Reti Ottiche
Introduzione alle
Passive Optical Networks
Guido Maier
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Politecnico di Milano
Gennaio 2010
[email protected]
Sommario
„
„
„
„
„
Introduzione
Passive Optical Network: fondamenti
Standard PON
Problemi aperti
Conclusioni
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
2
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
3
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
4
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
5
Un esempio: gli Stati Uniti
Change from xDSL to Advanced H-S Accesses
U S H o u s e H o ld s in S e rv ic e [m illio n ]
50
Banda larga +
ultralarga
FiOS (Verizon)
45
U-Verse (AT&T)
40
Total Advanced Telco H-S Accesses
35
xDSL Accesses - Non-advanced
30
Total Telco H-S Accesses
Larga banda (xDSL)
25
20
15
Banda ultralarga
10
5
0
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
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!
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
6
Struttura delle reti di telecomunicazione
Lo scenario “tradizionale”
LONG DISTANCE
NETWORK
High-level SONET/SDH
cross-connects (DXC 4/4)
TRANSPORT
NETWORK
Low-level SONET/SDH
x connects (DXC 4/3/1)
JUNCTION
NETWORK
Tributary de/muxers (DXC 1/0)
FEEDER
NETWORK
ACCESS
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
7
Struttura delle reti di telecomunicazione
Lo scenario futuro
IP router
IP router
MSS
OXC
OA
OA
OXC
MSS
OADM
Transport/metro network OADM
OLT
Access network
OADM
OADM
OLT
RN
RN
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
„
„
ONT
Fiber optics “in the loop” (nell’accesso)
Tecnologia ottica trasparente (minimizzazione
dell’uso dell’elettronica e delle conversioni O/E/O)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
8
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
9
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)
Negli USA (e Canada) gli operatori della rete di
– Facilities (gas, elettricità, ecc.)
accesso sono i Local Exchange Carrier (LEC) [distinti
dai long-distance]
– Amministrazioni locali,
–Incumbent LEC (ILEC): spesso una Regional Bell
enti pubblici
Operating Company (RBOC o Baby Bell), nata da
– Internet Service Provider (ISP)
AT&T (e.g. Verizon)
–Competitive LEC (CLEC): OLO
– Reti business
– …
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
10
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)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
11
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
12
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
13
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.
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
14
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)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
15
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)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
16
IP: piattaforma comune
Crescita esponenziale della rete IP
Sorce: Cisco, 2007
Total IP traffic
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
„
„
PBytes per month
„
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Cisco traffic forecasts 2007
Previsioni di crescita di traffico
esponenziale …
… confermate dai dati reali di crescita
(es. del numero di host) …
January 2008 - Total Host Count 541,677,360
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
17
IP: piattaforma comune
Il contenuto informativo di Internet
„
Bytes
…e dalla crescita del contenuto informativo nel Web
– Oltre 15 miliardi di pagine Web alla fine del 2002 – 281
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
Internet
2008
Exa
Internet
2003
Peta
Tera
Giga
Mega
Kilo
Source: Sims University of California at Berkeley,
November 2003
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
18
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
Power
consumption
100 GW
1 TW
% of world’s 2007
electricity supply
5%
50%
Christoph Glingener (ADVA), Key-note
presentation, ONDM’09, Feb. 2009
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 /
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
19
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)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
20
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
21
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 10-12)
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
22
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
23
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
24
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
25
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
„
Dedicated /
leased line
Primary cable
Distribution
cabinet
Central
office
Cavi in rame
Distribution
point (box)
Twisted pair
Secondary cable
– Primari
• 2400-2000 coppie
• In tubi o dotti
– Secondari
Feeder / primary
network
Distribution /
secondary
Home
network
network
• 100-10 coppie
• In trincea o aerei
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
26
La rete di accesso in rame
Dati nazionali per la rete PSTN
„
Italian PSTN access network (dati del 2003)
–
–
23·106 subscribers, 11000 COs, ≈ 2100 subsc. / CO
[France: 30·106 subs.; Germany: 35·106 subs., 6500 COs; United Kingdom: 26·106 subs.,
7000 COs]
Average cable-length values
•
•
•
–
„
Primary: 65 % [Fr.: >70%, UK: 75 %]
Secondary: 45 % [Fr.: 70%, UK: 65 %]
Muxed lines: ≈ 1000 @ 2 Mbit/s (30 channels)
USA
–
–
100·106 subscribers
Average cable-length values
•
•
•
–
„
Distribuzione cumulativa della lunghezza
della rete di accesso in rame
Occupation
•
•
–
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
Primary: 2.7 km
Secondary: 600 m
24 % above 5.5 km end-to-end
Muxed lines: several thousands @ 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)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
27
La rete di accesso in rame in Italia
Rete attuale di Telecom Italia
„
Rete di Telecom Italia nel 2008
– Circa 530˙000 km di cavo per un totale di 110 milioni di km di doppini.
„
10.313 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)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Convegno AICT, “Reti di accesso di nuova generazione: Tecnologie e
scenari”, Milano, aprile 2008, http://www.associazioneaict.it/home.asp
28
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
140.000)
– 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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
29
Rete di accesso NGAN
Modello di rete integrata
Internet carrier
Web farm
VOD server
Customer
database
Local
service
provider
network
Set-top
box
Service
feeder / primary
network
Distribution /
secondary
network
Home
network
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
30
Rete di accesso NGAN
Fiber In The Loop (FITL)
CO
Service
feeder / primary
network
Downstream traffic
„
„
Distribution /
secondary
network
NIU
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
31
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] Å 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)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
32
Fiber in the loop
Classificazione applicata al caso italiano
Central Office Primary Network Cabinet Secondary Network
(200-3000m)
xDSL
FTTE
fibra
fibra
VDSL2
FTTB
ONU
fibra
FTTH
(100-700m)
rame
FTTCab
Building
Banda Larga
NGN
rame
ADSL2+
œ 3-20 Mbit/s Exchange
› <1 Mbit/ss centrale
rame
VDSL2
œ 25-50 M
› 2-10 M
fibra
fibra
rame
fibra
VDSL2
œ 50-100 M
› 25-40 M
Cabinet
armadio
Building
edificio
Optical
0.1-1 Gbit/s Home
casa
Banda Ultra Larga
NGAN
Fonte: Telecom Italia
NB Esistono moltissime altre varianti: Cab . Curb, Node, Premises,
Office,
Passive Optical Networks – Gennaio
2010Dormitory, Farm, ecc. Qui sono tutte deliberatamente ignorate!
3333
Fiber in the loop
Terminologia definita dallo standard ITU-T G.983
– Interfaccia tra fibra e sezione in
rame
„
– NIU quando il subscriber è
raggiunto in fibra
„
ODN
Optical Network Termination
(ONT)
Network Termination (NT)
– NIU quando il subscriber è
raggiunto in rame
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
ONU
Optical Network Unit (ONU)
ODN
ONU
– Parte in fibra della rete
„
ODN
Optical Distribution Network
(ODN)
OLT
„
Copper
Copper
ONT
– Apparato Access network
terminal equipment nel CO
FTTH/O
NT
Optical Line Termination (OLT)
FTTB/C
NT
„
FTTCab
CO
Primary
network
Secondary
network
NIU
Home
network
Electronics
From G.983 ITU-T Recommendation (1998)
34
Fiber in the loop
Rete ottica d’accesso attiva
CO
Optical
ADM
Optical
ADM
VDSL
modem
Secondary fiber
Primar (WDM)
fiber ring
CO
switch /
POP
„
„
SDH
ADM
Secondary
fiber ring
HUB
Home
network
Build. switch
/ POP
Tipicamente, switch Ethernet o router IP
Optical Add Drop Multiplexers (OADMs)
Il tratto di rete primario può essere realizzato con topologia ad anello
–
„
Cab
switch /
POP
STB
Possibile in tutte le versioni FTTx (FTTCab, FTTC/B, FTTH/O)
L’interconnessione tra diverse sezioni della rete avviene tramite apparati di
commutazione attivi
–
–
„
VDSL m.
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)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
35
Fiber in the loop
Passive Optical Network (PON)
CO
ONU
Remote
Node
(RN)
CO
switch /
POP
Primary ODN
„
NT
Primary (WDM)
fiber (fiber ring)
copper
Secondary
fibers
STB
HUB
Home
network
ONT
NT
Secondary ODN
ONU Build./C
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
36
Fiber in the loop
Passive Optical Network (PON)
CO
NT
Primary (WDM)
fiber (fiber ring)
ONU
Remote
Node
(RN)
CO
switch /
POP
Primary ODN
„
copper
Secondary
fibers
STB
HUB
Home
network
ONT
NT
Secondary ODN
ONU 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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
37
Fiber in the loop
Passive Optical Network (PON)
Piano
Casa
Rete
Metropolitana
In Fibra
FTTCab PON
Borchia
SGU o SL
Armadio
OLT
O
D
F
Splitt
er 1:n
Rete di accesso
ottica primaria
SD
F
DF Box
Locale
chiuso
Rete di distribuzione
secondaria in rame
ONU
FTTB/C PON
Casa
Piano
Rete
Metropolitana
In Fibra
Borchia
ONU
SGU o SL
DF
OLT
O
D
F
Rete di accesso
ottica primaria
Rete di accesso
ottica secondaria
OD
F
Locale
chiuso
Adduzione
OD
F
Splitt
er 1:n
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
38
Fiber in the loop
Passive Optical Network (PON)
Orizzontale
OD
F
Rete
Metropolitana
In Fibra
FTTH PON
Piano
OD
F
SGU o SL
OLT
ONT
Verticale
O
D
F
Casa
Rete di accesso
ottica primaria
Rete di accesso
ottica secondaria
OD
F
Splitt
er 1:n
Locale
chiuso
Adduzione
OD
F
Splitt
er 1:n
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
39
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
40
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)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
41
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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
42
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
wn
o
D
Fiber link
Copper link
am
e
r
st
af
r
T
fic
ONU
ONU
Video
ps
U
am
tre
fic
af
Tr
Central Office
Apartment
Building
Passive
Device
OLT
ISP A
Office
Building
ONU
Houses
ONT
ODN
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
43
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
700 m
3000 m
ONU
ONU
OLT
ODN
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
RN
ONU
44
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 Æ intensità elevata
– 0 logico Æ 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
1
Interfacce livello fisico
0
1
1
0
1
t
T
T
RTZ
t
Laser
Modulatore
T
0
1
1
NRZ
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
t
T
t
t
T
0
t
Ricevitore
Es.:
R = 622 Mbit/s Æ T = 1.6 ns
R = 1 Gbit/s Æ T = 1 ns
R = 10 Gbit/s Æ T = 100 ps
45
Schema base di una rete PON
Sistema di trasmissione ottica digitale
„
– Parametro detto sensitivity e
espresso in genere in dBm
Pmin[dBm] = 10 log10 (Pmin[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
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
1E 00
Sensitivity
„
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
log(BER)
„
1E-02
1E-04
1E-06
1E-08
1E-10
Soglia BER
1E-12
1E-14
-31
-30
-29
-28
-27
-26
-25
-24
Average Optical Power (dBm)
Es. (sistema a 622 Mbit/s)
Soglia BER = 10-12 ⇒
Pmin = -26 dBm = 2.5 μW
46
-23
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 n1-n2
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)
n1
Fibra più usata
per applicazioni
PON: monomodo
ITUT G.652 STD
SMF
n2
n1
n2
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
47
Schema base di una rete PON
Attenuazione di fibra
„
„
Nonostante le ottime qualità
trasmissive, la fibra come ogni altro
mezzo attenua i segnali ottici (riduce
la potenza)
Cause di attenuazione interne
CLADDING
CORE
Impurity
– Scattering
– Assorbimento del materiale
– Assorbimenti dovuti ad impurità ed
imperfezioni
„
CLADDING
Cu
Cause di attenuazione esterne
Air bubble
– Piegatura (bending)
– …
„
Attenuazione dovuta ad
accoppiamento (fibra-fibra, fibradispositivi)
– Disallineamento
– Differenze tra le caratteristiche dei
mezzi guidanti (diametro core, indice
di rifrazione, modi guidanti, ecc.)
