Corso di Reti di Telecomunicazione. Reti di accesso

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1 Corso di Reti di Telecomunicazione Reti di accesso

2 Reti di accesso (1) Reti di accesso Architettura di rete HFC FTTx

3 Reti di accesso (2) Sono l ultimo ramo delle reti di TLC Dal service provider alle case o gli uffici Richiesta di banda sempre crescente anche a livello di accesso Necessità di avvicinare la fibra agli utenti Reti d accesso business ad elevate prestazioni Sonet/SDH, Ethernet, RPR Utenti business, linee affittate da 1.5 Mbps a Gbps Reti d accesso per singole abitazioni Fornitura di servizi sempre più evoluti Necessità di superare le limitazioni della rete telefonica Punto centrale di questo capitolo del corso Nel passato alle abitazioni solo due tipi di servizio POTS su rete telefonica pubblica TV su rete via cavo (USA)

4 Reti di accesso (3) Negli ultimi anni aggiunta di servizi dati DSL (Digital Subscriber Line) su rete telefonica Cable modem su rete via cavo (USA) Richiesta di reti di accesso ad alta capacità Video-on-demand (VOD) TV ad alta definizione (HDTV) TV standard (SDTV) Telelavoro Giochi online Accesso ad Internet Telefono High speed data (HSD)

5 Reti di accesso (4) Classificazione dei servizi in base a Richiesta di banda Da pochi khz (telefonia) a MHz (flusso video) a centinaia di Mbps (linee affittate) Servizio simmetrico o asimmetrico Simmetrico (bidirezionale), es. videoconferenza Asimmetrico (unidirezionale), es. video broadcast Servizi business tipicamente simmetrici altri tipicamente hanno più banda in downstream che in upstream Servizio broadcast o switched Broadcast: tutti gli utenti ricevono gli stessi dati Switched: utenti diversi ricevono dati diversi

6 Reti di accesso (5) Soluzioni per l accesso a banda larga: Satellite: banda larga, ma basso riuso delle frequenze; canale in upstream necessita del cavo. Sistemi ottici senza fibra: Centinaia di Mbit/s su distanze pari a centinaia di metri (line of sight). DSL: bitrate fino a decine di Mbit/s, limitati dalla distanza tra CO e utente; canale in upstream lento.

7 Reti di accesso (6) Wireless: WiMAX: banda simmetrica fino a 70 Mbit/s a distanze di 50 km (2.3, 3.5 o 5 GHz); IEEE : 50 Mbit/s su brevi distanze. Enhanced HFC (USA): naturale evoluzione di HFC per supportare il traffico dati. FFTx: Bitrate di Gbit/s su km di distanza; La soluzione per reti a banda ultra-larga!

8 Reti di accesso Reti di accesso Architettura di rete HFC FTTx

9 Architettura di rete (1) Rete di accesso composta da Hub CO (local exchange) per reti telefoniche Head end per reti via cavo (USA) Ogni hub fornisce servizi a diverse abitazioni/uffici attraverso le NIU, hub fa parte di rete più grande Remote nodes (RN) Secondo livello gerarchico tra hub e NIU Ogni hub connesso a diversi RN, ogni RN serve un gruppo di NIU Network interface units (NIU) Una NIU per ogni utente (o piccolo gruppo) Rete di accesso = rete di alimentazione (feeder network) + rete di distribuzione (distribution network)

10 Architettura di rete (2) Rete di alimentazione: rete tra hub e RN Rete di distribuzione: rete tra RN e NIU Servizi broadcast vs. switched Tutti gli utenti ricevono gli stessi dati o no Rete di distribuzione broadcast vs. switched Topologia della rete Sono possibili tutte e 4 le combinazioni servizio - rete

11 Architettura di rete (3) Rete di distribuzione broadcast RN fa broadcast a tutti i NIU dei dati dall hub Reti poco costose, utilizzo di NIU tutte uguali Funzioni intelligenti a livello di NIU Molto adatte a fornitura servizi broadcast Es. rete via cavo (USA) Rete di distribuzione switched RN elabora i dati dall hub e manda flussi dati separati ad ogni NIU In genere uso di NIU diverse per utenti diversi Funzioni intelligenti a livello di rete, NIU semplici Maggiore livello di sicurezza Contro hacker e guasti della rete Molto adatte a fornitura servizi switched Es. rete telefonica

12 Architettura di rete (4) Classificazione in base alla tipologia di rete di alimentazione (hub - RN) La rete assegna ad ogni NIU banda dedicata Ogni NIU opera su frequenza diversa Possibilità di garantire QoS agli utenti NIU con dispositivi al bitrate della NIU Le NIU condividono banda totale offerta dalla rete NIU condividono la banda nel dominio del tempo Ogni NIU può teoricamente usare tutta la banda Necessità di un MAC per traffico upstream Molto efficiente per traffico bursty Difficile garantire QoS NIU con dispositivi al bitrate totale di linea

