Reti ottiche di accesso

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1 Reti in Fibra Ottica Reti ottiche di accesso (ultimi aggiornamenti: Giugno 2012) By R. Gaudino Roberto Gaudino 1.1 Situazione ad oggi (2012) delle reti di accesso Si intende per rete di accesso la parte della rete, gestita dai gestori nazionali di telecomunicazioni, che porta i servizi verso gli utenti finali, classificabili in due grandi famiglie Business Residenziali (utenza privata) In Italia, la stragrande maggioranza degli utenti residenziali sono oggi raggiunti da un doppino telefonico twisted pair L utilizzo della fibra ottica è, in Italia, un eccezione (Fastweb, circa utenti in fibra) Una parte degli utenti Business sono invece già raggiunti in fibra (ma solo per la fascia alta) Nella prossime slides ci si concentrerà sulla situazione per l utenza residenziale Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.2

2 Situazione (ad oggi) delle reti di accesso Distanze tipiche in Italia: da 300m a 3000 m Central Office Gruppi di doppini, in fasci da alcune centinaia Street Cabinet Gruppi di doppini, in fasci da alcune decine fino a centinaia Street Cabinet Street Cabinet Notare che CIASCUN utente ha un doppino direttamente collegato in centrale (Central Office, CO) In ciascun CO sono terminati migliaia di doppini telefonici La struttura è completamente passiva, solo doppini, no apparati elettrici tra il CO e l utente finale Estrema affidabilità e basso costo Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.3 Doppini telefonici Dal Central Office possono uscire fasci contenenti migliaia di doppini Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.4

3 Central Offices pictures Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.5 Street Cabinet ( ripartitori telefonici ) Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.6

4 advanced street cabinet Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.7 Situazione (al 2007) delle reti di accesso I numeri (indicativi, riferiti a Telecom Italia) Central offices Street Cabinet 22 milioni di utenti residenziali Tutta l utenza è raggiunta da doppini telefonici, spesso installati decine di anni fa al solo scopo di trasportare la telefonica tradizionale (analogica, banda 3.2 KHz) Esistono case nei centri storici dove i doppini risalgono agli anni 50 ADSL (e versioni successive ADSL2, ADSL2+, VDSL, etc) Possibilità di trasportare fino ad alcuni Mbit/s su doppino rivoluzione tecnologica a partire dagli anni 90 NON si deve ri-cablare la rete Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.8

5 Le limitazioni delle tecniche xdsl Il bit-rate fornibile all utente è funzione di: Distanza dell utente dal central-office Interferenze da altri doppini (= numero di altre linee xdsl accese nello stesso fascio di doppini) Il grafico è a puro titolo di esempio. Considera i limiti per singolo VDSL2 from Exchange ADSL2+ doppino, senza ADSL interferenze da parte di altri doppini Distanza tra il Central Office e l utente [metri] Anche le tecnologie xdsl più sofisticate sono limitate a pochi Mbit/s (<4 Mbit/s per distanze sopra i 2 Km) Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.9 I bit-rate dei servizi più esigenti Video in qualità DVD, compresso MPEG: da 2 a 4 Mbit/s Video in alta qualità attuale (HDTV, BlueRay), compresso MPEG: 15 Mbit/s Video ad alta definizione future (formato 4K, già pre-commerciale): Mbit/s La richiesta di trasporto di video verso l utente residenziale satura la capacità di xdsl Si prevede di fornire in ciascun appartamento la possibilità di fruire di 2-3 flussi video in contemporanea (oltre a fonia, dati, etc) Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.10

6 Le soluzioni ottiche: FTTx CO Fiber ONU = Optical Network Unit ONU Copper, twisted pair NIU NIU = Network Interface Unit FTTCab Fiber to the cabinet CO ONU Copper, twisted pair NIU FTTB Fiber to the Building CO Central office ONU/NIU FTTH Fiber to the Home Idea base: accorciare (o addirittura annullare) la lunghezza del collegamento da coprire in doppino, utilizzando per il resto la fibra ottica Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.11 Distanze e bit-rate Central Office Primary Cabinet Secondary 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 Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.12

7 La soluzione FTTH PRO Risolve completamente qualunque limitazione di banda Soprattutto usando fibra singolo modo, si copre qualunque ragionevole richiesta di banda per utente (Gbit/s) CONTRO Richiede un ri-cablaggio COMPLETO della rete di accesso, costosissimo Richiede un apparato ottico per CIASCUN appartamento Al 2007, le stime di costo per ogni nuovo accesso FTTH completo sono dell ordine dei euro ad utente per grosse città, molto dense (tutto incluso, il costo è soprattutto legato ai lavori edili ) notare che i potenziali utenti residenziali sono, in Italia, 22 milioni (!!) Un upgrade di TUTTI gli utenti al FTTH richiederebbe investimenti dell ordine dei miliardi di euro (!!) Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.13 La soluzioni intermedie FTTCab, FTTB Portare la fibra più vicina all utente finale, usando xdsl solo per l ultimo tratto Diventando più corta la parte in xdsl, i possibili bit rate crescono (fino a circa 50 Mbit/s simmetrici su 200 metri per le migliori tecnologie attuali) Ciascuna fibra è utilizzata per trasportare il traffico relativo a parecchi utenti finali PRO Costi inferiori rispetto a FTTH CONTRO Minore banda per upgrade futuri Apparati attivi (e sofisticati) sparsi per il territorio Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.14