– …
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
O
O
Si
CORE
Crystal of quartz
O
O
O
Si
OH
SiO4
O
O
Si
O
O
Molecule of glass (SiO4 )
contaminated by OH- Ion
48
Schema base di una rete PON
Attenuazione di fibra
„
In una fibra la potenza ottica si attenua in modo
esponenziale con la distanza di propagazione
– Passando ai decibell si ottiene un andamento lineare
(in dB) con la distanza
– Il parametro di attenuazione α si esprime in dB/km
„
L’attenuazione dipende dalla lunghezza d’onda di
esercizio
I(z)=I(0) e -α z
α [db]= 10 log [ I(0)/ I(z) ]
10
I(0)=input energy
I(z)=output energy
z = length of the fiber
α
5
[dB/Km]
Total attenuation
Rayleigh
Scattering
4
3
Hydroxyl OHAbsorbtion
2
Infrared
Absorption
1
Ultraviolet
absorption
0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
( μm)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
λ
49
Schema base di una rete PON
Finestre di trasmissione
„
I vari tipi di attenuazione si combinano dando luogo a tre intervalli di
lunghezze d’onda entro i quali conviene scegliere le lunghezze d’onda di
Con le fibre ITU G652c/d SMF
esercizio
(zero-water peak – ZWP) si
Caratteristiche delle finestre di trasmissione
elimina il picco tra II e III finestra
– I finestra
λ centrale: 820 nm
α tipico: 2.0 dB/km
sorgenti economiche
– II finestra
λ centrale: 1310 nm
α tipico: 0.4 dB/km
sorgenti a medio costo
– III finestra
λ centrale: 1550 nm
α tipico: 0.2 dB/km
sorgenti più costose
amplificatore ottico EDFA
„
3.0
First
Window
2.5
ATTENUATION (dB/km)
„
STD SMF
ZWP SMF
1310nm
Third
Window
2.0
1.5
850nm
1.0
1550nm
0.5
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
WAVELENGTH (nm)
Nelle PON si utilizzano solo la II e III finestra
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Second
Window
Es. Attenuazione di 3700 m di fibra
II finestra ⇒ 1.48 dB Æ I(z) = 0.7 I(0)
III finestra ⇒ 0.74 dB Æ I(z) = 0.8 I(0)
50
Schema base di una rete PON
I componenti: sorgenti
„
„
Le caratteristiche della sorgente ottica che viene
modulata influenzano le prestazioni di sistema
In passato stato ipotizzato l’impiego nelle PON di
sorgenti a basso costo e larga banda (Light Emitting
Diode – LED)
Spettro LED
– Pongono problemi trasmissivi
– Adatti solo per situazioni particolari (spectrum slicing)
Oggi sia per OLT che per ONU sono disponibili
sorgenti laser semiconduttore a costo relativamente
basso
– Fabry-Perot (FP) [Pot. media tipica
Po = 0 dBm = 1 mW]
Vert: -10.0 dB/Div
„
Spectral Width
-20 dB Width < 2 nm
• Economiche ma rumorose
• Adatte per II finestra (1310 nm)
– Distributed FeedBack (DFB) [Po = 1 dBm = 1.25 mW]
+
• Più costose ma a spettro più stretto, adatte per il WDM
• Sia III (1550 nm) che II finestra (1310 nm)
FP
gain
mirror
-
cleave
λ
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
DFB
1050 nm
1550 nm
Horiz: 100 nm/Div
Spettro DFB
+
gain
mirror
-
AR coating
λ
51
Schema base di una rete PON
I componenti: ricevitori
„
La sensitivity del ricevitore dipende dal fotodiodo, il dispositivo
semiconduttore usato per la conversione dei segnali ottici in segnali
di corrente
– Fotodiodi PIN
• Buona sensitivity (≅ -22 dBm = 6 μW)
• In silicio per I finestra (850 nm), in arsenuro di gallio indio (InGaAs) per II/III
finestra (1310/1550nm)
– Fotodiodi a effetto valanga (Avalanche Photodiodes - APD)
• Maggior sensitivity (≅ -30 dBm = 1 μW) dovuta all’effetto amplificante
• Adatti a operare a Gbit/s e distanze maggiori
• Più costosi dei PIN
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
52
Schema base di una rete PON
I componenti: configurazione tipica dei transceiver
„
La miglior scelta di dispositivi per sorgenti e ricevitori si ottiene
– Tenendo conto che il fattore costo è molto più critico negli ONU (costi
non condivisi da più utenti)
– Compensando peggiori prestazioni del ricevitore con migliori prestazioni
del trasmettitore e viceversa
ONU
OLT
Upstream
FP
APD
Downstream
PIN
DFB
TX Power
RX Sensitivity
ONU (FP+PIN)
0 dBm
-22 dBm
OLT (DFB+APD)
1 dBm
-30 dBm
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
53
Schema base di una rete PON
I componenti: splitter / combiner
ONU
ONU
OLT
RN
„
ONU
ONU
OLT
ONU
RN
ONU
Le funzioni del Remote Node (RN) vengono svolte da accoppiatori ottici
– Downstream: ripartizione potenza ottica (splitting) 1:n
– Upstream: accoppiamento di n fibre dedicate agli ONU con la fibra condivisa verso
l’OLT (combining) n:1
„
Optical splitter ideale 1:n
n
A
2
3
4
8 16 32 64
9 12 15 18
6
[dB]
– Attenuazione A[dB]= 10 log10 n
– Normalmente n è una potenza di 2. Quindi, se n = 2h ⇒ A[dB]= 3 ⋅ h
„
Optical combiner ideale 1:n
– I dispositivi ottici passivi sono anche RECIPROCI e quindi hanno un
comportamento simmetrico (indipendentemente dalla tecnologia)
– Attenuazione A[dB]= 10 log10 n Æ anche il canale upstream “paga” l’impairment di
splitting alla ricombinazione delle fibre secondarie
• (precisamente, la perdita avviene perché parte della potenza ottica dagli ingressi del
combiner si trasferisce su modi che non si propagano nell’unica uscita)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
54
Schema base di una rete PON
Accoppiatori ottici
„
Accoppiatore ottico non ideale: allo splitting loss bisogna aggiungere
– Excess loss: perdite dovute a imperfezioni (0.1 – 1.0 dB)
– Directivity loss: potenza che da un ingresso viene retroriflessa su tutti gli
ingressi (-40 - -50 dB) Æ splitter e combiner sono molto direttivi
„
Due tipi di componenti
– Coupler in fibra a fusione (Fused Biconic Tapered – FBT)
• Fusione dei nuclei di due fibre adiacenti per un tratto opportuno
– Coupler in ottica integrata planare
• Strutture a Y in guida d’onda
• Prestazioni migliori, ridotte dimensioni, stabilità
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
FTTH Handbook, Deployment & Operations
55
Committee, FTTH Council Europe, 2009
Schema base di una rete PON
Accoppiatori ottici
70%
„
Esistono coupler asimmetrici (es. splitter 1:2 con
30/70%) utili per ad es. monitoring
30%
„
E’ possibile ottenere strutture 1:n (n:1) con n grande a piacere
replicando elementi base 1:2 (2:1) in architetture multistadio
– Minimizzare il numero di stadi Æ minimizzare l’excess loss
4-stage 8x8
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
3-stage 8x8
56
Schema base di una rete PON
Perdite alla giunzione tra fibre
„
L’interconnessione di
due mezzi ottici
guidanti è una
funzione critica perché
introduce perdite per
– Imperfetto
allineamento
– Differenze di
caratteristiche ottiche
(mode mismatching,
ad es. tra fibra e
splitter in guida
d’onda o tra fibre
diverse)
– Impurità tra le
interfacce
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
n0
n1
n1
Longitudinal misallignment
z
r
Lateral misallignment
Φ
Angular misallignment
57
Schema base di una rete PON
I componenti: connettori
„
I connettori vengono utilizzati per collegamenti
non permanenti fibra-fibra o fibra-dispositivo
– Bloccano meccanicamente le fibre per
realizzare allineamenti precisi
„
Caratterizzati da 2 parametri
– Perdite di inserzione (si intende misurate
attraverso una coppia maschio-femmina) (da
0.5 dB – 0.2 dB fino a 0.15 dB per connettori
low-loss)
– Directivity loss: parte di potenza retroriflessa
(-40 - -50dB)
„
PC
Vari standard e tecnologie differenti
– Con (APC) o senza lappatura angolata (PC,
UPC)
– Standard size (SC, FC, E2000, ST, DIN) o small
form factor (half size) (LC, MU, F3000)
„
SC
Standard più comuni: SC e LC
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Angled polishing
58
Schema base di una rete PON
I componenti: connettori
Connettori più
utilizzati nelle PON
ST
SC
Chiave
Ferula
FC
E2000
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
FTTH Handbook, Deployment & Operations
59
Committee, FTTH Council Europe, 2009
Schema base di una rete PON
Manutenzione dei connettori
Dirty connector
„
„
Presenza di polvere e umidità sulle facce delle fibre
può incrementare le perdite di un connettore
Pulizia manuale (con etanolo, alcol, aria, ecc.)
