streaming e servizio telefonico. Passo successivo sarà quello di applicare la multiplazione a divisione di lunghezza d onda in downlink con lo scopo di aumentare il numero di utenti serviti da una EPON, ed utilizzare amplificazione Raman per aumentare le distanze di copertura. Ringraziamenti Il presente lavoro è stato svolto nell ambito del progetto BABA ed ephotonone+; si ringrazia Senko-Konica per aver messo a disposizione le ONU e l OLT: Bibliografia [1] Glen Kramer, Biswanath Mukherjee, Ariel Maislos, Ethernet Passive Optical Network (EPON) [2] White Paper,Testing Ethernet Passive Optical Network, Agilent Technologies [3] IEEE Std 802.3ah-2004 [4] D.Angelopoulos, Leligou,Argyrlou, Zontos,Ringoot,Van Caenegem, Efficient Trasport of Packets with QoS in an FSAN_Aligned GPON, IEEE Communications Magazine, February La Comunicazione - numero unico 2007