Introduzione alle Passive Optical Networks - Intranet...

RetiReti OtticheOttiche

IntroIntroduzioneduzione alleallePassive Passive OpticalOptical NetworksNetworks

Guido MaierGuido MaierDipartimento di Elettronica e InformazioneDipartimento di Elettronica e Informazione

Politecnico di MilanoPolitecnico di Milano

GennaGennaioio 20102010

[email protected]@elet.polimi.it

2Passive Optical Networks – Gennaio 2010 2

Sommario

IntroduzionePassive Optical Network: fondamentiStandard PONProblemi apertiConclusioni

3Passive Optical Networks – Gennaio 2010

Motivazione

Negli ultimi dieci anni gli operatori hanno investito molto nelle reti di trasporto ottiche di backbone, rendendo potenzialmente disponibile una capacità trasmissiva enormeTale 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 SOLUZIONEIDEALE così come lo erano stati per la rete di core nel passatoInternet 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


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-to-

peer)– 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


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


Un esempio: gli Stati Uniti

Source: Information Gatekeeper Inc

Change from xDSL to Advanced H-S Accesses

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

US

Hou

se H

olds

in S

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ce [m

illio

n] FiOS (Verizon)

U-Verse (AT&T)

Total Advanced Telco H-S Accesses

xDSL Accesses - Non-advanced

Total Telco H-S AccessesLarga banda (xDSL)

Banda ultralarga

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!

Banda larga + ultralarga


Struttura delle reti di telecomunicazione Lo scenario “tradizionale”

Gerarchia della rete fortemente strutturataI livelli sono ben distinti e utilizzano apparati differentiLa rete d’accesso (per telefonia) è in rame

LONG DISTANCENETWORK

JUNCTIONNETWORK

ACCESSNETWORK

TRANSPORTNETWORK

FEEDERNETWORK

DISTRIBUTIONNETWORK

High-level SONET/SDH cross-connects (DXC 4/4)

Low-level SONET/SDH x connects (DXC 4/3/1)

Telephone copper twisted pairs

Tributary de/muxers (DXC 1/0)


Access networkAccess network

OXCOXCOXC

MSSMSSMSS

OXCOXCOXC

MSSMSSMSS

OADMOADMOADM

OADMOADMOADM

OADMOADMOADMOADMOADMOADMOAOAOA

OAOAOA

RNRNRNRNRNRN

OLTOLT OLTOLT

ONTONTONT

Transport/metro networkTransport/metro network

IP router IP router

OXC = Optical Cross ConnectOADM = Optical Add-Drop MultiplexerOA = Optical AmplifierOLT = Optical Line TerminationRN = Remote NodeONT = Optical Network TerminationMSS = Multi-Service Switch

Struttura delle reti di telecomunicazione Lo scenario futuro

Fiber optics “in the loop” (nell’accesso)Tecnologia ottica trasparente (minimizzazione dell’uso dell’elettronica e delle conversioni O/E/O)


Caratteristiche della rete di accessoIl “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


Caratteristiche della rete di accessoOperatori

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 (OtherLicenced Operator)

– Tra incumbent e OLO i rapporti vengono regolati da un Authority nazionale che stabilisce gli obblighi di accesso all’infrastruttura dell’incumbent da parte degli OLO (unbundling) per rendere fair la competizione

Varie tipologie di operatori– Tradizionali telecom (anche regionali)– Radiomobile– Multi-Service Operator (MSO),

televisioni via cavo (CATV)– Facilities (gas, elettricità, ecc.)– Amministrazioni locali,

enti pubblici– Internet Service Provider (ISP)– Reti business– …

Negli USA (e Canada) gli operatori della rete diaccesso sono i Local Exchange Carrier (LEC) [distintidai long-distance]

–Incumbent LEC (ILEC): spesso una Regional Bell Operating Company (RBOC o Baby Bell), nata daAT&T (e.g. Verizon)–Competitive LEC (CLEC): OLO


Caratteristiche della rete di accessoNodi 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)


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


I nuovi servizi ICTLo scenario dei servizi si movimenta

A partire dagli anni ’90…… avvento dei servizi multimediali ad alto contenuto informativo, alta interattività, alto grado di servizio richiestoGli operatori, prima legati ciascuno ad un servizio ben specifico, tendono ad ampliare l’offerta


I nuovi servizi ICTServizi 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 hostedservice, 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.


