Lo sviluppo della rete di accesso

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1 Modena, 16 maggio 2011 Università di Modena e Reggio Emilia, Facoltà di Ingegneria S.p.A.

2 Obiettivo dell intervento Panoramica sullo stato dell arte delle tecnologie utilizzate in rete di accesso Presentare i trend di sviluppo, con particolare riferimento alla rete di Telecom Italia (NGN2/NGAN) 1

3 Agenda Architettura di una rete di telecomunicazioni Tassonomia delle reti di accesso Collegamenti su cavo ( wired ) Le tecnologie xdsl Le soluzioni su fibra ottica Comunicazioni su onde convogliate Collegamenti radio ( wireless ) Mobile wireless Fixed wireless Next Generation Networks (NGNs) 2

4 Architettura di una rete di telecomunicazioni L architettura di una rete dipende da Numero di nodi terminali da collegare Distanze in gioco Tipologia dei servizi da erogare e requisiti di comunicazione specifici Trend di crescita (dei nodi, dei servizi, ecc.) Infrastrutture disponibili (rame, fibra, ) Criterio generale di classificazione degli elementi di una rete (nodi e rami): Rete di dorsale o backbone Rete di accesso 3

5 Rete di dorsale e rete di accesso Si Si Dorsale (primaria) Dorsale (secondaria)/concentrazione/distribuzione Si Accesso 4

6 Progettare una rete di telecomunicazioni: quali alternative? Le alternative sono dettate dal contesto e dai requisiti Opzione 1: posare in autonomia apparati e portanti fisici (cavi, ponti radio, ) L installazione di reti di telecomunicazioni in ambiente pubblico è soggetto a limitazioni e normative = non tutti sono abilitati Opzione 2: acquistare da un operatore i portanti fisici In genere il costo dipende dalla capacità (banda) e dalla distanza, perché si tratta di risorse pregiate Opzione 3: acquistare da un operatore canali trasmissivi punto-punto, decidendo in autonomia la topologia di connessione tra le sedi Minori costi rispetto all opzione 2 (si condividono mezzi trasmissivi) Opzione 4: acquistare da un operatore un servizio di comunicazione che interconnette le sedi, 5

7 Esempio 6

8 Esempio 7

9 Esempio 8

10 Perché sono così interessanti le reti di accesso? L architettura delle reti di backbone (e i requisiti che devono soddisfare) sono abbastanza consolidati Stesso discorso vale per le tecnologie: dominio incontrastato della fibra ottica 9

11 Focus sulla rete di accesso La rete di accesso è la parte di una rete di telecomunicazioni (apparati & collegamenti) che raggiunge gli utilizzatori finali. Si distingue dalla rete di dorsale (o backbone), che interconnette le sedi (PoP) di un fornitore di servizi di telecomunicazioni o le sedi principali di una grande azienda multisede Rete di accesso: Molti collegamenti (anche milioni) Bassa velocità (~ Mbit/s) Brevi distanze (< 50 km) Frequenti riconfigurazioni Rete di dorsale Pochi collegamenti Alta Velocità (~ Gbit/s) Lunghe distanze (> 100 km) Limitate riconfigurazioni 10

12 Caratteristiche della rete di accesso E la componente di maggior valore economico di una rete di telecomunicazioni In Telecom Italia, la rete di accesso impegna la maggior parte dei tecnici e rappresenta oltre il 30% delle spese la maggior parte dei guasti riguarda la rete di accesso E inoltre Le caratteristiche della rete di accesso determinano (vincolano) i contenuti che possono essere trasmessi tra gli elementi terminali i della rete 11

13 La rete di accesso per la convergenza dei servizi di telecomunicazioni La convergenza, cioè l unificazione del trasporto di differenti servizi di telecomunicazioni (voce, dati, video = Triple Play) grazie al protocollo IP è una realtà consolidata: Rapidissimo sviluppo della telefonia su IP (VoIP) La questione non è più come avverrà, ma quando Nel 2002 si è avuto il sorpasso del traffico dati sul traffico telefonico Dal 2004 la rete telefonica a lunga distanza di Telecom Italia è trasportata su IP (uno dei primi esempi mondiali di NGN1) Le tecnologie in rete di accesso hanno un ruolo centrale: Larghezza di banda adeguata Economicità e velocità di deployment Copertura del territorio/mercato potenziale NGN1 NGN1 = = IP IP in in rete rete di di trasporto trasporto NGN2 NGN2 = = IP IP in in rete rete di di accesso accesso 12

14 Il Ruolo della rete di accesso nel triple play Internet Utilizzatore Rete di accesso Rete di trasporto Telefonia Televisione 13

