Reti Ottiche. alle Passive Optical Networks

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1 Reti Ottiche Introduzione alle Passive Optical Networks Guido Maier Dipartimento di Elettronica e Informazione Politecnico di Milano Gennaio 2010

2 Sommario Introduzione Passive Optical Network: fondamenti Standard PON Problemi aperti Conclusioni 2

3 Motivazione Negli ultimi dieci anni gli operatori hanno investito molto nelle reti di trasporto ottiche di backbone, rendendo potenzialmente disponibile una capacità trasmissiva enorme Tale capacità è ancora largamente inutilizzata nella pratica perché gli utenti finali non hanno accesso alla rete a banda sufficiente (banda ultra-larga) Per questa ragione è necessario che gli operatori orientino gli investimenti dei prossimi anni verso lo sviluppo di una infrastruttura d accesso efficiente e capillare Le fibre ottiche e la fotonica rappresentano ancora la SOLUZIONE IDEALE così come lo erano stati per la rete di core nel passato Internet è oggi in una fase di espansione con crescita esponenziale. Le reti di accesso ottiche sono in grado di supportare il traffico futuro in the loop (nell accesso) perché superano le limitazioni di banda dei cavi in rame del DSL e della radiofrequenza dell accesso wireless 3

4 Accesso a banda larga In realtà l accesso alla rete è migliorato già di molto in passato con l avvento delle tecnologie a LARGA BANDA (Next Generation Network - NGN) xdsl, 3G-GSM (GPRS), più di recente HSPA e WiMAX Soppiantato l accesso tramite MODEM (dial-up) Ha consentito la diffusione di Internet e di molte applicazioni (es. peer-topeer) E andato di pari passo con l informatizzazione diffusa dell utenza residenziale (piani anti-digital-divide in molti Paesi) Ha portato le fibre fino alla centrale o alla base-station wireless 4

5 Accesso a banda ultralarga (NGAN) La larga banda non è però future-poof. E necessario evolvere verso l accesso a BANDA ULTRALARGA (Next Generation Access Network - NGAN) Le tecnologie sono già disponibili e la PON è la più promettente Richiede investimenti per un infrastruttura ad elevata penetrazione della FIBRA OTTICA verso l utente Pone vari problemi di regolamentazione (unbundling), accordi commerciali e modelli di business ancora da affrontare Il confine tra banda larga e ultralarga non è preciso: si può collocare intorno ai 30 Mbit/s per utenza residenziale 5

6 Un esempio: gli Stati Uniti US House Holds in Service [m illion] FiOS (Verizon) U-Verse (AT&T) Change from xdsl to Advanced H-S Accesses Total Advanced Telco H-S Accesses xdsl Accesses - Non-advanced Total Telco H-S Accesses Banda larga + ultralarga Larga banda (xdsl) Banda ultralarga Source: Information Gatekeeper Inc Crescita dell accesso a banda ultralarga (Advanced H.S. Access) rispetto alla banda larga (xdsl Access Non-advanced) Diminuzione degli accessi a banda larga a favore della banda ultralarga a partire dal 2012 In alcuni Paesi (soprattutto nella zona Asia-Pacifico) questo sta già avvenendo oggi! 6

7 Struttura delle reti di telecomunicazione Lo scenario tradizionale LONG DISTANCE NETWORK High-level SONET/SDH cross-connects (DXC 4/4) Low-level SONET/SDH x connects (DXC 4/3/1) JUNCTION NETWORK Tributary de/muxers (DXC 1/0) FEEDER NETWORK DISTRIBUTION NETWORK Telephone copper twisted pairs Gerarchia della rete fortemente strutturata I livelli sono ben distinti e utilizzano apparati differenti La rete d accesso (per telefonia) è in rame ACCESS NETWORK TRANSPORT NETWORK 7