I nuovi servizi ICTServizi dell’utenza business

Trasporto Metro (backhaul)– Business Continuity & Disaster Recovery– Storage and data consolidation– Database storage– Distributed application– Cluster application

Storage area networksMobile/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)


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 (network-technology-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)


IP: piattaforma comuneCrescita esponenziale della rete IP

Anche i servizi non-dati tradizionali (voce, video) convergono su IP– L’IP packet-layer diventa una

piattaforma integrata– Molti operatori (e.g. TI) usano IP anche

sulla rete a lunga distanza di backbone per trasmettere i canali telefonici

Previsioni di crescita di traffico esponenziale …… confermate dai dati reali di crescita (es. del numero di host) …

Cisco traffic forecasts 2007

Total IP traffic

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

PByt

es p

er m

onth

Sorce: Cisco, 2007

January 2008 January 2008 -- Total Host Count Total Host Count 541,677,360541,677,360


IP: piattaforma comuneIl contenuto informativo di Internet

…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

immagazzinato in forma sia analogica che digitale in:• Paper – Film – Optical – Magnetic Storage• Crescita annua ∼ 30%

Internet 2003

Yotta

Zetta

Exa

Peta

Tera

Giga

Mega

Kilo

Bytes

Source: Sims University of California at Berkeley, November 2003

A Book

A Movie

All Books(Words)

All BooksMultiMedia

A Photo

Internet 2008


IP: piattaforma comuneI limiti energetici alla scalabilità di Internet

Il consumo energetico della rete cresce con il rate medio d’accessoSe il 33% della popolazione della Terra fosse connesso:

Baliga et al., COIN/ACOFT, June, 200750%5%% of world’s 2007 electricity supply

1 TW100 GWPower consumption

10 Mbit/s1 Mbit/sAccess rate Christoph Glingener (ADVA), Key-notepresentation, ONDM’09, Feb. 2009

I maggior consumi provengono dai nodi di commutazione ad alta capacità della rete di coreOvviamente per potenziare l’accesso ènecessario anche potenziare il trasporto


Evoluzione della rete di accessoRequisiti della NGAN

Piattaforma d’accesso unificata in grado di supportare i servizi piùavanzatiOfferta di accesso a banda ultralarga, ma anche possibilità di accesso a granularità più fineGestione di connessioni punto-punto e multicastQualità di servizio garantita con grado variabile in base alle esigenzedell’utenzaModo di trasferimento e sistema di gestione e controllo comuniDeployment tempestivoBasso costo per il subscriberSoluzione time-proofScalabilità nella capacità e nel numero di utentiTraffico bi-direzionale (downstream / upstream)


Evoluzione della rete di accessoOverlay 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 tradizionaleSoluzione 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


NGAN otticaVantaggi della fibra ottica e della tecnologia fotonica

L’ottica la tecnologia più adatta rete di accesso a banda ultralargaCaratteristiche 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


NGAN otticaInconvenienti 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 costruzioneFino 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 ItaliaOggi i tempi sembrano molto più maturi


NGAN otticaAlleviare 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


Sommario

IntroduzionePassive 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 otticheStandard PONProblemi apertiConclusioni


La rete di accesso in rameArchitettura fisica

Servizio tradizionale di telefonia (Plain Service Telephone Network – PSTN)Rete primaria

– Elevata condivisione– Minimizzazione dei costi

Rete secondaria– Flessibilità– Ramificazione / capillarità

Cavi in rame– Primari

• 2400-2000 coppie• In tubi o dotti

– Secondari• 100-10 coppie• In trincea o aerei

Distributionpoint (box)Distribution

cabinetPrimary cable

Twisted pairCentraloffice

Feeder / primarynetwork

Distribution / secondary

network Homenetwork

Dedicated / leased line

Secondary cable


La rete di accesso in rameDati 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: 1.1 km [Fr.: 1.9 km, Ge.: 1.7 km, UK: 1.3 km]• Secondary: 400 m [Fr.: 600 m, Ge.: 300 m, UK: 700 m]• 85 % buried

– Occupation• Primary: 65 % [Fr.: >70%, UK: 75 %]• Secondary: 45 % [Fr.: 70%, UK: 65 %]

– Muxed lines: ≈ 1000 @ 2 Mbit/s (30 channels)USA

– 100·106 subscribers– Average cable-length values

• Primary: 2.7 km• Secondary: 600 m• 24 % above 5.5 km end-to-end

– Muxed lines: several thousands @ 1.5 Mbit/sWorld average

– Average cable-length values• Primary: 1.8 km• Secondary: 520 m

Distribuzione cumulativa della lunghezza della rete di accesso in rame

A. Luvison, F. Tosco, La rete di distribuzione per telecomunicazioni, Libri CSELT, 2003 Torino (Italy)


La rete di accesso in rame in ItaliaRete 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)

Convegno AICT, “Reti di accesso di nuova generazione: Tecnologie e scenari”, Milano, aprile 2008, http://www.associazioneaict.it/home.asp


La rete di accesso in rame in ItaliaRete 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


Rete di accesso NGANModello di rete integrata

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


network

Homenetwork

Servicefeeder / primary

network

Localservice provider network

Set-top box

Pubblic transportnetwork

Web farm

VOD server

Internet carrier

Customerdatabase


Rete di accesso NGANFiber In The Loop (FITL)

Il termine Fiber-in-The Loop (FITL) indica qualsiasi rete di accesso in cui parte o tutti i collegamenti sono in fibra otticaSchema 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


network

Servicefeeder / primary

networkCO NIU

Downstream traffic Upstream traffic


Fiber in the loopClassificazione Fiber to the … (FTTx)