15 Tecnologie impiegate nella rete d accesso Sistemi in rame ADSL, ADSL2, ADSL2+ S/HDSL VDSL, VDSL2 Sistemi in fibra ottica Sistemi SDH Sistemi DWDM Metro Ethernet PON/GPON Sistemi radio (wireless) Ponti radio SDH Fixed wireless (WiFi, WiMAX) Mobile wireless (GPRS, EDGE, UMTS, HSDPA) 14

16 Architettura della rete di accesso in esercizio: la rete fissa La figura mostra la struttura della rete telefonica tradizionale E importante tenerla presente perché su di essa si pianifica la struttura e l evoluzione della rete di accesso 15

17 Rete di accesso passiva in rame Armadi (144k) Centrale (10.400) 107M kmcp 540k kmcavo Sedi ad alta densità di linee Rete primaria Rete secondaria 16

18 Rete di accesso attiva in rame armadi centrale Sedi ad alta densità di linee UCR/MUX Rete primaria Rete secondaria 17

19 A che cosa serve la rete d accesso in rame? Servizi tradizionali Telefonia (analogico e digitale) Circuiti dedicati in banda fonica 0 4 khz (CDA, Circuiti Dedicati Analogici) Circuiti dedicati numerici (1, kbit/s) Servizi con accessi DSL (Digital Subscriber Loop) ADSL/ADSL2+ (A = Asymmetric) HDSL (H = High-speed) SHDSL (SH = Symmetric High-speed) VDSL/VDSL2 (V = Very High Bitrate) 18

20 Le tecnologie DSL Operano su 1 o più coppie in rame Utilizzano una banda molto maggiore della banda fonica (~MHz) In configurazione over-voice per garantire la coesistenza con il servizio telefonico (es. ADSL) In alternativa al servizio telefonico per servizi solo dati (es. HDSL) Permettono di raggiungere bit-rate dell ordine delle decine di Mbit/s Si basano su schemi di modulazioni complessi, resi possibili su scala industriale dall utilizzo di DSP a basso costo Richiedono continuità galvanica e hanno prestazioni fortemente dipendenti dalla lunghezza della coppia e dalla presenza di segnali interferenti Concepite per realizzare il collegamento tra la sede cliente e il nodo dell operatore (no end-to-end) 19

21 Architettura di rete xdsl: ieri CPE IP flow BRAS ATM switch Mbit/s ATM backbone Mbit/s DSLAM BRAS = Broadband Remote Access Server CPE = Customer Premises Equipment DSLAM = DSL Access Multiplexer 20

22 Architettura di rete xdsl: oggi CPE IP flow BRAS GBE 2,5 Gbit/s DSLAM BRAS = Broadband Remote Access Server CPE = Customer Premises Equipment 21

23 Tecnologie xdsl: prestazioni e distanze # Cp Mbit/s 50 VDSL2 ADSL SHDSL HDSL ADSL2+ VDSL/ ADSL SHDSL 8 Lunghezza media del rilegamento nella rete Telecom Italia km 22

24 La Rivoluzione dell Accesso: il caso ADSL 1992: rilascio degli standard ADSL 1994: prime sperimentazioni in Telecom Italia 1998: lancio servizio commerciale ADSL in Italia (rivolto a grandi aziende e Operatori/ISP) 2010: 6 città coperte (Milano, Torino, Brescia, Padova, Bologna, Roma) 35 centrali attive accessi potenziali comuni su (pari al 96,5% della popolazione) di cui con una copertura superiore al 70% centrali attive su (al 31/12/2009) 8.4M accessi attivi 23

25 Copertura per Centrale vs. per Comune Comune A Centrale 1 Centrale 2 Comune B Centrale 3 Una centrale telefonica distribuisce spesso i suoi accessi su due o più Comuni; pertanto non esiste una corrispondenza univoca tra centrali e Comuni Pur in presenza di alto livello di copertura xdsl, il numero dei Comuni con copertura non elevata risulta essere ancora relativamente consistente Un elevato numero di Comuni presenta dimensioni piccole o piccolissime 24

26 ADSL 2+ Caratteristiche: Capacità downstream fino a 20 Mbit/s su distanze corte; 8-10 Mbit/s a 1700 m Capacità upstream come quella dell ADSL (~1 Mb/s) Impatti: Infrastruttura: nessun impatto (FTTE) Terminali: il parco delle CPE attualmente in uso non è ADSL2+ ready Standard: Raccomandazione ITU-T G approvata nel 2004 Sono in corso dei minor enhancement 25