Fonte: E. Moscheni, Tektronix
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
60
Schema base di una rete PON
I componenti: giunti
„
„
Giunti (splice): collegamenti permanenti tra
fibre
Giunti a fusione
– Fusione dei nuclei di due fibre mediante arco
elettrico
– Precisione: dipende dal meccanismo di
allineamento
• Allineamento dei core: attenuazione
AJ < 0.05 dB
• Allineamento dei cladding (giuntatrici portatili):
AJ < 0.1 dB
„
Mechanical splicing
– Allineamento meccanico dei due
terminali di fibra
– Spesso si utilizza liquido di matching
– Attenuazione tipica: AJ < 0.5 dB
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
FTTH Handbook, Deployment & Operations
Committee, FTTH Council Europe,61
2009
Schema base di una rete PON
I componenti: siti di giuntaggio e connettorizzazione
Muffole
Camerette e pozzetti
Diramazioni di tubi e cavi
FTTH Handbook, Deployment & Operations
Committee, FTTH Council Europe, 2009
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
62
Schema base di una rete PON
I componenti: siti di giuntaggio e connettorizzazione
Optical
Distribution
Frame
nell’OLT
Apparati attivi nell’OLT
Accesso all’edificio
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Rete di edificio
FTTH Handbook, Deployment & Operations
632009
Committee, FTTH Council Europe,
Schema base di una rete PON
Attenuazione per bending
Attenuazione
da bending di
qualche dB
„
„
Se curvata con raggi di curvatura troppo stretti (piegata) la fibra perde la
capacità di guida
Si determinano perdite di potenza
– Difficili da prevedere
– Criticità soprattutto nell’infrastruttura di edificio
• I cavidotti e le canaline possono essere stretti, soprattutto quando si riutilizza l’infrastruttura
per la rete in rame
„
Le nuove fibre di tipo ITU-T G.657 sono particolarmente resistenti al bending
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
64
Power budget
Power budget di una PON
„
Possiamo ora conseguire il primo obiettivo di progetto di una PON
„
POWER BUDGET ottico: differenza (in dB) tra potenza media del
trasmettitore e la sensitivity del ricevitore
– E’ la “dotazione” di potenza del sistema che si può “spendere” per
supportare tutte le attenuazioni note (fibra, splitting, connettori, splice) più
per un margine di sistema per gli “imprevisti” (es. bending)
„
Power budget PON tipico
(vedi tabella Æ)
– DOWNSTREAM (@ 1490nm): 23 dB
– UPSTREAM (@ 1310nm): 30 dB
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
TX Power
RX Sensitivity
ONU (FP+PIN)
0 dBm
-22 dBm
OLT (DFB+APD)
1 dBm
-30 dBm
Nota: il power budget si misura in dB (e non in dBm),
anche se è la differenza tra due grandezze in dBm.
Questo perché la differenza è in realtà (in unità
lineari) un rapporto, e quindi adimensionale 65
Power budget
Parametri dei componenti passivi
„
Due ipotesi
– Conventional Æ conservativa
– Low-loss Æ componentistica di migliore qualità e più evoluta (investimento
maggiore)
„
„
(Si trascurano le retroriflessioni)
Si noti che in upstream la fibra attenua di più (usata con λ in II finestra – mentre
in downstream è in III) Æ è corretto che il margine di sistema sia più ampio
ODN Loss Model Assumptions
Conventional
Low-loss
Connection
0.75 dB
0.15 dB
AC
Splices
0.088 dB
0.067 dB
AS
Split./comb. exc. loss
0.7 dB
0.4 dB
AxRN
Fiber (1310nm)
0.5 dB/km
0.4 dB/km
αu
Fiber (1490/1550nm)
0.3 dB/km
0.2 dB/km
αd
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
66
Power budget
Equazioni di progetto
„
Downstream
PTXd − P RXd = α d ⋅ l + c ⋅ Ac + s ⋅ As + 3 ⋅ log 2 n + AxRN + M d
„
Upstream
PTXu − P RXu = α u ⋅ l + c ⋅ Ac + s ⋅ As + 3 ⋅ log 2 n + AxRN + M u
– Dove i parametri di sistema sono:
• l = lunghezza totale ODN; n = numero di ONU;
c = numero di connettori; s = numero di splice;
Md/u = margine di sistema up/downst. per gli imprevisti Æ ovviamente: Md/u ≥ 0!
„
Analisi parametrica: fissati gli altri parametri è possibile valutare il
massimo valore di un parametro di sistema particolare
– Es. numero utenti, lunghezza ODN, ecc.
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
67
Power budget
Esempio sul caso italiano
„
„
„
Si supponga che ogni collegamento OLTÆONU (e simmetricamente
ONUÆOLT) attraversi c = 4 connettori e s = 4 giunti in totale
Oltre i 16 (32 low-loss) ONU il margine di sistema diventa critico (< 3 dB)
64 ONU è fattibile solo con low-loss
– Meglio usare amplificatori ottici
– O usare tecniche di correzione d’errore (FEC)
„
3.7
km
In generale si nota che per le PON occorrono componenti di qualità
Downstream (power budget 23 dB)
Conventional
Upstream (power budget 30 dB)
Low loss
Conventional
Low loss
n
Atot
Mu
Atot
Mu
Atot
Mu
Atot
Mu
2
8.2
14.8
5.3
17.7
8.9
21.1
6.0
24.0
4
11.2
11.8
8.3
14.7
11.9
18.1
9.0
21.0
8
14.2
8.8
11.3
11.7
14.9
15.1
12.0
18.0
16
17.2
5.8
14.3
8.7
17.9
12.1
15.0
15.0
32
20.2
2.8
17.3
5.7
20.9
9.1
18.0
12.0
64
23.2
<0!
20.3
2.7
23.9
6.1
21.0
9.0
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
68
Power budget
Esempio con distanza OLT-ONU 10 km
„
L’aumento della distanza ONU-OLT ha un impatto molto limitato
– In pratica anche a 10 km il massimo numero di ONU raggiungibili non
cambia
10
km
Downstream (power budget 23 dB)
Conventional
Upstream (power budget 30 dB)
Low loss
Conventional
Low loss
n
Atot
Mu
Atot
Mu
Atot
Mu
Atot
Mu
2
10.1
12.9
6.6
16.4
12.1
17.9
8.6
21.4
4
13.1
9.9
9.6
13.4
15.1
14.9
11.6
18.4
8
16.1
6.9
12.6
10.4
18.1
11.9
14.6
15.4
16
19.1
3.9
15.6
7.4
21.1
8.9
17.6
12.4
32
22.1
0.9
18.6
4.4
24.1
5.9
20.6
9.4
64
25.1
< 0!