8 Struttura delle reti di telecomunicazione Lo scenario futuro IP router IP router MSS OA MSS OXC Transport/metro network OA OADM OXC OADM OADM OADM Access network RN OLT OLT RN ONT OXC = Optical Cross Connect OADM = Optical Add-Drop Multiplexer OA = Optical Amplifier OLT = Optical Line Termination RN = Remote Node ONT = Optical Network Termination MSS = Multi-Service Switch Fiber optics in the loop (nell accesso) Tecnologia ottica trasparente (minimizzazione dell uso dell elettronica e delle conversioni O/E/O) 8

9 Caratteristiche della rete di accesso Il subscriber loop Utenti finali (alias subscribers ) Tipo di utente Cliente residenziale Cliente business Small Office Home Office (SOHO) Posso essere dotati di una rete di utente Customer premises network (business) Home network (residenziali) Terminazione di utente (end node) User to Network Interfaces (UNI) Vari tipi di apparati semplici Set-top box Computer communication cards Telephone terminal (smart phone) Normalmente proprietà del cliente o fornite dall operatore su base contrattuale 9

10 Caratteristiche della rete di accesso Operatori Quasi in ogni Paese il principale operatore della rete di accesso è lo stesso operatore della rete di trasporto Normalmente detto INCUMBENT per la sua posizione dominante in quanto proprietario della maggior parte dell infrastruttura In genere la posizione dominante è stata acquisita in passato come operatore telefonico nazionale Gli altri operatori minori che si dividono il mercato sono chiamati OLO (Other Licenced Operator) Tra incumbent e OLO i rapporti vengono regolati da un Authority nazionale che stabilisce gli obblighi di accesso all infrastruttura dell incumbent da parte degli OLO (unbundling) per rendere fair la competizione Varie tipologie di operatori Tradizionali telecom (anche regionali) Radiomobile Multi-Service Operator (MSO), televisioni via cavo (CATV) Facilities (gas, elettricità, ecc.) Amministrazioni locali, enti pubblici Internet Service Provider (ISP) Reti business Negli USA (e Canada) gli operatori della rete di accesso sono i Local Exchange Carrier (LEC) [distinti dai long-distance] Incumbent LEC (ILEC): spesso una Regional Bell Operating Company (RBOC o Baby Bell), nata da AT&T (e.g. Verizon) Competitive LEC (CLEC): OLO 10

11 Caratteristiche della rete di accesso Nodi di accesso Interfaccia la sottorete d accesso con la rete di trasporto (normalmente mediante una Node-Network Interface (NNI)) Denominazioni Centrale telefonica (Central Office (CO)) Local exchange Point of Presence (POP) (IP, Ethernet) Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM) nel caso xdsl Apparati complicati, Richiedono housing opportuno (normalmente in edificio o locale ad-hoc) Proprietà di un operatore Può essere riservato spazio per operatori concorrenti (unbundling) 11

12 Lo scenario TLC classical Applicazioni In passato, lo scenario dei servizi TLC classical era relativamente semplice Servizi monomedia or 2-media Relazioni precise tra caratteristiche operative e qualità del servizio Servizi di telecomunicazione diversi potevano essere supportati da reti separate, gestite da operatori diversi 12

13 I nuovi servizi ICT Lo scenario dei servizi si movimenta A partire dagli anni 90 avvento dei servizi multimediali ad alto contenuto informativo, alta interattività, alto grado di servizio richiesto Gli operatori, prima legati ciascuno ad un servizio ben specifico, tendono ad ampliare l offerta 13

14 I nuovi servizi ICT Servizi dell utenza residenziale Voice over IP (VoIP) service Telco VoIP: modello basato su un architettura client-server e sul protocollo SIP. Richiede un server centralizzato per la registrazione degli utenti e la gestione delle chiamate (e.g. GIZMO ). Peer-2-peer VoIP: assenza di server centralizzato. Architettura con super nodes : hanno un indirizzo IP pubblico e offrono storage, processing & banda e istradano le chiamate criptate. Ciascun super node serve centinaia di Peer Nodes. (e.g. Skype ). P2P file sharing (e.g. BitTorrent, Azureus, Kazaa, Emule ). IPTv (e.g. Joost, Octoshape, Babelgum ). Video Sharing: Youtube è il portale video più popolare che genera il 10% del traffico totale di Internet e il 20% del traffico HTTP. Altri portali video: dailymotion.com, metacafe.com. Web 2.0: la seconda generazione di web-based communities e hosted service, come i siti di social-networking (FaceBook, LinkedIn), wikis (Wikipedia), che hanno lo scopo di facilitare la creatività, la collaborazione e la condivisione di conoscenza tra gli utenti. Include software di server, protocolli di messaging e varie applicazioni client. 14