27 VDSL2 Caratteristiche: Elevate bande su loop molto corti grazie a estensioni dello spettro (138kHz 30MHz) FTTCab: Mbit/s (500-50m); FTTB: Mbit/s (<100m) Interoperabilità: Ad oggi soluzioni proprietarie; full interoperability raggiungibile nel corso del triennio Roadmap e Maturità tecnologica Primi chipset commerciali previsti in 1Q06-2Q06 Impatti: Terminali: il parco delle CPE attualmente in uso non è VDSL2 ready Standard ITU-T G (Feb-2006) Trasporto nativo di frame Ethernet (EFM 802.3ah) in modo più efficiente rispetto all inclapsulamento inb trame hdlc Gestione del PSD (Densità Spettrale di potenza) per facilitare la coesistenza di più sistemi VDSL2 sullo stesso cavo/armadio Bonding di più coppie VDSL2 26

28 Rete di accesso in fibra ottica 27

29 Esempio: MAN di Bologna 28

30 Accesso su cavi in fibra Gli accessi in fibra ottica, grazie ai progressi delle tecnologie xdsl, sono attualmente indirizzati per applicazioni ad alta capacità: Soluzioni SDH: canali trasparenti a bitrate prefissata (34, 155, 622, Mbit/s) costruiti sulla rete di trasporto SDH regionale/nazionale di Telecom Italia; Servizi Metro Ethernet: basati su MAN Gigabit Ethernet sulle quali è possibile attivare VLAN multiple per interconnessione di sedi in ambito metropolitano e/o collegamenti a reti IP geografiche (per accesso ad Internet, VPN MPLS, ecc.) Collegamenti DWDM: servizi di trasporto (livelli 1-2) costruiti sulla rete DWDM di Telecom italia 29

31 Soluzioni SDH SDH (Synchronous Digital Hierarchy) è una tecnologia di trasporto standardizzata da ITU-T e introdotta all inizio degli anni 90 nella rete di Telecom Italia Permette di realizzare in modo efficiente e flessibile collegamenti puntopunto a bitrate prefissata da 2 a 2488 Mbit/s Altre caratteristiche importanti: Presuppone l utilizzo di connessioni fisiche in fibra ottica Topologie di rete basate su anelli Sofisticati meccanismi di protezione dei collegamenti con elevata velocità di commutazione (~50 ms) Possibilità di aggregare, inserire ed estrarre singoli canali trasmissivi nei nodi di rete 30

32 Esempio di applicazione Collegamento dedicato tra sede e nodo SDH 6 Anelli nazionalibackbone Anelli nazionali di Raccordo 9 anelli Rete Nazionale Canale punto- punto 34 nodi di accesso alla Rete Nazionale (A1) di cui 16 superiori 18 Reti Regionali Nodo di Transito Rete Nazionale Nodo di Accesso alla Rete Nazionale (A1) 31

33 Accessi DWDM DWDM Core Network Disponibilità di canali DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) protetti su rete metropolitana o a lunga distanza con capacità di 2,5 o 10 Gbit/s Canale protetto: reinstradato automaticamente in caso di guasto grazie alla presenza di OXC (Optical Cross-Connect) Varietà di protocolli e interfacce verso l utilizzatore (SDH, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, ) 32

34 La rete DWDM di Telecom Italia 33

35 Protezione dei circuiti su una rete DWDM OXC OXC OXC OXC Lambda di restoration Lambda working OXC OXC BACKBONE OTTICO TI 34

36 Applicazioni CWDM Nodo di Accesso Nodo di Accesso PE PE Nodo di Aggregazione 1CSM 4TCA 1CSM 4TCA 2 * 10Gbe L2/L3 4TCA Nodo di Aggregazione 8CSM 2 * 8 * Gbe Anello di Accesso CWDM 1 C S M Filt ro CWDM Nodo di Accesso 2 * Gbe 4TCA PE 2 * 10Gbe 8CSM L2/L3 4TCA 2 * 8 * Gbe 1CSM Nodo di Accesso 4TCA PE 35

37 MAN Gigabit Ethernet Nodi di dorsale Nodo di accesso 1 Gbit/s 2 x 1 Gbit/s (IEEE 802.3z) Terminazione standard Terminazione ad alta affidabilità 36