Varie soluzioni proposte, risultanti dal trade-off tra costo di sostituzione del rame (o di istallazione della fibra) e ritorno economico dell’incremento delle prestazioni– La sezione di rete vicino all’utente finale (ramificazione massima,

condivisione dei costi tra gli utenti minima) può rimanere in rame– Il nome delle varie soluzioni è determinato dalla collocazione in rete del

Electro-Optical (opto-electronic) Interface (EOI)Casi classificati– [Fiber To The Exchange (FTTE): EOI nel CO

• In realtà indica una rete di accesso interamente in rame; a rigore non è una soluzione FITL] corrisponde alla situazione attuale della rete TI in rame

– Fiber To The Cab (FTTCab): EOI nell’armadio (PSTN cabinet)– Fiber To The Curb (FTTC) / Fiber To The Building (FTTB): EOI nel box di

distribuzione (PSTN distribution point) esterno (curb) o interno (building)– Fiber To The Home (FTTH) / Fiber To The Office (FTTO): EOI nel NIU

Ogni operatore sceglie la configurazione che minimizza i rischi e gli extra-costi e sfrutta al meglio la propria rete legacy (ove presente)


Fiber in the loopClassificazione applicata al caso italiano

33

FTTB

FTTCab

FTTE

FTTH

Central Office Cabinet Building

VDSL2

ON

U

xDSL

Primary Network(200-3000m)

Secondary Network(100-700m)

ADSL2+ 3-20 Mbit/s<1 Mbit/ss

VDSL225-50 M2-10 M

VDSL250-100 M25-40 M

Optical0.1-1 Gbit/s

Exchangecentrale

Cabinetarmadio

Buildingedificio

Homecasa

NB Esistono moltissime altre varianti: Cab . Curb, Node, Premises, Office, Dormitory, Farm, ecc. Qui sono tutte deliberatamente ignorate!

Banda LargaNGN

Banda Ultra LargaNGAN

rame rame

fibra rame

fibra ramefibra

fibra fibra fibra

Fonte: Telecom Italia


Electronics

Fiber in the loopTerminologia definita dallo standard ITU-T G.983

Optical Line Termination (OLT)– Apparato Access network

terminal equipment nel COOptical Distribution Network (ODN)

– Parte in fibra della rete Optical Network Unit (ONU)

– Interfaccia tra fibra e sezione in rame

Optical Network Termination(ONT)

– NIU quando il subscriber èraggiunto in fibra

Network Termination (NT)– NIU quando il subscriber è

raggiunto in rame

Primarynetwork

Homenetwork

FTTH/O

FTTB/C

FTTCab

OLT

ON

T

ON

U

NT

ON

U

NT

ODN

ODN

ODN

Copper

Copper

NIU

Secondarynetwork

CO

From G.983 ITU-T Recommendation (1998)


Fiber in the loopRete ottica d’accesso attiva

Possibile in tutte le versioni FTTx (FTTCab, FTTC/B, FTTH/O)L’interconnessione tra diverse sezioni della rete avviene tramite apparati di commutazione attivi

– Tipicamente, switch Ethernet o router IP– Optical Add Drop Multiplexers (OADMs)

Il tratto di rete primario può essere realizzato con topologia ad anello– Possibilità di sfruttare i ring ottici in area metro (eventualmente anche in multiplazione di

lunghezza d’onda)L’ultimo tratto, se in rame, può essere:

– Twisted pair (with ADSL / VDSL)– UTP-5 (with 10/100 Fast Ethernet, especially for indoor plant in the FTTC/B solution)

CO

Primar (WDM) fiber ring

STB

Home network

HUB

Cabswitch /

POP

VDSL modem

VDSL m.

Build. switch/ POP

Secondaryfiber ring

CO switch /

POP

OpticalADM Optical

ADM

SDH ADM

Secondary fiber


Fiber in the loopPassive Optical Network (PON)

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

COPrimary (WDM) fiber (fiber ring) STB

Home network

HUB

ONU

Remote Node(RN)

Build./C ONU

Secondaryfibers

CO switch /

POP

copper

ONT

Primary ODN Secondary ODN

NT

ONU

NT



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 utentiLa “più ottica” delle soluzioni– La multiplazione dei segnali sul tratto primario può avvenire nel dominio del

tempo, della lunghezza d’onda o entrambe

COPrimary (WDM) fiber (fiber ring) STB

Home network

HUB

ONU

Remote Node(RN)

Build./C ONU

Secondaryfibers

CO switch /

POP

copper

ONT

Primary ODN Secondary ODN

NT

ONU

NT



Borchia

ONU

Rete di distribuzionesecondaria in rame

Rete di accessoottica primaria

CasaPiano

Localechiuso

Rete Metropolitana

In Fibra

ArmadioODF

OLT

SGU o SL

Splitter 1:n

SDF

DF Box

Splitter 1:n

ODF

ONU

CasaPiano

Localechiuso

ODF

DF

AdduzioneRete di accessoottica primaria

Rete di accessoottica secondaria

Borchia

Rete Metropolitana

In Fibra

ODF

OLT

SGU o SL

FTTCab PON

FTTB/C PON



ONTCasa

Localechiuso

Piano Verticale

Orizzontale

Splitter 1:n

Splitter 1:n

ODF

ODF

Adduzione

ODF

ODF

Rete di accessoottica primaria

Rete di accessoottica secondaria

Rete Metropolitana

In Fibra

ODF

OLT

SGU o SLFTTH PON


Fiber in the loopRete 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



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 grandeSvantaggi– 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)