15 I nuovi servizi ICT Servizi dell utenza business Trasporto Metro (backhaul) Business Continuity & Disaster Recovery Storage and data consolidation Database storage Distributed application Cluster application Storage area networks Mobile/wireless base station backhaul interconnection ( network convergence ) Transparent LAN service (point-to-point LAN to LAN) L2VPN (point-to-point or multipoint-to-multipoint LAN to LAN) Content-provider resource distribution (remote data centers) 15

16 Necessità di un trasporto packet-based Applicazioni e servizi convergono su IP I nuovi servizi non possono più essere forniti su reti separate L integrazione fornisce servizi migliori a costi operativi più bassi Scarso successo di tentativi di integrazione precedenti (networktechnology-driven) Es. ATM and B-ISDN Eccessiva complessità e penetrazione llimitata delle nuove tcnologie L integrazione dei servizi si è realizzata autonomamente con IP Successo commerciale della tecnologia IP Facile implementazione di TCP-IP sui PC Disponibilità di apparati di rete ad alte prestazioni a Availability of extremely low-cost / high performance network equipment (mass production of IP routers) 16

17 IP: piattaforma comune Crescita esponenziale della rete IP Total IP traffic Sorce: Cisco, 2007 Anche i servizi non-dati tradizionali (voce, video) convergono su IP L IP packet-layer diventa una piattaforma integrata Molti operatori (e.g. TI) usano IP anche sulla rete a lunga distanza di backbone per trasmettere i canali telefonici Previsioni di crescita di traffico esponenziale confermate dai dati reali di crescita (es. del numero di host) PBytes per month Cisco traffic forecasts 2007 January Total Host Count 541,677,360 17

18 IP: piattaforma comune Il contenuto informativo di Internet e dalla crescita del contenuto informativo nel Web Oltre 15 miliardi di pagine Web alla fine del alla fine del 2008!! Crescita annua 100% Ha superato il contenuto informativo mondiale All Books immagazzinato in forma sia analogica che digitale in: MultiMedia Paper Film Optical Magnetic Storage Crescita annua 30% All Books (Words) A Movie A Photo A Book Yotta Zetta Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Bytes Internet 2008 Internet 2003 Source: Sims University of California at Berkeley, November

19 IP: piattaforma comune I limiti energetici alla scalabilità di Internet Il consumo energetico della rete cresce con il rate medio d accesso Se il 33% della popolazione della Terra fosse connesso: Access rate 1 Mbit/s 10 Mbit/s Christoph Glingener (ADVA), Key-note presentation, ONDM 09, Feb Power consumption 100 GW 1 TW % of world s 2007 electricity supply 5% 50% Baliga et al., COIN/ACOFT, June, 2007 I maggior consumi provengono dai nodi di commutazione ad alta capacità della rete di core Ovviamente per potenziare l accesso è necessario anche potenziare il trasporto 19

20 Evoluzione della rete di accesso Requisiti della NGAN Piattaforma d accesso unificata in grado di supportare i servizi più avanzati Offerta di accesso a banda ultralarga, ma anche possibilità di accesso a granularità più fine Gestione di connessioni punto-punto e multicast Qualità di servizio garantita con grado variabile in base alle esigenze dell utenza Modo di trasferimento e sistema di gestione e controllo comuni Deployment tempestivo Basso costo per il subscriber Soluzione time-proof Scalabilità nella capacità e nel numero di utenti Traffico bi-direzionale (downstream / upstream) 20