38 PON e GPON 37

39 Dettagli sulle GPON Standard di riferimento: ITU-T G.984.x, prodotti dal SIG FSAN I componenti attivi della GPON sono la OLT e la ONU/ONT, mentre la ODN è interamente passiva (= è composta di fibra e di diramatori) Con le tecnologie attuali, una OLT può pilotare fino a 128 ONU/ONT (= il fattore di splitting della GPON è 1:128) Fattori di splitting più alti (=maggior numero di ONU/ONT) determinano Banda condivisa tra un maggior numero di utenti Minore distanza massima OLT ONU/ONT perché si riduce il power budget per terminazione Una sola fibra per entrambi i versi di trasmissione Upstream nella banda nm 1,244 Gbit/s Downstream nella banda ,488 Gbit/s Evoluzione GPON e protezione degli investimenti Aumento fattore di splitting Aumento bitrate (XG-PON 10 Gbit/s PON, NG-PON2) 38

40 Accesso radio (wireless) Fixed/Nomadic Wireless WiFi, WiMAX Il terminale si connette alla rete (in presenza di copertura radio) quando è fermo ; viceversa, quando il terminale è in movimento il collegamento non è assicurato. Mobile Wireless GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSPA/LTE Il terminale deve connettersi a larga banda alla rete anche in condizione di mobilità veicolare 39

41 Wi-Fi in rete di accesso pubblica Wi-Fi (standard: IEEE ) è un complesso di standard per la realizzazione di Radio LAN (WLAN) Hot-Spot: sito dotato di copertura radio Wi-Fi mediante il quale terminali compatibili possono collegarsi a Internet VPN aziendali Eventuali servizi a valore aggiunto non disponibili su Internet (walled garden) 40

42 Architettura di servizio di uno Hot-Spot Access Zone Router Layer 2 Switch Access Points LAPTOP PALMTOP 41

43 Mobile Wireless: tecnologie e servizi Su rete GSM: GPRS (General Packet Radio Service): servizio di trasmissione a commutazione di pacchetto. Non è propriamente una tecnologia ad alta velocità (velocità massima teorica: 53,6 kbit/s downlink e 13,4 kbit/s uplink) EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) è una evoluzione del GPRS relativo esclusivamente alla tratta radio dove, grazie ad una tecnica di modulazione del segnale più sofisticata (8-PSK invece di GMSK), l EDGE consente, in media, di triplicare la velocità di trasmissione rispetto al GPRS Su rete UMTS UMTS (Rel. 4) velocità massima teorica: 2 Mbit/s ridotta a 384 kbit/s per non soffocare la cella HSPA (High Speed Packet Access) è una evoluzione di UMTS (Rel. 5) per il miglioramento delle prestazioni in downlink fino a 14 Mbit/s (teorici: previsti in rete Telecom 3,6 Mbit/s) LTE in fase di trial (2010) 42

44 Mobile wireless: tecnologie complementari Il servizio fonia è garantito essenzialmente dal sistema GSM I servizi dati sono forniti mediante sistemi HSPA/UMTS/EDGE/GPRS e, in aree mirate sarà sttivata la copertura LTE/HSPA+ 43

45 Nuove soluzioni per l accesso mobile: le femtocelle Sono progettate per fornire la radiocopertura di un area indoor di dimensioni limitate (un appartamento o un ufficio) Il collegamento alla rete radiomobile avviene via cavo, utilizzando tipicamente una connessione xdsl 44

46 Vantaggi delle femtocelle Incremento della capacità di rete Riduzione traffico sulle macrocelle Miglioramento della copertura indoor Miglioramento del throughput percepito dall utilizzatore (assenza di condivisione) Non occorre un terminale dual-mode (UMTS + WiFi) 45

47 La Next Generation Access Network (NGAN) di Telecom Italia T.I., come tutti gli altri operatori di TLC nel mondo, ha deciso di evolvere verso una rete All IP, in grado di supportare i servizi attuali e soprattutto di fornire le capability per i servizi futuri. Questo percorso è iniziato nel 2000: Pan European Backbone (PEB) per il traffico voce internazionale e il traffico dati: ; Optical Tansport Network (OTN) & Optical Packet Backbone (OPB): ; BBN per migrare tutta la fonia di transito su backbone IP (Class 4 replacement): ; Piattaforma di controllo SIP per supportare i servizi VoIP (Alice Voce) e IP Centrex: ; Optical Packet Metro (OPM):

48 NGAN: motivazioni Sviluppo servizi Mass Market fisso: servizi multimediali (Triple Play), abilitati dalla larga diffusione di profili ultra broadband, con velocità di picco downstream a 50/100 Mbit/s Aziende/Pubblica Amministrazione: distribuzione applicazioni informatiche Mobile: evoluzione verso il broadband mobile (>10 Mbit/s) Ottimizzazione delle infrastrutture Progressiva obsolescenza della rete di commutazione tradizionale, che richiede la sostituzione nel medio-lungo termine; Progressiva saturazione della rete di accesso in rame, al crescere della penetrazione dei servizi broadband; Minori costi operativi 47