13 Architettura di rete (5) Distribuzione broadcast o switched Alimentazione a banda dedicata o condivisa Rete telefonica Rete di distribuzione switched Rete di alimentazione a banda dedicata 4 khz Rete via cavo (USA) Rete di distribuzione broadcast Rete di alimentazione a banda condivisa WPON Rete PON WDM Rete di distribuzione broadcast Rete di alimentazione a banda dedicata

14 Reti di accesso Reti di accesso Architettura di rete HFC FTTx

15 Hybrid Fiber Coax (1) Rete HFC (Hybrid Fiber Coax) Raggiunge quasi tutte le abitazioni (USA) Collegamenti in fibra ottica tra head end e RN Canali da head end a RN in broadcast con SCM (Subcarrier Modulation) su un solo laser Dai RN cavi coassiali verso le abitazioni Ogni RN serve da 500 a 2000 utenti Banda utilizzata da 50 a 550 MHz, trasmissione di 78 canali TV AM-VSB spaziati di 6 MHz (NTSC) Canale di ritorno tra 5 e 40 MHz Operatori cercano upgrade verso trasmissione video in formato digitale (Enhanced HFC) Rete broadcast con banda condivisa

16 Hybrid Fiber Coax (2) Rete telefonica e via cavo radicalmente diverse Rete telefonica fornisce poca banda per utente, ma con sofisticati sistemi di switching e gestione della rete Rete via cavo fornisce molta banda per utente, ma è broadcast e unidirezionale, senza switching

17 Reti di accesso Reti di accesso Architettura di rete HFC FTTx

18 Fiber-to-the-Home (1) FTTx (Fiber to the x) Filosofia: portare la fibra più vicino possibile all utente finale Dati trasmessi in digitale su fibra ottica dall hub a nodi chiamati ONU (Optical Network Units) In base alla distanza tra ONU e utente si ha FTTH (Fiber-to-the-Home) La fibra arriva nelle case, le ONU hanno funzioni di NIU FTTC/FTTB (Fiber-to-the-Curb/Building) Ogni ONU serve qualche decina di case o edifici Fibra a circa 100 m di distanza dagli utenti Sezione di distribuzione in rame tra ONU e NIU FTTN (Fiber-to-the-Node) La fibra è terminata in un armadio a distanza di circa 1 km dagli utenti

19 Fiber-to-the-Home (2) Collegamento CO RN in fibra Collegamento RN ONU in fibra, ONU termina il link in fibra Collegamento ONU NIU in rame

20 Fiber-to-the-Home (3) La rete tra il CO e l ONU è tipicamente una PON (Passive Optical Network) RN è tipicamente un semplice star coupler A volte posizionato direttamente nel CO Termine FTTx indica diverse architetture Tuttavia la versione classica prevede il broadcast dei segnali dal CO alle ONU Banda totale condivisa dalle ONU in modalità TDM Rete di alimentazione: tra il CO e i RN Rete di distribuzione: tra i RN e le ONU Ci concentriamo sulla parte ottica della rete di accesso Deve essere semplice, facile da installare e gestire Preferenza per reti passive rispetto a reti attive

21 Fiber-to-the-Home (4) BPON, EPON, GPON Ethernet o DSL DSL2, DSL2+ VDSL, VDSL2

22 Passive Optical Networks (1) PON (Passive Optical Networks) Reti ottiche senza funzioni di switching e controllo Non necessitano di alimentazione se non agli estremi Estrema riduzione dei costi ONU Struttura semplice per costi bassi e affidabilità Niente laser o componenti ottici molto complessi Nessun dispositivo di raffreddamento o controllo della temperatura Funzioni intelligenti a livello di CO Ambiente controllato, dispositivi costosi condivisi tra tutti gli utenti

23 Passive Optical Networks (2) Struttura della PON RN composto da star coupler o router di lunghezze d onda statico Tutti i vantaggi visti in precedenza Infrastruttura in fibra trasparente a bitrate e formato di modulazione Facilità di upgrade senza modifiche alla rete In tabella vari tipi di PON Ora li analizziamo uno ad uno (N = tipicamente)

24 TPON (1) TPON (PON for Telephony) Broadcast del traffico downstream dal CO a tutte le ONU attraverso uno star coupler passivo Fornitura anche di servizi switched usando TDM Time slot diversi per ogni ONU Canale upstream condiviso, ad esempio in TDM O altro protocollo multiaccesso Approccio TDM ONU devono essere sincronizzate a clock comune Processo di ranging Ogni ONU misura il ritardo dal CO Aggiustamento dei clock e sincronizzazione rispetto a CO CO assegna i time slot necessari ad ogni ONU