21 Evoluzione della rete di accesso Overlay vs. total replacement vs. migrazione a isole Una soluzione per adattare la rete d accesso al nuovo scenario è migliorare le performance delle reti esistenti (overlay) Approccio cauto per salvaguardare gli investimenti Non si adatta molto bene al modello di convergenza su IP di tutte le applicazioni Non è sempre possibile migliorare le prestazioni delle reti legacy Moltiplica i costi operativi per gestire più reti separati All atro estremo: integrare tutti i servizi su di una rete totalmente nuova (total replacement) Soluzione aggressiva che richiede enormi investimenti per sostituire l infrastruttura Trend seguito in alcuni Paesi con mercato delle applicazioni avanzate molto grande e vincoli di legacy limitati (es. Sud-Corea, Giappone) Ha il vantaggio di annullare rapidamente i costi di gestione e manutenzione della rete tradizionale Soluzione intermedia: replacement a isole La migrazione può essere effettuata intervenendo successivamente sulle aree che raggiungono un sufficiente livello di maturazione sul fronte della domanda Soluzione prevalente in Europa e USA 21

22 NGAN ottica Vantaggi della fibra ottica e della tecnologia fotonica L ottica la tecnologia più adatta rete di accesso a banda ultralarga Caratteristiche vantaggiose della fibra Enorme banda disponibile per canale (lunghezza d onda): 100 GHz e oltre Wavelength Division Multiplexing (WDM): possibilità di accoppiare più canali ottici sulla stessa fibra Bassissime perdite: 0.2 db/km (un fattore 0.95 per chilometro) Resistenza meccanica, durabilità, ridottissime dimensioni e peso, disponibilità di cavi ottici fino a 720 fibre Immunità alle interferenze elettromagnetiche esterne Trasparenza alla modulazione: segnali analogici e digitali sulla stessa fibra Non richiedono manutenzione (al contrario dei cavi in rame) Basso costo Sistemi fotonici Elevate prestazioni al rumore (tipico Bit Error Rate ) Rapida evoluzione tecnologica, affidabilità crescente, costi in diminuzione Disponibilità di componenti passivi per splitting, coupling e routing Connettori affidabili e a costi contenuti Sorgenti (laser) e sensori (fotodiodi): maturità tecnologica, facile integrazione con la componentistica elettronica 22

23 NGAN ottica Inconvenienti e ostacoli potenziali Il maggior ostacolo allo sviluppo della rete di accesso in fibra è stato per molto tempo il costo di deployment Per impianti nuovi: Costo delle opere civili di scavo e ottenimento dei permessi soprattutto in zone densamente inurbate Per infrastrutture esistenti: Sostituzione del rame con la fibra (e conseguente riadattamento di dotti, armadi, camerette, ecc.) Dismissione degli impianti di rame Infrastruttura indoor Difficoltà nel raggiungere le abitazioni usando gli stessi condotti dei cavi in rame (es. possibili curve strette) Impatto ambientale dei cantieri e dei siti di costruzione Fino a pochi anni fa la realizzazione di rete d accesso a elevata penetrazione ottica sembrava economicamente infattibile Pochi esempi di pionieri : es. Metroweb e Fastweb in Italia Oggi i tempi sembrano molto più maturi 23

24 NGAN ottica Alleviare gli oneri di istallazione Nuove tecnologie di istallazione a basso costo e impatto ambientale Facilita il riutilizzo dell infrastruttura esistente Nuovo quadro regolatorio e legislativo che promuove la concorrenza e la condivisione delle infrastrutture Stabile in molti Paesi, ancora incerto in altri (es. Italia) Presenza di dark fiber in aree urbane e nelle nuove costruzioni In ogni caso lo scenario applicativo descritto rende il modello di business molto più sostenibile che nel passato 24

25 Sommario Introduzione Passive Optical Network: fondamenti L infrastruttura d accesso ottica Rete PON: il livello fisico Controllo d accesso up/downstream Confronto di PON con altre soluzioni d accesso ottiche Standard PON Problemi aperti Conclusioni 25