49 NGAN: scenari di diffusione Il percorso verso la NGN prevede in generale due metodologie di diffusione : Overlay: affiancamento alle reti tradizionali di una nuova rete di accesso ultra-broadband per offrire servizi IP evoluti solo ai clienti che ne fanno richiesta Total replacement: realizzazione di una nuova rete di accesso ultrabroadband sulla quale migrare la totalità dei clienti di una centrale (sia BB che NB) e sostituzione delle reti di accesso tradizionali (servizi tradizionali simulati/implementati su IP) 48

50 Le scelte tecnologiche e le prospettive di sviluppo della NGAN Access Metro FTTE Fibre Loop Copper Loop BackBone POP CO FTTCab Cabinet FTTB FTTH 49

51 Le soluzioni architetturali per l accesso NGN2 Central Office Primary Network Cabinet Secondary Network Building ( m) ( m) FTTE xdsl ADSL Mbps <1 Mbps FTTCab ONU VDSL2 VDSL2 17M M 2-10 M FTTB VDSL2 30M M M FTTH Optical Gbps 50

52 Architettura GPON per NGAN Due stadi di splitting (Muffola + Edificio) dove n x m = 64 ODF = Optical Distribution Frame (Permutatore ottico) ROE = Ripartitore Ottico di Edificio 51

53 Vantaggi delle GPON nella NGAN Utilizzo più efficiente delle fibre, con minore impatto in caso di scavi Minore consumo energetico: per una centrale di clienti GPON = 42 MWh PtP = 350 MWh Percorso evolutivo già tracciato in sede di enti di standardizzazione: XG-PON NG-PON2 Adozione da parte dei maggiori operatori (elenco non esaustivo) Europa: Telefonica; France Telecom; Deutsche Telecom; BT/Open Reach; Portugal Telecom; Telenor; Resto del Mondo: Verizon; AT&T; NTT; KDDI; Korea TELECOM; LG Powercom; China Telecom; M-NET; Etisalat; Lafayette Utilities System; Nigeria Telecom; Qatari Telecom; Telstra 52

54 GPON negli scenari NGAN Scenario Descrizione Pro Contro FTTH La ODN è estesa all edificio, con una distribuzione in fibra fino alle singole unità abitative, dove saranno collocate le ONT destinate a servire il singolo Cliente Banda (e sua scalabilità) per il Cliente finale Cablaggio in fibra sino alla sede Cliente FTTB Il secondo livello di splitting è esterno all edificio, dove si trova una ONU (alimentata), dalla quale partono doppini in rame su cui si utilizza VDSL2 verso i singoli Clienti. Riutilizzo interno in rame cablaggio Minore banda per Cliente Ospitalità ONU FTTC La ODN è terminata sull armadio Riutilizzo ripartilinea. La ONU è telealimentata interno in rame e da essa partono i circuiti in rame Assenza servitù VDSL2 cablaggio Minore banda per Cliente Limitazione sulle distanze 53

55 Trasmissione su onde convogliate E un canale di comunicazione che sfrutta le linee elettriche, sommando alla tensione alternata a bassa frequenza (50 Hz) un segnale ad alta frequenza (con banda passante compresa tra 2 e 30 MHz), ottenuto modulando una portante a 100 khz con l informazione da trasmettere Questa tecnologia è nota anche con la sigla PLC Power Line Communications Poiché questo canale di trasmissione è ricco di interferenze e disturbi, si utilizza la modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation) che risulta particolarmente indicata per ambienti ostili Applicazione più nota: telelettura contatori ENEL (28M unità installate) 54

56 Attività di standardizzazione in ambito PLC USA HomePlug Power Alliance 14 Mbit/s teorici (5/6 effettivi) HomePlugAV 100 Mbit/s teorici Europa OPERA (Open PLC European Research Alliance) 200 Mbit/s teorici 55

57 Esempio di applicazione di PLC: controllo illuminazione pubblica Server di gestione WAN - Extranet Front-end Apparato con identificativo univoco per lampione RTC, GSM, GPRS, RADIO Apparato per armadio Armadio elettrico Trasmissione ad Onde Convogliate 56

58 PLC per la realizzazione di hot-spot WiFi Internet Gestione del servizio Modem OC Hot-Spot wifi Server WAN - Extranet Rete IP Armadio elettrico Onde Convogliate ad alta velocita 57

59 Riferimenti 58