8 Le tecnologie per il FTTx Due tipi di soluzioni: Una fibra ottica dedicata per ciascun collegamento (soluzione detta Peer-to- Peer o point-to-point P2P) In Italia, è stata ad esempio la scelta di Fastweb E considerata attualmente da Telecom Italia, soprattutto nella versione FTTCab Fibra ottica condivisa tra molti utenti: si parla di architetture PON: Passive Optical Networks La vediamo nelle prossime slides riferita al FTTH, ma può essere applicata anche a FTTB e FTTCab Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.15 Architettura PON O/E CO Passive Optical Splitters O/E OLT (Optical Line Terminal) O/E ONU (Optical Network Unit) Idea base: utilizzare splitter passivi per far condividere lo stesso segnale a molti utenti Trasmissione bidirezionale su singola fibra Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.16

9 Confronto P2P e PON Vantaggi P2P Ricetrasmettitori ottici molto semplici Possibilità (dove necessario) di aumentare più facilmente il bit rate per utente Unbundling possibile a livello fisico (spostamento manuale di una fibra) Vantaggi PON Numero di terminazioni ottiche in centrale notevolmente ridotto Semplificazione della gestione dei cavi all interno della centrale Costi globalmente più bassi Semplificazione nell installazione dei cavi Minor numero di connettori/giungi lungo la rete Minore consumo elettrico in centrale Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.17 Confronto P2P e PON I fautori delle PON (solitamente gli operatori telefonici incumbent, cioè le Telecom Nazionali storiche) sostengono che: La maggiore banda a disposizione delle P2P è solo teorica: il collo di bottiglia è comunque la banda a disposizione in uscita dalla centrale verso la rete metro Nell ipotesi di uno sviluppo di massa dell accesso ottico, è impensabile gestire decine di migliaia di terminazioni ottiche in una singola centrale I fautori delle P2P (solitamente gli operatori teleconici alternativi) sostengono che: Il maggior costo degli apparati di centrale è bilanciato da Minor costo degli apparati dal lato utente Preponderanza percentuale dei costi di scavo (ingegneria civile) Fondamentale la possibilità di unbundling a livello fisico (cioè sulla fibra) Dibattito aperto su quale sia la tecnologia che consuma di meno Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.18

10 Architettura PON Esistono vari standard per le reti PON, che condividono tuttavia tutti le stesse idee di base FSAN (Full Service Access Network) Uso della singola fibra in maniera bidirezionale, tipicamente con due lunghezze d onda diverse DOWNSTREAM: da CO a utente finale: 1500 nm UPSTREAM: da utente a CO: 1300 nm Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.19 Architettura PON Bit rate (solitamente) asimmetrici nelle due direzioni Ad esempio, nella versione base FSAN ITU G (solitamente denominata come B-PON) DOWNSTREAM: 622 Mb/s UPSTREAM: 155 Mb/s Versioni evolute GPON/EPON/GEPON DOWNSTREAM: 2.5 Gbit/s UPSTREAM: 1 Gbit/s Numero di utenti: fino a 64 utenti per la versione base Si pensa a 1024 utenti per le versioni evolute Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.20

11 Bit rate per utente FSAN ITU G FSAN ITU G DOWNSTREAM: 622 Mb/s UPSTREAM: 155 Mb/s 64 utenti Il bit-rate per utente, nell improbabile caso che siano tutti connessi, è dell ordine di 10 Mbit/s downstream 2 Mbit/s upstream In realtà, grazie alla multiplazione statistica, può essere significativamente più elevato Questo è un notevole vantaggio delle architetture PON: esiste un livello intrinseco di multiplazione statistica su N utenti per ogni fibra che esce dalla centrale Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.21 Versioni GPON/EPON/GEPON È chiaro che solo le versioni più evolute (GPON/EPON/GEPON) danno un vero incremento di bit-rate rispetto alle soluzioni ADSL di fascia alta Negli stati in cui è già presente un massiccio uso di tecniche PON (Giappone, Corea, Cina) la tendenza è di installare Gigabit PON Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.22

12 Le problematiche fisiche per PON Gli splitter introducono un attenuazione pari almeno a: Ad esempio 64 utenti: minimo 18 db 1024 utenti: minimo 30 db 10log10( Nutenti ) Il numero massimo di utenti è sostanzialmente limitato all attenuazione introdotta dagli splitter passivi Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.23 Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.24