21.6
1.4
27.1
2.9
23.6
6.4
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
69
Trasmissione ottica a breve distanza
Vantaggi sul power budget
„
Le PON possono essere considerati sistemi ottici a breve distanza
– Nella maggior parte dei casi l < 10 km (anche se gli standard prevedono fino
a 20 km)
„
Primo vantaggio: power budget OK Æ non occorrono amplificatori ottici
– Gli amplificatori ottici in fibra (tipicamente Erbium Doped Fiber Amplifier –
EDFA) sono fondamentali nei sistemi a lunga distanza
„
Svantaggi dell’amplificazione ottica
– Dispositivi aggiuntivi
– Consumo di potenza
– Necessari siti intermedi (amplificatori di linea) con relative alimentazioni e
servizi accessori per manutenzione e controllo
– Sono dispositivi analogici Æ amplificano ma degradano il segnale
• Introducono rumore ASE (Amplified Spontaneus Emission)
– Se usati al trasmettitore (configurazione “booster”) aumentano il livello di
intensità ottica di molto Æ possono introdurre fenomeni non lineari
(soprattutto in sistemi WDM) che degradano ulteriormente il segnale
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
70
Trasmissione ottica a breve distanza
La dispersione
„
In generale, la potenza ottica al ricevitore non è l’unico parametro che
determina il BER
„
Dispersione = differenza di velocità di propagazione tra le componenti
dell’impulso
La dispersione genera allargamento dell’impulso nel tempo
„
– Le code di un impulso si sovrappongono agli impulsi precedente e
successivo generando interferenza intersimbolo (ISI) ⇒ aumento del BER
„
Si considera che l’allargamento massimo accettabile per non avere
impatto apprezzabile sul BER sia 1/10 del tempo di bit T
T
ΔT ≤ T / 10
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
T + ΔT
Es.:
R = 622 Mbit/s Æ ΔT ≤ 160 ps
R = 1 Gbit/s Æ ΔT ≤ 100 ps
R = 10 Gbit/s Æ ΔT ≤ 10 ps
71
Trasmissione ottica a breve distanza
Fibre multimodo e dispersione modale
„
„
„
Le fibre multimodo sono limitate dalla dispersione modale
Nel caso della dispersione modale le componenti dell’impulso che
viaggiano a diverse velocità sono i diversi modi di propagazione che si
innescano in una fibra multimodo
L’uso delle fibre multimodo è limitato a brevissime distanze
– Applicazioni in-building e come patch-cord nei data center
– Effective Modal Bandwidth (EMB): indica in MHz⋅km il prodotto bandadistanza max (in genere intorno a 500 MHz⋅km (⇒ @ 1 Gbit/s faccio 500 m)
t
t1 = Input Optical pulse duration
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
t
t2= output Optical pulse duration
72
Trasmissione ottica a breve distanza
La dispersione cromatica
„
„
Nelle fibre monomodo avviene il fenomeno della dispersione
cromatica
Dispersione di materiale
–
–
„
Lo spettro del segnale ottico (emesso dal laser e poi modulato) non è
perfettamente monocromatico
Le componenti spettrali di destra (λ maggiori) viaggiano più velocemente
A
A/2
Dispersione di guida (legata alla configurazione spaziale del modo di
propagazione)
λ (nm)
CLADDING
CORE
Dispersione di materiale
CLADDING
CORE
Dispersione di guida
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
73
Trasmissione ottica a breve distanza
La dispersione cromatica
„
„
Dispersione di materiale e di guida si combinano nella dispersione
cromatica
Si caratterizza con l’allargamento dell’impulso in funzione della
lunghezza d’onda della portante
– Allargamento proporzionale alla distanza l e alla larghezza di banda del
segnale ottico Bo
„
Æ il coefficiente di dispersione D si misura in ps / (km ⋅ nm)
– D può anche essere < 0 (restringimento degli impulsi)
– Nelle fibre monomodo standard D = 0 si ha per 1310 nm
D [ps / (km ⋅ nm)]
– In II finestra
Material
(λ = 1490-1550 nm)
Dispersion
Total
D va circa da +10 a
Dispersion
+
+17 ps / (km ⋅ nm)
Zero at 1310 nm
1200
1400
1600
– Esistono fibre con profili
λ [nm]
di dispersione diversi
(poco usate per le PON)
Waveguide
Dispersion
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
74
Trasmissione ottica a breve distanza
Effetti della dispersione cromatica a breve distanza
„
Calcolo dell’allargamento dell’impulso ΔT dal coefficiente di
dispersione D
ΔT = D ⋅ l ⋅ BO
– Con modulazione ottica OOK NRZ in banda base si può assumere che la
banda ottica del segnale sia all’incirca BO ≅ 2 R, dove R è il bitrate
– E’ in genere necessario trasformare Bo dall’espressione in Hz ai nm
equivalenti. Si può usare l’approssimazione (valida per intervalli di
frequenza piccoli nell’intorno della portante λo – c è la velocità della luce
nel vuoto):
λ2o
c
d ⎛c⎞
c
⎜⎜ ⎟⎟df ⇒ Δλ = − 2 Δf = Δf
⇒ dλ =
λ=
df ⎝ f ⎠
fo
c
f
Es.: caso a 1 Gbit/s (più critico), rete italiana
R = 1 Gbit/s ⇒ BO ≅ 2 GHz
@ λo = 1490 nm ⇒ BO ≅ 0.0148 nm
l = 3.7 km; D = 10 ps/nm⋅km
ΔT = 0.055 ps << T / 10 = 100 ps
Dispersione cromatica trascurabile
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
75
Trasmissione ottica a breve distanza
Effetti della dispersione cromatica a breve distanza
„
„
„
La dispersione cromatica ha un effetto trascurabile Æ
Un secondo beneficio della breve distanza nelle PON attuali
In futuro all’aumentare di estensione e bitrate, questa condizione può
però non essere più verificata
– Necessari anche nelle PON compensatori di dispersione: molto
promettenti i sistemi di Forward Error Correction (FEC) elettronici basati
su DSP veloce
Es.: caso più estremo: 10 Gbit/s, l = 10 km
R = 10 Gbit/s ⇒ BO ≅ 20 GHz
@ λo = 1490 nm ⇒ BO ≅ 0.148 nm
l = 10 km; D = 10 ps/nm⋅km
ΔT = 14.8 ps > T / 10 = 10 ps !!
La dispersione conta!
Nota: quanto detto per la disp. cromatica si può ripetere per la disp. di
polarizzazione (PMD), che ha effetto su distanze x bitrate ancora maggiori
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
76
Trasmissione bidirezionale
Bidirezionalità della fibra ottica
„
La fibra ottica è un mezzo trasmissivo passivo, lineare e
perfettamente simmetrico nelle due direzioni di propagazione sullo
stesso canale (lunghezza d’onda)
– La stessa proprietà vale anche per splitter e combiner
„
Teoricamente la trasmissione simultanea di segnali non interferenti
nelle due direzioni è possibile
– Vantaggio economico rilevante nel risparmio della fibra
Tx
Rx
Rx
Tx
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
77
Trasmissione bidirezionale
Problema: retroriflessioni
Connettore
Tx
Rx
Tx
Tx
Connettore
Rx
„
„
Rx
Rx
Tx
Ogni discontinuità (es. presenza di connettori, splice, coupler, ecc.) genera un
eco di retroriflessione
L’eco interferisce al ricevitore del canale in direzione opposta
– Se la discontinuità è vicina al Tx, l’eco può “oscurare” il canale in direzione opposta
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
78
Trasmissione bidirezionale
Bidirezionalità in diversità di lunghezza d’onda
„
Soluzione al problema delle retroriflessioni: utilizzare due differenti
lunghezze d’onda nelle due direzioni di propagazione OLT Æ ONU e
ONU Æ OLT
– Gli Rx vengono muniti di filtri selettivi che attenuano componenti di
riflessione
– Per usare filtri a basso costo si adottano λ molto separate, ad esempio in
finestre ottiche diverse (Coarse WDM – CWDM)
ODN
ONU
ONU
OLT
Passive
Splitter
ONU
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
79
Schema base di una rete PON
Scelta delle lunghezze d’onda di trasmissione
1310nm
1490nm
1550nm
„
„
„
II window Æ Low loss (∼0.5 dB/km)
Zero chromatic dispersion
III window Æ Lower loss (∼0.3 dB/km)
Chromatic dispersion (∼10-17 ps/nm*km)
Optically amplifiable by EDFAs (1550nm)
La scelta ricade sulle tre λ 1310 nm, 1490 nm, 1550 nm, per le
proprietà riportate sopra
1550 nm viene adottata solo in casi particolari
La configurazione più usuale è:
Dual Fiber
1310nm
Single Fiber
Upstream on 1310nm
Downstream on 1490nm
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
80
Schema base di una rete PON
Scelta delle lunghezze d’onda di trasmissione
„
„
Spesso la λ 1550 nm viene impiegata per multiplare il segnale video
analogico distribuito solo downstream dall’OLT verso tutti gli ONU
Es. standard BPON
Upstream
Downstream
1310 nm
1490 nm
Voice and Data
Voice and Data
Video
20 nm
10 nm
100 nm
42 MHz
EDFA
Voice & Data
Downstream
1490 nm
1550 nm
550 MHz
Analog TV
Digital TV
860 MHz
HD/VOD
Video
1550 nm
ONU
Optical
Coupler
OLT
Upstream
1310 nm
Optical
Splitter
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
1x32
Or
Cascade
Video Data POTS
(l) (AAL5) (AAL1,2)
81
Trasmissione bidirezionale
Optical Time Domain Reflectometry (OTDR)
„
Il fenomeno della retroriflessione si può impiegare come utile strumento
diagnostico di rete mediante la riflettometria nel dominio del tempo (misura
dei ritardi di arrivo degli impulsi riflessi)
– Utile per localizzare componenti con elevate perdite o retroriflessioni
– Non è in grado di distinguere i segnali dei diversi ONU al combiner
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
82
Sommario
„
„
Introduzione
Passive Optical Network: fondamenti
–
–
–
„
„
„
L’infrastruttura d’accesso ottica
Controllo d’accesso up/downstream
Confronto di PON con altre soluzioni d’accesso ottiche
Standard PON
Problemi aperti
Conclusioni
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
83
Controllo d’accessso alla rete PON
Multiplazione e accesso multiplo
„
„
„
„
Le PON sono sistemi a multiplazione ed accesso multiplo
Multiplazione: una sorgente verso molte destinazioni
Æ direzione da CO a ONUs (punto-multipunto)
Accesso multiplo: molte sorgenti verso una destinazione
Æ direzione da ONUs a CO (multipunto-punto)
E’ necessario scegliere un dominio di multiplazione ottico per separare il