Sommario

IntroduzionePassive 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 otticheStandard PONProblemi apertiConclusioni


Schema base di una rete PON

OLT: Optical Line TerminationONU: Optical Network UnitONT: Optical Network TerminalODN: Optical Distribution NetworkRN: Remote Node

Fiber link

Copper link

ISP A

OLT

Voice

Video

Central Office

ONU

ONU

ONU

ONT

Houses

Office Building

Apartment Building

Passive Device

ODN

Downstream Traffic

Upstream Traffic


Schema base di una rete PONPremessa 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 ONUSi assumono le distanze OLT-RN e RN-ONU secondo i valori massimi per l’infrastruttura italiana

– ODN primaria: 3 km– ODN secondaria: 700 m

ONU

ODNRN

ONU

ONU

OLT

3000 m700 m


Schema base di una rete PONSistema di trasmissione ottica digitale

Il trasmettitore trasforma i bit da trasmettere in impulsi ottici in base alla modulazione ON-OFF Keying (OOK) (in banda base)– 1 logico intensità elevata– 0 logico intensità bassa

La trasmissione a bit-rate R bit/s dà origine a impulsi di durata circa T = 1/R sIl ricevitore ricostruisce la sequenza logica mediante rivelazione diretta dell’intensità ottica degli impulsi ricevuti

Es.: R = 622 Mbit/s T = 1.6 nsR = 1 Gbit/s T = 1 nsR = 10 Gbit/s T = 100 ps

t1 0 1 1 0

T

T

t

T

t

T

t

t1 0 1 1 0

T

T

t

t1 0 1 1 0

T

t1 0 1 1 0

T

1 0 1 1 0

T

T

t

T

t

T

t

T

t

T

t

T

t

t1 0 1 1 0

T

t1 0 1 1 0

T

1 0 1 1 0

T

T

t

T

t

Interfacce livello fisico

ModulatoreLaser

Ricevitore

RTZ

NRZ


Schema base di una rete PONSistema di trasmissione ottica digitale

La qualità del sistema valuta in base al tasso di errore medio (Bit ErrorRate – 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-rateFissata la soglia max sul BER, si determina la potenza media minima necessaria al ricevitore

– Parametro detto sensitivity e espresso in genere in dBmPmin[dBm] = 10 log10 (Pmin[mW])

Primo obiettivo del progetto èassicurare che la potenza minima ricevuta sia superiore alla sensitivity(power budget)

– Vedremo che non è solo la potenza ricevuta a determinare il BER

1E 00

1E-02

1E-04

1E-06

1E-08

1E-10

1E-12

1E-14

-31 -30 -29 -28 -27 -26 -25 -24 -23

log(

BE

R)

Average Optical Power (dBm)

Soglia BER

Sen

sitiv

ity

Es. (sistema a 622 Mbit/s)Soglia BER = 10-12 ⇒Pmin = -26 dBm = 2.5 μW


Schema base di una rete PONI componenti: la fibra ottica

Struttura guidante per i segnali ottici ad altissima efficienzaCome noto, il salto d’indice di rifrazione n1-n2all’interfaccia tra core e cladding determina il confinamento dei fasci e l’instaurazione di modi di propagazioneDue tipi di fibra:

– Multimodo: diametro di core grande (50 - 62 μm)– Singolo modo: diametro di core piccolo (<10μm)

n1

n2

n1

n2

n1

n2

n1

n2

Fibra più usataper applicazioniPON: monomodoITUT G.652 STD SMF


Schema base di una rete PONAttenuazione di fibra

Nonostante le ottime qualitàtrasmissive, la fibra come ogni altro mezzo attenua i segnali ottici (riduce la potenza)Cause di attenuazione interne

– Scattering– Assorbimento del materiale– Assorbimenti dovuti ad impurità ed

imperfezioniCause di attenuazione esterne

– Piegatura (bending)– …

Attenuazione dovuta ad accoppiamento (fibra-fibra, fibra-dispositivi)

– Disallineamento– Differenze tra le caratteristiche dei

mezzi guidanti (diametro core, indice di rifrazione, modi guidanti, ecc.)