26 La rete di accesso in rame Architettura fisica Servizio tradizionale di telefonia (Plain Service Telephone Network PSTN) Rete primaria Elevata condivisione Minimizzazione dei costi Rete secondaria Flessibilità Ramificazione / capillarità Cavi in rame Primari coppie In tubi o dotti Secondari coppie In trincea o aerei Central office Primary cable Feeder / primary network Dedicated / leased line Distribution cabinet Secondary cable Distribution point (box) Distribution / secondary network Twisted pair Home network 26

27 La rete di accesso in rame Dati nazionali per la rete PSTN Italian PSTN access network (dati del 2003) subscribers, COs, 2100 subsc. / CO [France: subs.; Germany: subs., 6500 COs; United Kingdom: subs., 7000 COs] Average cable-length values Primary: 1.1 km [Fr.: 1.9 km, Ge.: 1.7 km, UK: 1.3 km] Secondary: 400 m [Fr.: 600 m, Ge.: 300 m, UK: 700 m] 85 % buried Occupation Primary: 65 % [Fr.: >70%, UK: 75 %] Secondary: 45 % [Fr.: 70%, UK: 65 %] Muxed lines: 2 Mbit/s (30 channels) USA subscribers Average cable-length values Primary: 2.7 km Secondary: 600 m 24 % above 5.5 km end-to-end Muxed lines: several 1.5 Mbit/s World average Average cable-length values Primary: 1.8 km Secondary: 520 m A. Luvison, F. Tosco, La rete di distribuzione per telecomunicazioni, Libri CSELT, 2003 Torino (Italy) Distribuzione cumulativa della lunghezza della rete di accesso in rame 27

28 La rete di accesso in rame in Italia Rete attuale di Telecom Italia Rete di Telecom Italia nel 2008 Circa km di cavo per un totale di 110 milioni di km di doppini Stadi di Linea (SL) (detti anche Central Office - CO) Negli SL sono presenti i permutatori metallici (o Main Distribution Frame - MDF) che consentono la connessione fisica dei doppini in rame verso gli utenti finali Negli SL sono inoltre presenti gli apparati DSLAM Gli SL sono connessi attraverso la rete di giunzione (backhaul) ai 628 Stadi di Gruppo Urbano (SGU) Convegno AICT, Reti di accesso di nuova generazione: Tecnologie e scenari, Milano, aprile 2008, 28

29 La rete di accesso in rame in Italia Rete attuale di Telecom Italia La rete primaria Connette gli SL (e quindi gli MDF) agli armadi stradali (cabinet) (attualmente circa ) L armadio contiene terminazioni di cavi più piccole (o Subloop Distribution Frame SDF) La lunghezza dai 200 metri ai 3000 metri Solitamente è installata in cavidotti pressurizzati La rete secondaria Connette gli armadi stradali (e quindi gli SDF) con i box di distribuzione agli edifici Lunghezza dai 100 ai 700 metri. Solitamente installata in trincea con i cavi direttamente interrati I box Armadietti di terminazione dei cavi (Distribution Frame, DF) a cui fanno capo una decina di doppini in rame. Ciascuno serve un area elementare Possono essere interni agli edifici (circa 1,5 milioni) oppure esterni (circa 3,9 milioni). Nel caso di grandi edifici, il box interno è chiamato armadietto di distribuzione Il collegamento interno all edificio connette gli armadietti di distribuzione con le borchie degli utenti finali 29

30 Rete di accesso NGAN Modello di rete integrata Internet carrier Web farm VOD server Customer database Local service provider network Service feeder / primary network Distribution / secondary network Home network Set-top box Pubblic transport network Service feeder / primary network Punto di interconnessione di varie reti differenti Rete di trasporto pubblica Reti di service-provider locali, in cui si trovano i server usufruiti dai subscriber Altre reti (es. di Internet Service Provider) Distribution / secondary network Link a scarso livello di condivisione sono fondamentali soluzioni a basso costo Home network Set-top box unificato per vari servizi (triple-play) o rete locale per interconnettere interfacce separate 30