traffico, tenendo conto che:
– Un ONU non può conoscere lo stato degli altri ONU e quindi sono possibili collisioni
– L’OLT ha visibilità su tutti gli ONU e può gestire la banda
In ottica sono possibili molte soluzioni
Le principali sono:
TDM/TDMA
Time Division
Multiplexing/Multiple Access
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
WDM/WDMA
Wavelength Division
Multiplexing/Multiple Access
84
Controllo d’accesso alla rete PON
TDM/TDMA vs. WDM/WDMA
WDMA
„ Ogni ONU opera ad una lunghezza
d’onda diversa e usa un laser con
banda stretta e con frequenza
centrale fortemente stabile
– Necessario un controllo di stabilità,
ad es. un sistema termostatico
„
„
Nell’ONT è necessario un
rice/trasmettitore tunabile (selettivo
ad una lunghezza d’onda
tempovariante) o un array di
rice/trasmettitori fissi per
comunicare con tutti gli ONU
Per ora è considerata una
soluzione troppo costosa, anche
se è un hot-topic della ricerca
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
TDMA
„ Tutti gli ONU utilizzano la stessa
lunghezza d’onda e richiedono i
medesimi componenti ottici
„ L’OLT richiede un unico
rice/trasmettitore
„ Ciascun ONU deve operare alla
velocità di linea, anche se la banda
effettiva disponibile è inferiore
„ Soluzione a costi sostenibili
85
Traffico downstream
Multiplazione TDM
„
„
„
Tutto il traffico generato da OLT per particolari ONU è inviato in
broadcast fisico a tutti gli ONU
Gli ONU non coinvolti nella comunicazione eliminano i dati
Filtraggio sulla base del riconoscimento di un indirizzo
– Æ Necessario identificare ciascun ONU in uno spazio di indirizzi
ONU
ONU
OLT
Passive
Splitter
ONU
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
86
Traffico downstream
Multiplazione TDM - trama
„
Informazione organizzata in TRAME
– Strutture che raccolgono i bit da trasmettere organizzate in campi
– Durata costante (in qualche caso variabile)
• Durata trame e quantità di campi e loro significato dipendono dal protocollo
– Tipiche dei protocolli di accesso multiplo (livello 2 della pila ISO/OSI)
A
B
OLT
Passive
Splitter
C
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
87
Traffico downstream
Multiplazione TDM - timeslot
„
Un tipo speciale di campo della trama è il TIMESLOT
– Sottogruppo di bit di durata costante (in qualche caso variabile)
– Ogni timeslot è destinato ad un particolare ONU (o gruppo di ONU nel caso
di multicast)
– Durata del timeslot: varia da μs a ms a seconda dello specifico protocollo
A
A
A
B
C B
B
A
OLT
A
Passive
Splitter
C
B
B
B
C B
C
B
B
C
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
88
Traffico downstream
Multiplazione TDM - timeslot
„
Una trama contiene un numero fisso di timeslot, in genere minore del numero
di ONU
– L’OLT assegna i timeslot agli ONU in base all’esigenza di ciascuno
– Ad un ONU possono anche essere assegnati più timeslot in una trama
„
L’assegnazione dei timeslot equivale all’assegnazione della banda downstream
– L’OLT può pianificare le assegnazioni per adattarsi alle condizioni di traffico
(scheduling)
– La quantità di banda assegnata è proporzionale al numero di timeslot
A
A
A
B
C B
B
A
OLT
A
Passive
Splitter
C
B
B
B
C B
C
B
B
C
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
89
Traffico downstream
Multiplazione TDM – livello fisico
„
Le trame sono delineate da opportuni preamboli di overhead
– Una volta rilevato l’inizio trama, i timeslot sono identificati da ulteriori preamboli o
sono riconosciuti in quanto in posizione fissa e nota agli ONU
„
Il traffico downstream è a bitrate costante
– Il bitrate dell’OLT (al netto degli overhead) rappresenta la banda da condividere tra
gli ONU
„
Gli ONU sono a distanze diverse dall’OLT, ma le distanze non variano
– Ciascun ONU riceve tutte le trame alla medesima potenza costante ⇒ il ricevitore
ONU è semplice
A
7km
Passive
Splitter
B
OLT
1km
3km
C
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
90
Traffico upstream
Multiplazione TDMA
„
„
„
Tutti gli ONU condividono lo stesso canale upstream (tutti trasmettono
alla medesima λ)
Gli ONU non possono comunicare direttamente ⇒ ciascuno ignora lo
stato degli altri
L’accesso al canale condiviso deve essere controllato per evitare
collisioni al Remote Node
ONU
ONU
OLT
Passive
Combiner
ONU
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
91
Traffico upstream
Multiplazione TDMA
„
„
L’accesso deve essere dinamico in modo da adattarsi all’offerta di
traffico di ciascun ONU
Esistono vari protocolli per regolare l’accesso multiplo
– Es. protocolli a contesa e controllo distribuito tipici delle LAN (CSMA/CD di
Ethernet): non funzionano in quanto gli ONU non possono rilevare le
collisioni
– Protocolli a prenotazione: adatti in quanto si sfrutta la centralità dell’OLT
nell’architettura per svolgere la funzione di scheduler
ONU
A
ABC B
OLT
B
B
ONU
C
Passive
Combiner
ONU
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
92
Traffico upstream
Multiplazione TDMA – accesso controllato
„
„
L’occupazione di un preciso timeslot da parte di un ONU può avvenire
solo su permesso concesso dal OLT
I timeslot occupati si ricombinano al RN in modo da non collidere
(ricreano una sorta di trama sul tratto primario)
– Ogni ONU deve sapere quando iniziare a trasmettere il proprio timeslot
– L’OLT deve poter decidere a chi assegnare i timeslot
ONU
A
B
C
B
OLT
Passive
Combiner
A
B
B
ONU
C
ONU
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
93
Traffico upstream
Accesso a prenotazione: ingredienti fondamentali
„
„
Ingrediente 1: Controller centralizzato nell’OLT, semplice logica di
protocollo negli ONU
Ingrediente 2: Formato di trama
– Informazione organizzata in timeslot e trame sia down che upstream
„
Ingrediente 3: Meccanismo di segnalazione
– L’OLT deve interrogare gli ONUs, che rispondono comunicando il proprio
stato (quantità di informazione in attesa di trasmissione)
– L’OLT deve inviare agli ONU i permessi (grant) per utilizzare i timeslot
„
Ingrediente 4: Sincronizzazione degli ONU
– Ogni ONU deve sapere esattamente quando iniziare a trasmettere un timeslot
per cui ha ricevuto un grant, in modo da evitare collisioni
„
Ingrediente 5: Algoritmo di scheduling
– I time-slot delle trame down e upstream vengono assegnati agli ONU in modo
dinamico per ottimizzare l’utilizzo della banda
– Lo scheduling deve avvenire tenendo conto dello stato degli ONU e dei diversi
requisiti di qualità di servizio (Quality-of-Service - QoS) delle applicazioni
(e.g.: CBR, VBR, etc.), nonché degli accordi commerciali coi subscriber
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
94
Traffico upstream
Segnalazione ONU Æ OLT
„
„
Per essere “fair” l’assegnazione della banda può essere in funzione
della quantità di informazione di ciascun ONU in attesa di
trasmissione (equalizzazione dei ritardi)
Ogni ONU quindi comunica all’OLT la lunghezza della propria coda di
trasmissione
– Lo fa in un campo specifico
ogni volta che invia un timeslot
upstream
7km
A
A
3km
Passive
Splitter
1km
C
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Upstream
traffic
queue
B
OLT
Upstream
traffic
queue
C
C
Upstream
traffic
queue
95
Traffico upstream
Segnalazione ONU Æ OLT
„
Attenzione! per evitare lo “starvation” di un
ONU, la segnalazione deve poter essere inviata
all’OLT anche quando l’ONU non sta ottenendo
permessi da tempo
– Periodicamente tutti gli ONU inviano dei minislot
all’OLT, senza dati, ma solo di segnalazione
7km
A
A
3km
Passive
Splitter
1km
C
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Upstream
traffic
queue
B
OLT
Upstream
traffic
queue
C
C
Upstream
traffic
queue
96
Traffico upstream
Segnalazione OLT Æ ONU
„
„
L’OLT invia agli ONU i grant usando campi specifici delle trame
downstream
Un grant può essere inviato ad un ONU anche se non ha timeslot
allocati nella trama downstream (tutte le trame raggiungono tutti gli
ONU)
7km
A
1
2
A
2
OLT
A
B
B
1
2
C B
A
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
B
3km
1
B
C B
Upstream
traffic
queue
B
2
Passive
Splitter
Transmission Grant
C
A
Upstream
traffic
queue
A
B
1
C
B
1km
C
C
C
Upstream
traffic
queue
97
Traffico upstream
Sincronizzazione ONU
„
„
„
Gli ONU possono trasmettere upstream nel timeslot assegnato se
sono sincronizzati ad un riferimento temporale comune
Per questo è necessario conoscere la distanza tra ogni ONU e l’OLT
L’OLT esegue le misure di distanza tramite il meccanismo del ranging
7km
A
A
2
Upstream
traffic
queue
3km
OLT
C
C
Passive
Splitter
C
C
1km
C
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Upstream
traffic
queue
B
A
1
Upstream
traffic
queue
98
Traffico upstream
Ranging
„
OLT invia un Ranging Grant ed attende la risposta da tutti gli ONU
– Ogni ONU i è caratterizzato da un ritardo di propagazione τi e un tempo di risposta TRi
– L’ultima risposta ricevuta dall’OLT è quella dell’ONU più lontano (per comodità si
suppone anche il più lento)
„
„
Ricevuta l’ultima risposta l’OLT comunica a ciascun ONU il proprio ritardo di
equalizzazione di = RTmax – (2τi + TRi)
Il ranging viene ripetuto spesso per compensare jitter e wander
RTmax = 2τn + TRn
Ranging grant
OLT
Ranging cell
PLOAM
Ranging cell
PLOAM
PLOAM
d1
TR1
Max Distance
ONU 1
τ1
ONU n
τn = max{τi}
d1
TRn = max{TRi}
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
dn = 0
Ritardo di propagazione in fibra
per unità di lunghezza:
τPUL ≅ 5 μs/km ⇒ τ = τPUL ⋅ l
Es. per 3.7 km: τ = 18.5 μs99
Traffico upstream
Sincronizzazione ONU
„
„
Tutti gli ONU ricavano il riferimento temporale dal flusso downstream (es.