– …

Cu

Air bubble Crystal of quartz

CORE

CLADDING

Impurity

CLADDING

CORE

Molecule of glass (SiO4 ) contaminated by OH- Ion

SiSi

O

O

OO OH

O

O

Si

O

OO

SiO4


Schema base di una rete PONAttenuazione 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/kmL’attenuazione dipende dalla lunghezza d’onda di esercizio

I(0)=input energyI(z)=output energyz = length of the fiber

I(z)=I(0) e -α z

α[db]

= 10 log [ I(0)/ I(z) ]10

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.7 1.81.3 1.4 1.5 1.6λ ( m )μ

1

2

3

4

5α

[dB/Km]

Ultraviolet absorption

Total attenuation

InfraredAbsorption

Hydroxyl OH-Absorbtion

RayleighScattering


Schema base di una rete PONFinestre 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 esercizioCaratteristiche delle finestre di trasmissione– I finestra

λ centrale: 820 nmα tipico: 2.0 dB/kmsorgenti economiche

– II finestraλ centrale: 1310 nmα tipico: 0.4 dB/kmsorgenti a medio costo

– III finestraλ centrale: 1550 nmα tipico: 0.2 dB/kmsorgenti più costoseamplificatore ottico EDFA

Nelle PON si utilizzano solo la II e III finestra

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0First

Window SecondWindow

ThirdWindow

AT

TEN

UA

TIO

N (

dB

/km

)

WAVELENGTH (nm)

1310nm

1550nm

850nm

STD SMFZWP SMF

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0First

Window SecondWindow

ThirdWindow

AT

TEN

UA

TIO

N (

dB

/km

)

WAVELENGTH (nm)

1310nm

1550nm

850nm

STD SMFZWP SMF

Es. Attenuazione di 3700 m di fibraII finestra ⇒ 1.48 dB I(z) = 0.7 I(0)III finestra ⇒ 0.74 dB I(z) = 0.8 I(0)

Con le fibre ITU G652c/d SMF (zero-water peak – ZWP) sielimina il picco tra II e III finestra


Schema base di una rete PONI componenti: sorgenti

Le caratteristiche della sorgente ottica che viene modulata influenzano le prestazioni di sistemaIn passato stato ipotizzato l’impiego nelle PON di sorgenti a basso costo e larga banda (Light EmittingDiode – 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]

• 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)

Spettro LED

Vert

: -10

.0 d

B/D

iv

1550 nm1050 nmHoriz: 100 nm/Div

Spectral Width-20 dB Width < 2 nm

Vert

: -10

.0 d

B/D

iv

1550 nm1050 nmHoriz: 100 nm/Div

Spectral Width-20 dB Width < 2 nm

Spettro DFB

mirror

gain

AR coating

+

- λmirror

gain

cleave

+

- λ

FP

DFB


Schema base di una rete PONI 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


Schema base di una rete PONI 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

PINFP ONUDFBAPDOLT

DownstreamUpstream

-22 dBm0 dBmONU (FP+PIN)

OLT (DFB+APD) -30 dBm1 dBm

RX SensitivityTX Power


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:1Optical splitter ideale 1:n

– 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 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)

Schema base di una rete PONI componenti: splitter / combiner

ONU

RN

ONU

ONU

OLT ONU

RN

ONU

ONU

OLT

2 8 16 32 64

3 9 12 15 18

n

A[dB]

4

6


Schema base di una rete PONAccoppiatori 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) splitter e combiner sono molto direttiviDue 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

FTTH Handbook, Deployment & Operations Committee, FTTH Council Europe, 2009


Schema base di una rete PONAccoppiatori ottici

Esistono coupler asimmetrici (es. splitter 1:2 con30/70%) utili per ad es. monitoring

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 minimizzare l’excess loss

4-stage 8x8 3-stage 8x8

30%

70%


Schema base di una rete PONPerdite alla giunzione tra fibre

L’interconnessione di due mezzi ottici guidanti è una funzione critica perchéintroduce 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

Φ

r

z

n0

n1 n1

Longitudinal misallignment

Lateral misallignment

Angular misallignment


Schema base di una rete PONI componenti: connettori

I connettori vengono utilizzati per collegamenti non permanenti fibra-fibra o fibra-dispositivo– Bloccano meccanicamente le fibre per

realizzare allineamenti precisiCaratterizzati 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)

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)Standard più comuni: SC e LC

SC

PC

Angled polishing


Schema base di una rete PONI componenti: connettori

ST

E2000

SC

FCFerula

Chiave

Connettori piùutilizzati nelle PON



Schema base di una rete PONManutenzione dei connettori

Presenza di polvere e umidità sulle facce delle fibre può incrementare le perdite di un connettorePulizia manuale (con etanolo, alcol, aria, ecc.)

Dirty connector

Fonte: E. Moscheni, Tektronix


Schema base di una rete PONI componenti: giunti

Giunti (splice): collegamenti permanenti tra fibreGiunti 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 dBMechanical splicing– Allineamento meccanico dei due

terminali di fibra– Spesso si utilizza liquido di matching– Attenuazione tipica: AJ < 0.5 dB



Schema base di una rete PONI componenti: siti di giuntaggio e connettorizzazione

Muffole

Camerette e pozzettiDiramazioni di tubi e cavi



Schema base di una rete PONI componenti: siti di giuntaggio e connettorizzazione

Optical Distribution Frame nell’OLT

Apparati attivi nell’OLT

Accesso all’edificio Rete di edificio



Schema base di una rete PONAttenuazione per bending

Se curvata con raggi di curvatura troppo stretti (piegata) la fibra perde la capacità di guidaSi 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