13 Le problematiche fisiche per PON Il segnale è condiviso tra tutti gli utenti DOWNSTREAM: soluzione TDM Pura Ciascun utente riceve tutto il traffico, e seleziona la parte a lui dedicata UPSTREAM: soluzione TDMA (è necessario gestire l accesso multiplo) Trasmissione a burst per ciascun trasmettitore Necessaria ricezione a burst al CO APON standard: The upstream channel is divided into 53 slots of 56 bytes at Mbps, Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.25 Trasmissione Downstream Nella direzione Downstream, cioè dalla centrale verso l utente finale, la trasmissione è (a livello fisico): Continua (flusso dati digitale continuo, senza necessità di gestire accesso multiplo) In broadcast a tutti gli utenti (a livello fisico) tutti ricevono tutto La selezione del traffico dati per ciascun utente è affidata ai protocolli di livello superiore, e non è gestita a livello fisico Video overlay: in alcune architetture, viene utilizzata un ulteriore lunghezza d onda in downstream (λ=1550 nm circa) per distribuire in broastcast un set di canali televisivi Si tratta di una λ scelta in modo da essere ben separata da quella usata per il traffico PON downstream tradizionale (λ tra 1480 e 1500 nm) Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.26

14 Trasmissione Upstream Nella direzione Upstream, cioè dall utente finale verso la centrale, la trasmissione è (a livello fisico): Discontinua, cioè a burst Gestita in divisione di tempo ad accesso multiplo In particolare, ogni utente può trasmettere in un ben determinato slot temporale all interno di una trama TDM Un opportuno protocollo assicura che in ciascuno slot trasmetta un solo utente (algoritmo di ranging) Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.27 Necessità di algoritmo di ranging Il flusso upstream nelle PON è organizzato in Frame da 125 µs Con 53 slots in ogni frame, ciascuno della durata di circa 2 µs Supponiamo che: Utente #1 sia a 2 km dalla centrale Utente #2 sia a 1 km dalla centrale La differenza tra i tempi di propagazione verso la centrale è di circa: t 5 µs 2km t 1 = 10 µ s m / s 1km t 2 = 5 µ s m / s Risulta dunque addirittura maggiore del tempo di slot! Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.28

15 Collisioni: situazione da evitare ONU #1 (utente) time ONU #2 (utente) OLT (centrale) t 1 10 µs t 2 5 µs time time Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.29 Situazione corretta ONU #1 (utente) time ONU #2 (utente) t 1 10 µs t 2 5 µs time OLT (centrale) time Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.30

16 Trasmissione Upstream Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.31 Trasmissione Upstream La ricezione upstream (presso il CO) è complessa: Ricezione di pacchetti da diversi trasmettitori Con ampiezze diverse (a seconda della distanza percorsa nella PON) Con clock diversi Necessità di un ricevitore a burst Con livelli di decisione in ampiezza variabili da burst a burst Con clock recovery veloce Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.32

17 Evoluzioni future: WDM PON Residential user Central Office Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.33 WDM - PON Svantaggi: costi elevati: Molto critica la necessità di avere un laser WDM, possibilmente sintonizzabile, a casa dell utente finale Vantaggi Lambda dedicata per ciascun utente, in entrambe le direzioni Bit-rate per utente potenzialmente molto elevato Non è più necessaria né la ricezione burst-mode, né il meccanismo di ranging L attenuazione del WDM demultiplexer NON è più strettamente legato al numero di utenti. Esempio: WDM demux a 32 porte: attenuazione attorno a 6-7 db Splitter ottico a 32 porte: attenuazione minima di 15 db Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.34

18 FTTH La situazione di mercato (aggiornata al ) Roberto Gaudino 1.35 FTTH: la situazione ad inizio 2008 Massiccio utilizzo in Korea e Giappone (5-6 milioni di utenti FTTH) Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.36

19 FTTH: la situazione ad inizio 2008 Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.37 Chi può pagare il passaggio al FTTH? Oggi (2012) l investimento di 1000 Euro (circa) ad utente per un installazione FTTH è MOLTO critico per le Telecom nazionali I margini di guadagno oggi sulla rete fissa sono molto limitate causa: Concorrenza tra vari operatori Diffusione delle tariffe flat-rate Saturazione del mercato Nessuna Telecom europea ha bilanci particolarmente positivi, soprattutto sulla rete fissa Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.38

20 Chi può pagare il passaggio al FTTH? Giappone e Corea: le Telecom nazionali in quei paesi sono ancora sostanzialmente pubbliche Il costo del deployment è stato assorbito a livello pubblico Altre particolarità di Giappone e Corea Fortissima propensione della popolazione verso le nuove tecnologie Città con altissima densità di popolazione La soluzione FTTH-PON è molto adatta in questi casi Tradizioni diverse: cavi aerei, installazioni molto meno costose Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.39 Situazione europea Ad oggi (2010, la situazione potrebbe cambiare velocemente): La maggior parte delle installazioni FTTH, soprattutto nel nord-europa, sono pagate dagli enti pubblici locali, cioè su fondi comunque pubblici Municipalità Circoscrizioni Gli operatori nazionali (privati, quali France Telecom, Telecom Italia, Telefonica, etc) continuano ad annunciare l inizio del FTTH Si tratta in realtà per ora solo di test-plant limitati ad un numero ristretto di abitazioni Qualcosa sembra iniziare a muoversi in Francia Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.40

21 Grazie per l attenzione!! Per chi fosse interessato a fare la tesi nel mio gruppo: Reti in fibra ottica Copyright 2007 R. Gaudino, Optical Communication Group, Politecnico di Torino 1.41