inizio di una trama downstream)
Ciascun ONU applica il ritardo di equalizzazione ricevuto dall’OLT per
calcolare il riferimento di inizio del primo timeslot
– Tutti gli ONU sono alla medesima distanza logica
„
Ogni ONU occupa i timeslot in base ai grant ricevuti
RTmax = 2τn + TRn
Upstream-frame
starting point
Upstream
timeslots
OLT
TR1
Max Distance
ONU 1
τ1
ONU n
τn = max{τi}
d1
TRn = max{TRi}
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
dn = 0
100
Traffico upstream
Multiplazione TDMA – livello fisico
„
Il ricevitore OLT è complicato: è di tipo burst-mode
– Non riceve un flusso continuo di dati Æ deve ri-sincronizzare il clock di bit ad ogni
timeslot ricevuto dagli ONU
– Riceve trame con differenti potenze ottiche, a causa delle differenti distanze tra OLT
e ONU Æ deve attuare un controllo automatico del guadagno per adattare la soglia
tra 0 e 1 logico alla potenza del burst ricevuto
„
Necessario prevedere nei timeslot upstream
opportuni preamboli per consentire all’OLT
l’adattamento del livello fisico
A
A
7 km
OLT
B
B
A
3 km
Passive
Combiner
1 km
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
B
C
101
Traffico upstream
Multiplazione TDMA – livello fisico
Segnale di input al
ricevitore dell’OLT
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Glen Kramer, Ethernet Passive
102
Optical Networks, McGraw-Hill, 2005
Traffico upstream
Scheduling
„
La banda up/downstream può essere ripartita tra gli ONU in modo
statico
– Efficiente solo con traffico streaming (es. video)
„
Il Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) è più efficiente ma più
complicato
Dynamic allocation
of bandwidth
ONU-A
ONU-B
GRANTS
OLT
ONU-C
ONU-D
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Shared
bandwidth
Dedicated
bandwidth
103
Traffico upstream
Scheduling
„
La capacità decisionale dell’OLT risiede nell’algoritmo di scheduling
– In genere non specificato completamente dagli standard
– Esempio: GlobalFIFO per DBA (progetto FSAN)
• I grant generati dall’OLT per tutti gli ONU vengono memorizzati in una coda
virtuale FIFO (buffer circolare) prima di essere rilasciati agli ONU
„
Lo scheduler deve tener conto delle caratteristiche del traffico
– Esempio: nel GlobalFIFO
• In realtà ci sono tante code virtuali quanti tipi di traffico
• Lo scheduler serve con priorità le code dei traffici di tipo real-time
Best effort bandwidth
Non-assured bandwidth
Assured bandwidth
Fixed bandwidth
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Serviti usando la banda
rimanente (dando priorità al
non-assured)
Riservato subito dopo il fixed
Sempre garantito
104
Sicurezza e affidabilità
Sicurezza: il traffico downstream
„
„
„
La natura broadcast del traffico downstream rende le informazioni
potenzialmente accessibili a tutti gli utenti
Alcuni standard prevedono meccanismi di confidentiality
Churning
– Scrambling protezione di basso livello operata dal OLT utilizzando una
chiave inviata upstream dall’ONU
– Applicato ai campi di overhead delle trame upstream
– Aggiornamento della chiave almeno ogni secondo per ciascun ONU
„
Advanced Encryption Standard (AES)
– Applicato ai campi dati delle trame upstream
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
105
Sicurezza e affidabilità
Affidabilità
„
Per migliorare l’affidabilità delle PON è possibile adottare schemi di
protezione automatica dai guasti. In particolare sono utilizzati
– Automatic Protection Switching (APS)
– Duplicazione di componenti (transceivers, splitter e sezioni di fibra ottica)
„
Schemi simili a quelli adottati sulle reti di trasporto
Drop Section
TR
Feeder Section
TR
TR
Passive
Splitter
TR
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
106
Sicurezza e affidabilità
Protezione dai guasti
TR
TR
OLT
TR
TR
ONU-1
ONU-2
TR
TR
OLT
TR
TR
TR
ONU-1
ONU-2
TR
TR
TR
ONU-n
TR
B type
Protezione 1+1 del OLT
„
Economico
„
Ridondanza della rete primaria e dei
trasnciever del OLT
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
ONU-n
C type
protezione 1+1 di PON
(sistema full duplex)
„
Più sicuro
„
Ridondanza completa
107
Sicurezza e affidabilità
Protezione dai guasti
TR
TR
OLT
TR
ONU-1
ONU-2
TR
OLT
TR
TR
TR
ONU-1
ONU-2
TR
TR
TR
ONU-n
D type
Partial duplex system
A type
„
„
Ridondanza del tratto
primario
ONU-n
„
Come C
„
La duplicazione è parziale
Apparati non ridondati
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
108
Sommario
„
„
Introduzione
Passive Optical Network: fondamenti
–
–
–
„
„
„
L’infrastruttura d’accesso ottica
Controllo d’accesso up/downstream
Confronto di PON con altre soluzioni d’accesso ottiche
Standard PON
Problemi aperti
Conclusioni
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
109
PON vs altre soluzioni FTTH
Soluzione Point-to-Point (p2p)
„
„
„
„
„
„
Ogni utente è direttamente connesso alla centrale
tramite un link in fibra dedicato
Soluzione tecnologica molto semplice
N linee in fibra dedicate
2N transceiver
Enorme spazio occupato in centrale dalle terminazioni
delle fibre (ODF)
N Users
Tutta la banda di una fibra è teoricamente a disposizione
del singolo utente
CO
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
L (km)
110
PON vs altre soluzioni FTTH
Soluzione Remote Active
„
„
„
„
„
„
Tecnologia di switching matura (es. Fast Ethernet)
1 linea in fibra condivisa
Switch attivo → “power in the field”
2N+2 transceivers
Banda upstream e downstream condivisa (discipline rigidamente
FIFO senza controllo di QoS)
N
subscribers
Frequente topologia metro-ring del ODN
Curb Switch
CO
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
L (km)
111
PON vs altre soluzioni FTTH
Soluzione PON
„
„
„
„
„
Richiede tecnologia di networking ad hoc, che però è
già ben consolidata
1 linea in fibra condivisa
N+1 transceivers
Dispositivi passivi (splitters). Non ci sono elementi attivi
nel signal path
Banda upstream e downstream condivisa (TDMA a
prenotazione con controllo di QoS)
Passive
N
subscribers
Optical
Splitter
CO
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
L (km)
112
Sommario
„
„
„
„
„
Introduzione
Passive Optical Network: fondamenti
Standard PON
Problemi aperti
Conclusioni
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
113
Standard PON
Evoluzione degli standard per le PON
„
ATM PON (A-PON)
– Traffico trasferito usando formato e framing ATM “raw-cell”
– 1982: idea di PON (British Telecom)
– 1987 – 1999: PON testbed di BT, Deutsche Telekom (Eastern Germany),
NTT (Giappone), BellSouth (Atlanta, USA)
– 1995: testbed APON a 622 Mbit/s (progetto europeo RACE BAF)
– 1996: Full Service Access Network (FSAN) apre i lavori
– 1997-’98: progetti europei ACTS BONAPARTE e EXPERT/VIKING
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
114
Standard PON
Evoluzione degli standard per le PON
„
Broadband PON (B-PON)
– Il sistema APON è standardizzato da ITU-T con un nome (B-PON) che
vuole indicare che la PON può offrire un servizio broadband completo, e
non solo ATM (anche se per framing e trasporto si usano ancora celle
ATM)
– Rate di linea: 155 Mbit/s symmetrical or 622/155 Mbit/s down/upstream;
ONU/OLT max distance: 20 km; max. # ONUs: 64
– 1998-’00: ITU-T G.983.1 (physical aspects) e G.983.2 (ONT
management and control)
– 2001-’02: altre raccomandazioni ITU-T G.983.x and Q.834.x, e.g.
• G.983.4/.7: Dynamic Bandwidth Assignment (DBA), con capacità statistical
multiplexing (⇒ più utenti per ONU) e controllo di Quality of Service (QoS)
• G.983.3: si adotta il CWDM aggiungendo canali video broadcast analogici
downstream
– 2006: standard riorganizzato in cinque Recommendations G.983.1 - .5
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
115
Standard PON
Evoluzione degli standard per le PON
„
Gigabit-capable PON (G-PON)
– Il traffico è trasportato usando differenti framing: ATM (G.983 based) o
via G-PON Encapsulation Method (GEM), che può interfacciarsi con SDH
(G.707 based) or Ethernet (IEEE802.3 based).
– Vari line rates, fino a 2.4 Gbit/s simmetrico, distanza massima ONU/OLT:
20 km; max. # ONU: 128
– 2001: attività iniziata dal gruppo FSAN
– 2003: raccomandazioni ITU-T G.984.x
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
116
Standard PON
Evoluzione degli standard per le PON
„
Ethernet PON (EPON)
– Il traffico è trasportato usando framing Ethernet
• Gli apparati di utente sono più economici del BPON
• Ethernet è molto più diffuso di ATM
–
–
–
–
–
Subscriber rate più elevati (fino a 1.25 Gbit/s simmetrico)
2001: IEEE 802.3ah Study Group “Ethernet in the First Mile (EFM)”
Rilascio primi documenti: Sett. 2003)
2004: approvazione finale dello Standard IEEE 802.3ah
2008: revisione dello standard
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
117
Confronto GPON – EPON
Standard tecnici
Standard
Downstream/
Upstream Bandwidth
# ONT served
Lambda
Framing/
Protocol
Distance
ITU-T G.983.x
155, 622 or 1244
Mbit/s down
155 or 622
Mbit/s up
Limited by power
budget and ONU
addressing limits:
16 to 32 splitter
1490 nm Down
1310 nm Up
(1550 nm Down
for RF video )
ATM
20 km
GPON
(Gigabit PON)
ITU-T G.984
1.2 or 2.4
Gbit/s down
155, 622, 1.2 or 2.4
Gbit/s up
Up to 64(physical)
Up to 128 (logical)
1490 nm Down
1310 nm Up
(1550 nm Down
for RF video)
GEM: G-PON
Encapsulation
Method (supports
Ethernet), ATM
10/20 km
(up to 60
km )
EPON
(Ethernet PON)*
IEEE 802.3ah
Symmetric 1.25 Gbit/s
Up to 32
1550 nm Down
1310 nm Up
Ethernet
10/20 km
IEEE 802.3av
(Working
Task Force)
10 Gbit/s down
1 Gbit/s up
(symmetric 10 Gbit/s in
the future?)
32 (maybe more?)
1480-1500 nm
Down ?
1260-1360 nm Up
?
1550-1560 Video
overlay ?
Ethernet
20 km
Technology
APON/BPON
(ATM PON/
Broadband PON)
10GEPON
(10 Gigabit Ethernet
PON)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
118
Confronto GPON – EPON
Parametri fisici
32
„
30
–
28
G(B)PON
Class B
24
22
G(B)PON
• Class A: 5-20dB
• Class B: 10-25dB
• Class C: 15-30dB
G(B)PON
Class C
26
Number of splits
Valori di power budget
–
20
EPON
• Class PX10: 5-20dB
• Class PX20: 10-24dB
18
16
14
„
EPON
Class PX20
12
– Optical splitter insertion loss
10
•
•
•
•
8
6
4
G(B)PON Class A
EPON Class PX10 (note)
2
0
2
4
6
8
10
Ipotesi di calcolo
12
14
16
18
20
32-way split: 17dB
16-way split: 14dB
8-way split: 11dB
4-way split: 8dB
– Fixed loss (conn., etc.): 4dB
– Line loss: 0.5dB/km
Applicable distance (km)
Note: Class PX10 assumes the use of FP-LD Æ max. distance 10 km
due to effects of dispersion. DFB-LD is used in other Classes.