31 Rete di accesso NGAN Fiber In The Loop (FITL) CO Service feeder / primary network Distribution / secondary network NIU Downstream traffic Upstream traffic Il termine Fiber-in-The Loop (FITL) indica qualsiasi rete di accesso in cui parte o tutti i collegamenti sono in fibra ottica Schema semplificato Il nodo d accesso è genericamente chiamato Central Office (CO) Il terminale d utente è genericamente chiamato Network Interface Unit (NIU) Traffico Downstream = verso i subscribers Upstream = verso il central office La terminologia specifica poi varia a seconda dell implementazione 31

32 Fiber in the loop Classificazione Fiber to the (FTTx) Varie soluzioni proposte, risultanti dal trade-off tra costo di sostituzione del rame (o di istallazione della fibra) e ritorno economico dell incremento delle prestazioni La sezione di rete vicino all utente finale (ramificazione massima, condivisione dei costi tra gli utenti minima) può rimanere in rame Il nome delle varie soluzioni è determinato dalla collocazione in rete del Electro-Optical (opto-electronic) Interface (EOI) Casi classificati [Fiber To The Exchange (FTTE): EOI nel CO In realtà indica una rete di accesso interamente in rame; a rigore non è una soluzione FITL] corrisponde alla situazione attuale della rete TI in rame Fiber To The Cab (FTTCab): EOI nell armadio (PSTN cabinet) Fiber To The Curb (FTTC) / Fiber To The Building (FTTB): EOI nel box di distribuzione (PSTN distribution point) esterno (curb) o interno (building) Fiber To The Home (FTTH) / Fiber To The Office (FTTO): EOI nel NIU Ogni operatore sceglie la configurazione che minimizza i rischi e gli extra-costi e sfrutta al meglio la propria rete legacy (ove presente) 32

33 Fiber in the loop Classificazione applicata al caso italiano Central Office Primary Network Cabinet Secondary Network Building ( m) ( m) Banda Larga NGN FTTE xdsl rame rame ADSL Mbit/s <1 Mbit/ss Exchange centrale FTTCab fibra ONU VDSL2 rame VDSL M 2-10 M Cabinet armadio FTTB fibra fibra rame VDSL M M Building edificio FTTH fibra fibra fibra Optical Gbit/s Home casa Banda Ultra Larga NGAN Fonte: Telecom Italia NB Esistono moltissime altre varianti: Cab. Curb, Node, Premises, Passive Optical Networks Gennaio Office, 2010Dormitory, Farm, ecc. Qui sono tutte deliberatamente ignorate! 33 33

34 Fiber in the loop Terminologia definita dallo standard ITU-T G.983 Optical Line Termination (OLT) Apparato Access network terminal equipment nel CO Optical Distribution Network (ODN) Parte in fibra della rete Optical Network Unit (ONU) Interfaccia tra fibra e sezione in rame Optical Network Termination (ONT) NIU quando il subscriber è raggiunto in fibra Network Termination (NT) NIU quando il subscriber è raggiunto in rame OLT CO ODN ODN Primary network ODN ONU ONU Copper Copper Secondary network Electronics ONT NT NT NIU FTTH/O FTTB/C FTTCab From G.983 ITU-T Recommendation (1998) Home network 34

35 Fiber in the loop Rete ottica d accesso attiva CO CO switch / POP Optical ADM Primar (WDM) fiber ring SDH ADM Optical ADM Cab switch / POP VDSL modem VDSL m. Secondary fiber Secondary fiber ring Possibile in tutte le versioni FTTx (FTTCab, FTTC/B, FTTH/O) L interconnessione tra diverse sezioni della rete avviene tramite apparati di commutazione attivi Tipicamente, switch Ethernet o router IP Optical Add Drop Multiplexers (OADMs) Il tratto di rete primario può essere realizzato con topologia ad anello Possibilità di sfruttare i ring ottici in area metro (eventualmente anche in multiplazione di lunghezza d onda) L ultimo tratto, se in rame, può essere: Twisted pair (with ADSL / VDSL) UTP-5 (with 10/100 Fast Ethernet, especially for indoor plant in the FTTC/B solution) HUB STB Home network Build. switch / POP 35