Attenuazioneda bending diqualche dB


Power budgetPower 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) piùper un margine di sistema per gli “imprevisti” (es. bending)

Power budget PON tipico(vedi tabella )

– DOWNSTREAM (@ 1490nm): 23 dB– UPSTREAM (@ 1310nm): 30 dB

-22 dBm0 dBmONU (FP+PIN)

OLT (DFB+APD) -30 dBm1 dBm

RX SensitivityTX Power

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 unitàlineari) un rapporto, e quindi adimensionale


Power budgetParametri dei componenti passivi

Due ipotesi– Conventional conservativa– Low-loss 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) è corretto che il margine di sistema sia più ampio

AC

αu

AxRN

AS

αd

0.4 dB/km0.5 dB/kmFiber (1310nm)

0.4 dB0.7 dBSplit./comb. exc. loss

0.067 dB0.088 dBSplices

0.15 dB0.75 dBConnection

Low-loss Conventional

ODN Loss Model Assumptions

0.2 dB/km0.3 dB/kmFiber (1490/1550nm)


Power budgetEquazioni di progetto

Downstream

Upstream

– 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 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.

dxRNscdRXdTXd MAnAsAclPP ++⋅+⋅+⋅+⋅=− 2log3α

uxRNscuRXuTXu MAnAsAclPP ++⋅+⋅+⋅+⋅=− 2log3α


Power budgetEsempio sul caso italiano

Si supponga che ogni collegamento OLT ONU (e simmetricamente ONU OLT) attraversi c = 4 connettori e s = 4 giunti in totaleOltre 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)

In generale si nota che per le PON occorrono componenti di qualità

< 0 !2.85.8

8.8

11.8

14.8Mu

20.317.3

14.3

11.3

8.3

5.3Atot

Upstream (power budget 30 dB)Downstream (power budget 23 dB)3.7 km Low lossConventionalLow lossConventional

23.220.217.2

14.2

11.2

8.2Atot

64

32

16

8

4

2

n

24.06.021.18.917.7

21.09.018.111.914.7

18.012.015.114.911.7

15.015.012.117.98.7

12.018.09.120.95.7

9.021.06.123.92.7

MuAtotMuAtotMu


Power budgetEsempio 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

< 0!0.93.9

6.9

9.9

12.9Mu

21.618.6

15.6

12.6

9.6

6.6Atot

Upstream (power budget 30 dB)Downstream (power budget 23 dB)10 km Low lossConventionalLow lossConventional

25.122.119.1

16.1

13.1

10.1Atot

64

32

16

8

4

2

n

21.48.617.912.116.4

18.411.614.915.113.4

15.414.611.918.110.4

12.417.68.921.17.4

9.420.65.924.14.4

6.423.62.927.11.4

MuAtotMuAtotMu


Trasmissione ottica a breve distanzaVantaggi 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 non occorrono amplificatori ottici – Gli amplificatori ottici in fibra (tipicamente Erbium Doped Fiber Amplifier –

EDFA) sono fondamentali nei sistemi a lunga distanzaSvantaggi 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 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 possono introdurre fenomeni non lineari (soprattutto in sistemi WDM) che degradano ulteriormente il segnale


Trasmissione ottica a breve distanzaLa 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’impulsoLa 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 BERSi considera che l’allargamento massimo accettabile per non avere impatto apprezzabile sul BER sia 1/10 del tempo di bit T

TT + ΔTΔT ≤ T / 10

Es.: R = 622 Mbit/s ΔT ≤ 160 psR = 1 Gbit/s ΔT ≤ 100 psR = 10 Gbit/s ΔT ≤ 10 ps


Trasmissione ottica a breve distanzaFibre multimodo e dispersione modale

Le fibre multimodo sono limitate dalla dispersione modaleNel 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 multimodoL’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 banda-

distanza max (in genere intorno a 500 MHz⋅km (⇒ @ 1 Gbit/s faccio 500 m)

t1 = Input Optical pulse duration

t

t2= output Optical pulse duration

t


Trasmissione ottica a breve distanzaLa dispersione cromatica

Nelle fibre monomodo avviene il fenomeno della dispersione cromaticaDispersione di materiale

– Lo spettro del segnale ottico (emesso dal laser e poi modulato) non èperfettamente monocromatico

– Le componenti spettrali di destra (λ maggiori) viaggiano più velocementeDispersione di guida (legata alla configurazione spaziale del modo di propagazione)

CLADDING

CORE

CLADDING

CORE

Dispersione di guida

Dispersione di materiale

λ (nm)

A

A/2


Trasmissione ottica a breve distanzaLa dispersione cromatica

Dispersione di materiale e di guida si combinano nella dispersione cromaticaSi 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

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– In II finestra

(λ = 1490-1550 nm)D va circa da +10 a +17 ps / (km ⋅ nm)

– Esistono fibre con profilidi dispersione diversi(poco usate per le PON)

D [ps / (km ⋅ nm)]