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
119
Confronto GPON – EPON
Efficienza di trasmissione
M b /s
1400
1200
scheduling OH : frame
delineation
1000
scheduling OH : PHY burst OH
scheduling OH : control
messages
800
payload encapulation OH
600
line coding
400
payload
200
0
EPON
GPON
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
BPON
120
Confronto GPON – EPON
Confronto degli header
24 bits
min.
typ.
4 bits 12 bits
BPON
typ.
8 bits
Guard PreambleDelimiter
Data
min. 76.8 ns
min.
typ.
typ.
25.6 ns 35.2 ns 16.0ns
GPON
EPON
Guard PreambleDelimiter
max. 400 ns
max. 400 ns
Laser
turn on time
AGC, CDR
setting time
Data
max. 400ns
Data
Data
Laser
turn off time
AGC: Automatic Gain Control; CDR: Clock and Data Recovery
Laser turn on time overlaps the laser turn off time of the previous burst
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
121
Confronto GPON – EPON
PON access control
„
B-PON
– Signaling: based on exchanges of PLOAM cells and “piggybacking”
– ONU synchronization: ranging provided by the Transmission
Convergence (TC)
– Scheduling: e.g. Global-FIFO
„
G-PON
– Signaling: G-PON Transmission Convergence (GTC)
– ONU synchronization: B-PON-like ranging, use of pointers
– Scheduling: similar to B-PON
„
EPON
– Signaling: Multi Point Control Protocol (MPCP)
– ONU synchronization: based on timestamps stored in the OLT table; no
need for ranging
– Scheduling: e.g. Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time (IPACT)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
122
Evoluzione di GPON
10G GPON
„
La naturale continuazione di GPON è il 10 Gbit/s
– Specifica FSAN 10G GPON in fase di definizione
– Non solo un x4 di bitrate, ma estensione da 20 to 60 km, e split da 64 a 128
„
Il tutto evitando di sostituire l’infrastruttura già istallata
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
FTTH Handbook, Deployment & Operations
123
Committee, FTTH Council Europe, 2009
Evoluzione di EPON
10G-EPON (802.3av draft)
„
„
„
Piena compatibilità con le ODN esistenti
BER ≥ 10-12 alle interfacce di servizio (non necessariamente a livello
fisico – vedi FEC)
2 specifiche di physical-layer
– 10 Gbit/s downstream e 1 Gbit/s upstream, single SM fiber
– 10 Gbit/s downstream e 10 Gbit/s upstream, single SM fiber
„
„
„
„
Definizione di fino a 3 classi di optical power budgets per splitting
ratio 1:16 e 1:32 e distanze di almeno 10 e almeno 20 km
Nuova codifica di canale 64B66B per ridurre l’overhead
FEC obbligatorio per rilassare le specifiche sui transceiver ottici (e
ridurre i costi)
Wavelength allocation
– Upstream: 1260-1280 nm (simmetrico) e 1260-1360 nm (asimmetrico)
– Downstream: 1575-1580 nm
Keniji Tanaka, “10G-EPON Standardization
and its development status”, KDDI R&D
Laboratories Inc, OFC 2009
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
124
WDM PON
„
„
„
L’aggiunta di un’ulteriore dimensione di multiplazione/accesso
multiplo – la lunghezza d’onda – può espandere enormemente la
capacità della PON
Può anche essere una soluzione per avere un accesso multioperatore sulla stessa infrastruttura
Problema principale: costo degli apparati
– Gli ONU devono essere dotati di laser stabili in lunghezza d’onda e a
banda stretta
– Ciascun ONU deve essere equipaggiato da un laser diverso
„
Probabilmente evoluzione graduale, passando da Coarse WDM a
Dense WDM
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
125
WDM PON
„
„
Concetto base: ogni ONU è associato ad una diversa λ (o un gruppo di λ)
Due modelli di realizzazione:
– WPON: broadcast and select PON
• Medesima ODN delle PON TDM. Tutti gli ONU sono raggiunti da tutte le λ. Ogni ONU
filtra la λ a cui è associato
– WRPON: wavelength routed PON
• Arrayed Waveguide Router (AWG) al posto dello splitter. Ciascun ONU è raggiunto solo
dalla propria λ grazie alle proprietà dell’AWG
λ1-n
OLT
SPLIT
WPON
λ1-n
λ1-n
λ1-n
λ1
OLT
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
AWG
WRPON
λ1-n
λ2
λn
ONU
λ1
ONU
λ2
ONU
λn
ONU
λ1
ONU
λ2
ONU
λn
126
Colorless ONU
„
L’avvento delle WDM PON potrebbe essere facilitato dai colorless
ONU
– Trasmettitore dell’ONU in grado di sintonizzarsi automaticamente sulla
lunghezza d’onda del segnale ricevuto dall’OLT
• Un dispositivo ottico [es. Semiconductor Optical Amplifier (SOA) o Reflective
SOA (RSOA)] rimodula la portante ricevuta dall’OLT con i dati dell’ONU e la
trasmette verso l’OLT
– Evita i problemi di stabilità della portante dell’ONU
– Tutti gli ONU hanno le medesime caratteristiche
„
Tecnologia ancora in fase sperimentale
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
127
Sommario
„
„
„
„
Introduzione
Passive Optical Network: fondamenti
Standard PON
Problemi aperti
–
–
„
Pari condizioni per gli operatori delle reti d’accesso
Sfide e tecnologie innovative per la posa e il cablaggio
Conclusioni
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
128
Regolamentazione per lo sviluppo
della banda ultralarga
„
„
„
Oggetto di intensa attività di studio e situazione in rapido mutamento.
Sono pochi i Paesi dove esistono già norme chiare e definitive (non
l’Italia…)
Regolamentazione europea: cerca di promuovere la concorrenza in
favore degli utenti finali
Regolatori nazionali (OFCOM inglese, CMT spagnolo, OPTA olandese,
ARCEP francese, AGCOM italiano, ecc.): devono individuare soluzioni
apposite per regolare il mercato interno
– Situazioni economiche (presenza di operatori alternativi) o architetturali
(presenza di reti alternative come ad esempio cable tv, presenza di reti
metropolitane) diverse da nazione a nazione
„
Concorrenza sembra più facilitata fuori dall’Europa
– Es. intervento diretto del governo nazionale per promuovere lo sviluppo
della rete (solitamente negli stati Asiatici)
„
In Italia il progetto ISBUL lanciato da AGCOM sta offrendo al regolatore
il supporto del parere di esperti di tlc dal mondo universitario
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Fonte: Maurizio Decina,
Politecnico di Milano
129
Regolamentazione per lo sviluppo
della banda ultralarga
„
„
„
Gli operatori nazionali “incumbent” che detengono significativo potere
di mercato devono offrire l’accesso alle proprie infrastrutture di rete
agli altri operatori concorrenti
Problema di regolamentazione fondamentale: per ogni paese quale
tipo di risorsa l’operatore incumbent deve condividere con altri
operatori nella NGAN?
Possibili soluzioni
– Servizi di unbundling fisico (basati sulla condivisione di cavidotti e delle
nuove infrastrutture di posa, co-locazione, etc.)
– Servizi bitstream basati su sistemi trasmissivi attivi
„
„
Molti regolatori nazionali tendono oggi a favorire i servizi di bitstream
rispetto a quelli di unbundling
Possibili modelli cooperativi di innovazione dell’infrastruttura
– Tutti coloro che installano nuovi cavidotti o fibre devono rendere partecipi
gli altri operatori per condividere le spese di installazione
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
130
Regolamentazione per lo sviluppo
della banda ultralarga
„
Al contempo è necessario però che la regolamentazione non sia
troppo punitiva nei confronti dell’incumbent, tanto da rendere non più
conveniente lo sviluppo della rete FTTx
– Spesso l’incumbent è l’unico player nelle condizioni economiche e/o
tecniche di supportare gli investimenti per una riconversione
dell’infrastruttura in fibra
„
Favorire la concorrenza sui servizi di bitstreaming rischia di non
stimolare a sufficienza l’upgrade dell’infrastruttura fisica
– Non necessariamente il bitstreaming richiede soluzioni realmente a
banda ultralarga
– Se il mercato fosse limitato al solo bitstreaming probabilmente si
favorirebbero soluzioni a bassa penetrazione dell’ottica (es. FTTCab)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
131
Cablaggio ottico d’edificio
„
„
„
Adduction:
raccordo
dell’edificio alla rete
ottica
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Il DDL 112 del 25/06/2008 consente la
realizzazione delle infrastrutture di
telecomunicazioni nei condomini senza
dover chiedere l’autorizzazione degli
amministratori e senza avere già una
richiesta di utenza da parte di un
condomino
Le nuove Norme Tecniche CEI (ottobre
2008), rendono possibile l’installazione di
fibra in condotti per l’energia elettrica (ed
antenna TV…)
Problema regolatorio completamente nuovo
– Incumbent e OLO sono alla pari
– Chi deve istallare l’impianto? Con quali
obblighi verso gli altri operatori?
– Quante fibre per utente si devono posare?
Fonte: Fabio Randone,
132132
Telecom Italia
Cablaggio ottico d’edificio
„
Cablaggio orizzontale
– Nelle nuove lottizzazioni potrebbe essere realizzato
dal costruttore o dall’operatore FTTH, con cui si fa un
accordo
– In edifici esistenti, può essere realizzato quando il
cliente chiede il servizio (caso Francia) oppure sin da
subito quando si cabla verticalmente
•
Tratta orizzontale del cablaggio ottico
verso gli appartamenti al piano
„
Box di raccordo
ottico al piano
UI
Tratta verticale
del cablaggio
ottico
Punti di terminazione ottica
per utente
O PM a piè di immobile
Adduction: raccordo dell’edificio alla
rete ottica
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
Cablaggio verticale
– Nei paesi europei che stanno sperimentando FTTH,
chi posa per primo la fibra ottica in verticale deve
condividerla con altri operatori, in quanto le autorità
hanno giudicato che in tale segmento non vi sia
spazio per più di un operatore
– Quante fibre per unità abitativa?