36 Fiber in the loop Passive Optical Network (PON) CO CO switch / POP Primary (WDM) fiber (fiber ring) Primary ODN Remote Node (RN) ONU Topologia a doppia stella ottica: l Optical Distribution Network è ripartito nei tratti primario e secondario da un Remote Node (RN) L RN è un componente passivo di ripartizione / ricombinazione dei segnali ottici Può essere collocato in un armadio o più di frequente in un distribution box (ad es. di edificio) Le fibre nel tratto primario sono più condivise, nel tratto secondario meno condivise Eventualmente dedicate ad ogni ONT nel caso FTTH NT copper Secondary fibers Secondary ODN HUB ONT STB NT ONU Home network Build./C ONU 36

37 Fiber in the loop Passive Optical Network (PON) CO CO switch / POP Primary (WDM) fiber (fiber ring) Primary ODN Remote Node (RN) ONU NT copper Secondary fibers Secondary ODN HUB ONT STB NT ONU Home network Build./C ONU Possibile in tutte le versioni di FTTx (FTTCab, FTTC/B, FTTH/O) FTTCab e FTTB/C consentono un riutilizzo parziale dell infrastruttura in rame e migliore utilizzo della banda ottica condivisa tra più utenti La più ottica delle soluzioni La multiplazione dei segnali sul tratto primario può avvenire nel dominio del tempo, della lunghezza d onda o entrambe 37

38 Fiber in the loop Passive Optical Network (PON) FTTCab PON Rete Metropolitana In Fibra SGU o SL Piano Casa Borchia OLT Splitt er 1:n O D F Rete di accesso ottica primaria Armadio ONU SD F Rete di distribuzione secondaria in rame DF Box Locale chiuso FTTB/C PON Rete Metropolitana In Fibra SGU o SL Piano ONU Casa Borchia OLT O D F Rete di accesso ottica primaria Splitt er 1:n OD F Rete di accesso ottica secondaria OD F DF Adduzione Locale chiuso 38

39 Fiber in the loop Passive Optical Network (PON) Rete Metropolitana In Fibra Orizzontale OD F Verticale Casa ONT Piano FTTH PON SGU o SL OLT O D F Rete di accesso ottica primaria Splitt er 1:n OD F Rete di accesso ottica secondaria OD F OD F Splitt er 1:n Adduzione Locale chiuso 39

40 Fiber in the loop Rete ottica d accesso attiva Vantaggi Elevata flessibilità nel progetto Elevata affidabilità / capacità di ripristino guasti (se ODN primaria è metro ring) Non richiede nuovi protocolli di controllo dell accesso in rete; si basa su tecnologie di commutazione ben consolidate (IP, Ethernet) Non richiede specifici protocolli di gestione Terminale d utente a basso costo (tipicamente, uno switch Ethernet con interfacce standard) Svantaggi Il remote node è attivo e va quindi alimentato ( costi operativi energetici + infrastruttura più complicata per raggiungere l alimentazione elettrica) Frequenti punti di conversione optoelettronica del segnale ( inefficienza energetica consumo elevato di potenza) Non trasparente ai segnali analogici 40

41 Fiber in the loop Passive Optical Network (PON) Vantaggi Un RN splitter/combiner passivo è economico e non richiede manutenzione, alimentazione e controllo dei fattori ambientali (es. climatizzazione) ODN ottica completamente trasparente da CO a ONU (ONT) Risparmio energetico per assenza di conversioni elettroottiche Possibilità di invio simultaneo di canali digitali e analogici (es. TV) Banda disponibile estremamente grande Svantaggi I segnali upstream da ONU diversi non possono collidere al RN Trasmissione upstream di tipo burst-mode: ogni trasmettitore ONU deve accendersi e spegnersi, l OLT si deve ri-sincronizzare e ricalibrare ad ogni busrt ricevuto Tutti gli ONU devono essere sincronizzati ad un riferimento temporale comune E richiesto un protocollo Medium Access Control (MAC) nuovi protocolli sviluppati ad hoc per la gestione e il controllo della rete Il numero di ONU raggiungibili da una fibra primaria è limitato (ad alcune decine) 41