+

-Waveguide Dispersion

Total Dispersion

Material Dispersion

1200 1400 1600Zero at 1310 nm

λ [nm]


Trasmissione ottica a breve distanzaEffetti della dispersione cromatica a breve distanza

Calcolo dell’allargamento dell’impulso ΔT dal coefficiente di dispersione D

– 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 nmequivalenti. Si può usare l’approssimazione (valida per intervalli di frequenza piccoli nell’intorno della portante λo – c è la velocità della luce nel vuoto):

OBlDT ⋅⋅=Δ

fc

ffcdf

fc

dfdd

fc o

o

Δ=Δ−=Δ⇒⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⇒=

2

2

λλλλ

Es.: caso a 1 Gbit/s (più critico), rete italianaR = 1 Gbit/s ⇒ BO ≅ 2 GHz@ λo = 1490 nm ⇒ BO ≅ 0.0148 nml = 3.7 km; D = 10 ps/nm⋅kmΔT = 0.055 ps << T / 10 = 100 ps

Dispersione cromatica trascurabile


Trasmissione ottica a breve distanzaEffetti della dispersione cromatica a breve distanza

La dispersione cromatica ha un effetto trascurabile 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 kmR = 10 Gbit/s ⇒ BO ≅ 20 GHz@ λo = 1490 nm ⇒ BO ≅ 0.148 nml = 10 km; D = 10 ps/nm⋅kmΔT = 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


Trasmissione bidirezionaleBidirezionalità 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


Trasmissione bidirezionaleProblema: retroriflessioni

Ogni discontinuità (es. presenza di connettori, splice, coupler, ecc.) genera un eco di retroriflessioneL’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

ConnettoreTx

Rx

Rx

Tx

ConnettoreTx

Rx

Rx

Tx


Trasmissione bidirezionaleBidirezionalità in diversità di lunghezza d’onda

Soluzione al problema delle retroriflessioni: utilizzare due differenti lunghezze d’onda nelle due direzioni di propagazione OLT ONU e ONU 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)

OLT

ONU

ONU

ONU

ODN

Passive Splitter


Schema base di una rete PONScelta delle lunghezze d’onda di trasmissione

La scelta ricade sulle tre λ 1310 nm, 1490 nm, 1550 nm, per le proprietà riportate sopra1550 nm viene adottata solo in casi particolariLa configurazione più usuale è:

III window Lower loss (∼0.3 dB/km)

Chromatic dispersion (∼10-17 ps/nm*km)

Optically amplifiable by EDFAs (1550nm)

1490nm

1550nm

II window Low loss (∼0.5 dB/km)

Zero chromatic dispersion1310nm

Upstream on 1310nmDownstream on 1490nm

Single Fiber

1310nmDual Fiber


Schema base di una rete PONScelta 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 ONUEs. standard BPON

Voice and Data Voice and Data VideoVideo

1310 nm 1490 nmDownstreamUpstream

1550 nm

Digital TVAnalog TV HD/VOD550 MHz 860 MHz42 MHz

Voice and Data Voice and Data

100 nm 20 nm 10 nm

Downstream 1490 nm

Upstream 1310 nm

Voice & Data

Optical Splitter

1x32 Or

Cascade

OpticalCoupler

Video 1550 nm

EDFA

Video (l)

Data (AAL5)

POTS (AAL1,2)

OLTONU


Trasmissione bidirezionaleOptical 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


Sommario

IntroduzionePassive Optical Network: fondamenti– L’infrastruttura d’accesso ottica– Controllo d’accesso up/downstream– Confronto di PON con altre soluzioni d’accesso otticheStandard PONProblemi apertiConclusioni


Controllo d’accessso alla rete PONMultiplazione e accesso multiplo

Le PON sono sistemi a multiplazione ed accesso multiploMultiplazione: una sorgente verso molte destinazioni

direzione da CO a ONUs (punto-multipunto)Accesso multiplo: molte sorgenti verso una destinazione

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

TDM/TDMATime Division

Multiplexing/Multiple Access

WDM/WDMAWavelength Division

Multiplexing/Multiple Access

In ottica sono possibili molte soluzioniLe principali sono:


Controllo d’accesso alla rete PONTDM/TDMA vs. WDM/WDMA

WDMAOgni 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 ONUPer ora è considerata una soluzione troppo costosa, anche se è un hot-topic della ricerca

TDMATutti gli ONU utilizzano la stessa lunghezza d’onda e richiedono i medesimi componenti otticiL’OLT richiede un unico rice/trasmettitoreCiascun ONU deve operare alla velocità di linea, anche se la banda effettiva disponibile è inferioreSoluzione a costi sostenibili


Traffico downstreamMultiplazione TDM

Tutto il traffico generato da OLT per particolari ONU è inviato in broadcast fisico a tutti gli ONUGli ONU non coinvolti nella comunicazione eliminano i datiFiltraggio sulla base del riconoscimento di un indirizzo– Necessario identificare ciascun ONU in uno spazio di indirizzi

OLT

ONU

ONU

ONU

Passive Splitter


Traffico downstreamMultiplazione 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)