UI
PRI= Punto di Raccordo all’Immobile
FT si propone per realizzare e manuntenere il cablaggio
orizzontale tramite società certificata
•
•
„
Francia (GPON): in discussione (prima proposta 2)
Caso Swisscom (GbE): 4 per alloggio
ARCEP (regolatore francese) indica che nel
PM deve essere possibile la condivisione con
almeno 3-4 operatori.
Fonte: Fabio Randone,
133
Telecom Italia
Sommario
„
„
„
„
Introduzione
Passive Optical Network: fondamenti
Standard PON
Problemi aperti
–
–
„
Pari condizioni per gli operatori delle reti d’accesso
Sfide e tecnologie innovative per la posa e il cablaggio
Conclusioni
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
134
Ripartizione dei costi delle reti FTTx
„
„
La voce nettamente
preponderante è costituita
dalle opere civili connesse
all’istallazione
La riduzione di questi costi
è un fattore chiave per
favorire lo sviluppo
FTTH Handbook, Deployment & Operations
Committee, FTTH Council Europe, 2009
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
135135
Riutilizzo dell’infrastruttura esistente
Cavidotti della rete d’accesso
50/63 mm
TUBO – Cavidotto
12 mm
SOTTO-TUBO
Sotto-cavidotto
MICROTUBO
Microcavo
(96 fibre ottiche)
100-125 mm
„
„
Soluzione per la rete di distribuzione primaria
Se le fibre sono già istallate:
De-coring
– Wholesale dell’incumbent verso gli OLO
– La sottotubazione mediante microtubi facilita la ripartizione
– Si potrebbero anche utilizzare reti create da amministrazioni pubbliche (Comuni,
Regioni, ecc.), spesso attualmente sottoutilizzate Æ Sarebbe fondamentale
un’anagrafe globale
„
Se le fibre sono da istallare:
– Tecniche avanzate di posa per trazione, insuflaggio o de-coring
– Permettono di sostituire i cavi in rame senza interventi sui cavidotti
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
136
Riutilizzo dell’infrastruttura esistente
Tubazioni di altre reti non tlc
Gas pipes
Subway
„
„
Per il dispiegamento delle fibre ottiche
potrebbero essere utilizzate le
infrastrutture metro delle utilities
(spesso a maggioranza pubblica), quali:
illuminazione, gas, energia, fogne,
teleriscaldamento, metropolitana, ecc.
Esistono già tecnologie di posa adatte
ad ogni specifico caso
Water
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
137
Tecnologie di posa
Tecnologie di posa a basso impatto ambientale
bynder
20 cm
concrete
30 cm
pavement
multi-cable
10 cm
„
„
Varie tecnologie consentono di espandere l’infrastruttura con limitati
inconvenienti dovuti a cantiere, blocco circolazione viaria, ecc.
Per il tratto primario e secondario della ODN, ad es., la tecnologia di
scavo a minitrincea
Paolo Trombetti, “Micro e mini tincea:
tecnologie di scavo nel rispetto dell’ambiente”,
Notiziario Tecnico Telecom Italia, Anno 18,
Numero 1, 2009
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
138
Tecnologie di posa
Tecnologie di posa a basso impatto ambientale
10 cm
pavement
rubber
buffers
(a)
(c)
(b)
(d)
cable
1.5 cm
„
Per il tratto secondario finale della ODN, ad es., la tecnologia di scavo
a microtrincea
Paolo Trombetti, “Micro e mini tincea:
tecnologie di scavo nel rispetto dell’ambiente”,
Notiziario Tecnico Telecom Italia, Anno 18,
Numero 1, 2009
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
139
Tecnologie di posa
Istallazioni aeree
„
„
„
Basso costo e rapidità di deployment ma…
…meglio una jungla sotterranea …
…piuttosto che oscurare il cielo!
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
140
Infrastruttura indoor
Rete di edificio
„
Interessanti soluzioni “spliceless” per connettere cablaggio verticale
ed orizzontale
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
141
Infrastruttura indoor
Home-network
„
Fibre multimodo in plastica ultra resistenti
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
142
Sommario
„
„
„
„
„
Introduzione
Passive Optical Network: fondamenti
Standard PON
Problemi aperti
Conclusioni
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
143
Conclusioni
„
„
„
„
La tecnologia per la banda ultralarga e la NGAN è disponibile e
matura in tutti gli aspetti, dalla rete al cablaggio
Le PON offrono una soluzione estremamente competitiva
Il successo finale dipenderà molto da vari fattori tecno-economici e
normativi, tutt’oggi incerti
Challenge entusiasmante!!
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
144
Bibliografia (libri)
„
„
„
„
„
„
„
Glen Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill, 2005
FTTH Handbook, Deployment & Operations Committee, FTTH
Council Europe, 2009
The book on FTTH, Steve Grady ed., ADC Telecommunications, Inc.,
2005.
U. Killat (editor), Access to B-ISDN via PONs, Wiley-Teubner, 1996
T. Kwok, The new paradigm for Internet, intranet and residential
broadband services and applications, Prentice Hall, 1998
T. E. Stern, K. Bala, Multiwavelength optical networks, AddisonWesley, 1999
Angelo Luvison, Federico Tosco, La rete di distribuzione per
telecomunicazioni, Libri CSELT, 2003 Torino (Italy)
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
145
Bibliografia (articoli e studi vari)
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
L. Hutcheson, “FTTx: Current Status and the Future,” IEEE Communications Magazine, vol. 46,
July 2008.
K. Cho, K. Fukuda, H. Esaki, and A. Kato, “The impact and implications of the growth in residential
user-to-user traffic,” in SIGCOMM ’06: Proceedings of the 2006 conference on Applications,
technologies, architectures, and protocols for computer communications. New York, NY, USA:
ACM, 2006, pp. 207–218.
G. Amendola and L. Pupillo, “The Economics of Next Generation Access Networks and Regulatory
Governance in Europe: One Size Does not Fit All.” 18th ITS Regional Conference, Sept 2007.
“Developments in Fibre Technologies and Investment,” Organisation for Economic Co-operation
and Development, Tech. Rep., Apr 2008.
“Convergence and Next Generation Networks,” Organisation for Economic Co-operation and
Development, Tech. Rep., Jun 2008.
S. Bregni and R. Melen, “Local loop unbundling in the Italian network,”Communications Magazine,
IEEE, vol. 40, no. 10, pp. 86–93, Oct 2002.
C. Bianco, F. Cucchietti, and G. Griffa, “Energy consumption trends in the next generation access
network a telco perspective,” Telecommunications Energy Conference, 2007. INTELEC 2007. 29th
International, pp. 737–742, 30 2007-Oct. 4 2007.
G. D. C. N. Kazovsky L. G., Shaw W. and W. S., “Next-Generation Optical Access Networks,”
Journal on Lightwave Technology, vol. 25, no. 11, Nov 2007.
P. W. Shumate, “Fiber-to-the-Home: 19772007,” Lightwave Technology, Journal of, vol. 26, no. 9,
pp. 1093–1103, May 2008.
S. Hussain and X. Fernando, “Epon: An extensive review for up-todate dynamic bandwidth
allocation schemes,” Electrical and Computer Engineering, 2008. CCECE 2008. Canadian
Conference on, May 2008.
H. Song, A. Banerjee, and B. Mukherjee, “A protocol for efficient tunable laser utilization to support
incremental upgrade in a wdm-pon,” Optical Fiber Communication and the National Fiber Optic
Engineers Conference, 2007. OFC/NFOEC 2007. Conference on, pp. 1–3, March 2007.
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
146
Bibliografia (articoli e studi vari)
Offerta di riferimento di Telecom Italia 2009 servizi di accesso disaggregato all’ingrosso alle reti e
sottoreti metalliche (Mercato 11), Telecom Italia Wholesale, October 2008, in Italian.
„
Offerta di riferimento di Telecom Italia 2008 servizi bitstream e relativi servizi accessori (Mercato 12),
Telecom Italia Wholesale, February 2008, in Italian.
„
S. Sarkar, H.-H. Yen, S. Dixit, and B. Mukherjee, “A novel delay-aware routing algorithm (dara) for a
hybrid wireless-optical broadband access network (woban),” Network, IEEE, vol. 22, no. 3, pp. 20–28,
May-June 2008.
„
“Regolamentazione e scorporo della rete - in Italian,” AGCOM Italian National Regulatory Authority,
Tech. Rep., 2008.
„
F. C. Giovanni Amendola and P. Serdengecti, “Is Really Functional Separation The Next Milestone In
Telecommunications (De)Regulation?” 18th ITS Regional Conference, Sept 2007.
„
Proposta definitiva di impegni ex art. 14-bis del decreto legge 4.7.2006, n. 223, convertito dalla legge
4.8.2006, n. 248, Agcom and Telecom Italia, July 2008, in Italian.
„
W. Yue and J. V. Mocerino, “Broadband Access Technologies for FTTx Deployment,” Optical Fiber
Communication and the National Fiber Optic Engineers Conference, 2007. OFC/NFOEC 2007.
Conference on, pp. 1–6, March 2007.
„
M. Conner and P. Hanlon, “FTTH design metrics for greenfield deployments,” Optical Fiber
Communication Conference, 2006 and the 2006 National Fiber Optic Engineers Conference. OFC
2006, March 2006.
„
J. P. R. Pereira, “A cost model for broadband access networks: FTTx versus WiMAX,” Access
Networks & Workshops, 2007. AccessNets ’07. Second International Conference on, pp. 1–8, Aug.
2007.
„
P. J. A. Pereira J. P. R., “Broadband access technologies evaluation tool,”Technological and economic
development of economy Baltic Journal on Sustainability, vol. 13, no. 4, pp. 288–294, 2007.
„
F. K. T. Cameron A. F., Thorne D. J. and F. S. I., “Fixed access network technologies,” BT Technology
Journal, vol. 25, 2007.
„
Z. Zelenika and K. Magdic, “Network Building Blocks of Fixed NGN Telecom Operator,”
Telecommunications, 2007. ConTel 2007. 9th International Conference on, pp. 317–324, June 2007.
„
P. France, Local Access Network Technologies, T. I. of Electrical Engineers, Ed., 2004.
Passive Optical Networks – Gennaio 2010
147
„