42 Sommario Introduzione Passive Optical Network: fondamenti L infrastruttura d accesso ottica Rete PON: il livello fisico Controllo d accesso up/downstream Confronto di PON con altre soluzioni d accesso ottiche Standard PON Problemi aperti Conclusioni 42

43 Schema base di una rete PON OLT: Optical Line Termination ONU: Optical Network Unit ONT: Optical Network Terminal ODN: Optical Distribution Network RN: Remote Node Voice Video Downstream Traffic Fiber link Copper link ONU ONU Office Building Apartment Building OLT Passive Device Upstream Traffic ISP A Central Office ONU ONT Houses ODN 43

44 Schema base di una rete PON Premessa metodologica Da questa slide in poi per la presente e la successiva parte di corso quando si fa riferimento alla Passive Optical Network (PON) si assume lo schema base (next slide) Tutte le considerazioni sono indipendenti dal modello di FITL specifico quanto si dirà vale indifferentemente per PON usate per FTTCab, FTTC/B, FTTH/O Per semplicità la terminazione d utente sarà in genere indicata come ONU Si assumono le distanze OLT-RN e RN-ONU secondo i valori massimi per l infrastruttura italiana ODN primaria: 3 km ODN secondaria: 700 m 3000 m 700 m ONU OLT ONU ODN RN ONU 44

45 Schema base di una rete PON Sistema di trasmissione ottica digitale Il trasmettitore trasforma i bit da trasmettere in impulsi ottici in base alla modulazione ON-OFF Keying (OOK) (in banda base) 1 logico intensità elevata 0 logico intensità bassa La trasmissione a bit-rate R bit/s dà origine a impulsi di durata circa T = 1/R s Il ricevitore ricostruisce la sequenza logica mediante rivelazione diretta dell intensità ottica degli impulsi ricevuti T Interfacce livello fisico T T t T RTZ T t t Laser Modulatore T NRZ t t Ricevitore t Es.: R = 622 Mbit/s T = 1.6 ns R = 1 Gbit/s T = 1 ns R = 10 Gbit/s T = 100 ps 45

46 Schema base di una rete PON Sistema di trasmissione ottica digitale La qualità del sistema valuta in base al tasso di errore medio (Bit Error Rate BER) Più elevata è la potenza media ottica al ricevitore, migliore è il BER, in base a curve caratteristiche del tipo di ricevitore e del bit-rate Fissata la soglia max sul BER, si determina la potenza media minima necessaria al ricevitore Parametro detto sensitivity e espresso in genere in dbm P min [dbm] = 10 log 10 (P min [mw]) Primo obiettivo del progetto è assicurare che la potenza minima ricevuta sia superiore alla sensitivity (power budget) Vedremo che non è solo la potenza ricevuta a determinare il BER log(ber) 1E 00 1E-02 1E-04 1E-06 1E-08 1E-10 1E-12 1E-14 Sensitivity Average Optical Power (dbm) Es. (sistema a 622 Mbit/s) Soglia BER = P min = -26 dbm = 2.5 μw Soglia BER 46

47 Schema base di una rete PON I componenti: la fibra ottica Struttura guidante per i segnali ottici ad altissima efficienza Come noto, il salto d indice di rifrazione n 1 -n 2 all interfaccia tra core e cladding determina il confinamento dei fasci e l instaurazione di modi di propagazione Due tipi di fibra: Multimodo: diametro di core grande (50-62 μm) Singolo modo: diametro di core piccolo (<10μm) n 1 Fibra più usata per applicazioni PON: monomodo ITUT G.652 STD SMF n 2 n 1 n 2 47

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