25 TPON (2)

26 TPON (3) Attrezzatura costosa al CO condivisa tra le ONU Uso di componentistica ottica matura a basso costo Trasmettitore CO: LED o laser Fabry Perot Trasmettitore ONU: LED o laser Fabry Perot Ricevitore ONU: pinfet Poco costoso, non necessita di raffreddamento Numero di ONU supportate limitato dalla divisione della potenza allo star coupler ONU con elettronica funzionante al bitrate aggregato Compromesso tra potenza trasmessa, sensibilità del ricevitore, bitrate, distanza, numero di ONU TPON meno costosa rispetto a Sonet/SDH, RPR e Ethernet per servizi a medio bitrate

27 TPON (4) Fornitura flessibile della banda TPON: variando la distribuzione dei time slot Sonet/SDH: ultima generazione di dispositivi migliora la gestione dinamica della banda Guasti TPON: guasto di un utente non condiziona gli altri Non facile gestire le rotture di fibra Sonet/SDH: guasto rende inutilizzabile l anello Ma i meccanismi di protezione sono veloci Aggiunta nuovi utenti TPON: processo molto semplice Sonet/SDH: processo complesso e lungo

28 WPON (1) WPON (WDM PON) Evoluzione della TPON standard per aumento di capacità e flessibilità Sostituzione del singolo trasmettitore al CO con Array di laser WDM oppure Singolo laser tunabile CO fa broadcast di tutte le lunghezze d onda a tutte le ONU Ogni ONU preleva con un filtro la sua frequenza Ogni ONU dotata di elettronica al proprio bitrate e non a quello aggregato Canale di upstream condiviso in TDM a 1310 nm Rimane la limitazione dovuta allo star coupler

29 WPON (2)

30 WRPON (1) WRPON (Wavelength-Routing PON) Rete di distribuzione wavelength-routing Mantiene i vantaggi della rete WPON ma risolve il problema dello splitting allo star coupler Possibilità di fornire servizi punto punto alle ONU RN con wavelength router per la gestione del traffico downstream Tipicamente si tratta di un AWG Diverse versioni di WRPON Diversi dispositivi in CO e ONU Differente gestione del traffico upstream Es. PPL (Photonics Loop) Downstream: 16 canali a 1310 nm Upstream: 16 canali a 1550 nm Non economico: due laser costosi per ogni utente

31 WRPON (2)

32 WRPON (2)

33 RITENET WRPON (1) Variante di WRPON con condivisione economica delle risorse al CO CO usa laser WDM tunabile Frames inviati dal CO alle ONU divisi in due parti Data: dati downstream trasmessi dal CO Return traffic: laser al CO in modalità onda continua Ogni ONU ha un modulatore esterno ONU va a modulare il return traffic del frame Soluzione per traffico upstream Non serve nessun laser nelle ONU Il router combina le lunghezze d onda verso il CO Singolo ricevitore al CO: accesso TDM Ricevitori multipli al CO: ogni ONU ha canale dedicato in upstream

34 RITENET WRPON (2)

35 LARNET WRPON (1) Alternativa a RITENET a basso costo Uso di una sorgente LED nelle ONU al posto del modulatore esterno LED emette segnale a larga banda Spectral slicing passando attraverso l AWG Solo la parte dello spettro di emissione del LED che passa nella banda dell AWG arriva al CO In presenza di N ONU, splitting loss 1/N Uso di un LED anche al CO per traffico downstream Segnale dal LED in broadcast a tutte le ONU Uso di 2 sorgenti al CO LED a 1310 nm (broadcast) Laser a 1550 nm, trasmissione solo ad alcune ONU Trasmissione di video analogico su rete digitale Componenti WDM per PON ancora troppo costosi Tuttavia WRPON offrono capacità molto superiori

36 LARNET WRPON (2) Spectral slicing

37 LARNET WRPON (3)

38 Standard per PON (1) APON (ATM PON): Full Service Access Network group (FSAN); È una TPON; Banda aggregata 622 Mbit/s (155 Mbit/s) per downstream (upstream); Usando laser si ha splitting per 16 o 32, con banda per utente circa 20 Mbit/s; BPON (Broadband PON): Un evoluzione di APON sviluppata da ITU

39 Standard per PON (2) GPON (Gigabit PON): È un upgrade di APON di ITU-T; Banda in downstream 1.2 o 2.5 Gbit/s (point-to-multipoint con splitting <= 64); Banda in upstream (condivisa in TDMA): 155, 622, 1250 o 2500 Mbit/s; GEPON (Gigabit Ethernet PON): È la versione IEEE delle PON; Banda up e down pari 1.2 Gbit/s; 10G-EPON (10 Gigabit Ethernet PON).

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