OLT

A

B

C

Passive Splitter


Traffico downstreamMultiplazione 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 B C B

AB

CB

A B C B

AB

CB

OLT

A

B

C

Passive Splitter


Traffico downstreamMultiplazione 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

OLT

A

B

C

Passive Splitter

A B C B

AB

CB

A B C B

AB

CB


Traffico downstreamMultiplazione 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

OLT

Passive Splitter

7km

3km1km

A

B

C


Traffico upstreamMultiplazione 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 altriL’accesso al canale condiviso deve essere controllato per evitare collisioni al Remote Node

OLT

ONU

ONU

ONU

Passive Combiner


Traffico upstreamMultiplazione TDMA

L’accesso deve essere dinamico in modo da adattarsi all’offerta di traffico di ciascun ONUEsistono 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

OLTONU

ONU

Passive Combiner

C

A

B B

ONU

A BC

B


Traffico upstreamMultiplazione TDMA – accesso controllato

L’occupazione di un preciso timeslot da parte di un ONU può avvenire solo su permesso concesso dal OLTI 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

OLT

ONU

ONU

ONU

Passive Combiner

C

AB B

A B C B


Traffico upstreamAccesso a prenotazione: ingredienti fondamentali

Ingrediente 1: Controller centralizzato nell’OLT, semplice logica di protocollo negli ONUIngrediente 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 collisioniIngrediente 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


Traffico upstreamSegnalazione ONU 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 timeslotupstream

OLT

A

B

C

Passive Splitter

7km

1km

Upstream traffic queue



3km

A

C

C


Traffico upstreamSegnalazione ONU 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

OLT

A

B

C

Passive Splitter

7km

1km




3km

A

C

C


Traffico upstreamSegnalazione OLT ONU

L’OLT invia agli ONU i grant usando campi specifici delle trame downstreamUn grant può essere inviato ad un ONU anche se non ha timeslotallocati nella trama downstream (tutte le trame raggiungono tutti gli ONU)

OLT

A

B

C

Passive Splitter

AB

CB

2

1

A B C B

2 1

A B C B

2 1

AB

CB

2

1

7km

1km




3km

A

C

CTransmission Grant


Traffico upstreamSincronizzazione ONU

Gli ONU possono trasmettere upstream nel timeslot assegnato se sono sincronizzati ad un riferimento temporale comunePer questo è necessario conoscere la distanza tra ogni ONU e l’OLTL’OLT esegue le misure di distanza tramite il meccanismo del ranging

7km

1km

OLT

Passive Splitter

AC

A

CC

1

2

C

3km




A

B

C


Traffico upstreamRanging

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

PLOAM PLOAM PLOAM

Ranging grant Ranging cell Ranging cell

OLT

ONU 1

ONU n

Max Distance

RTmax = 2τn + TRn

TR1

τ1

τn = max{τi} TRn = max{TRi}

d1

d1

dn = 0 Ritardo di propagazione in fibraper unità di lunghezza: τPUL ≅ 5 μs/km ⇒ τ = τPUL ⋅ lEs. per 3.7 km: τ = 18.5 μs


Traffico upstreamSincronizzazione 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

OLT

ONU 1

ONU n

Max Distance

RTmax = 2τn + TRn

TR1

τ1

τn = max{τi} TRn = max{TRi}

d1

Upstream-frame starting point

Upstream timeslots

dn = 0


Traffico upstreamMultiplazione TDMA – livello fisico

Il ricevitore OLT è complicato: è di tipo burst-mode– Non riceve un flusso continuo di dati 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 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 upstreamopportuni preamboli per consentire all’OLTl’adattamento del livello fisico

OLT

A

B

C

Passive Combiner

A

BB A

7 km

3 km

1 km


Traffico upstreamMultiplazione TDMA – livello fisico

Segnale di input al ricevitore dell’OLT

Glen Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill, 2005


Traffico upstreamScheduling

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 piùcomplicato

OLT

ONU-A

ONU-B

ONU-C

ONU-D

Dynamic allocationof bandwidth

Shared bandwidth

Dedicated bandwidth

GRANTS


Traffico upstreamScheduling

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

Fixed bandwidth

Assured bandwidth

Non-assured bandwidth

Best effort bandwidth

Sempre garantito

Riservato subito dopo il fixed

Serviti usando la bandarimanente (dando priorità al non-assured)


Sicurezza e affidabilitàSicurezza: il traffico downstream

La natura broadcast del traffico downstream rende le informazioni potenzialmente accessibili a tutti gli utentiAlcuni standard prevedono meccanismi di confidentialityChurning– 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


Sicurezza e affidabilitàAffidabilità

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

PassiveSplitter

Feeder Section

Drop Section TR

TR

TR

TR


B typeProtezione 1+1 del OLT

C typeprotezione 1+1 di PON(sistema full duplex)

Sicurezza e affidabilitàProtezione dai guasti

EconomicoRidondanza della rete primaria e deitrasnciever del OLT

Più sicuroRidondanza completa

TR

TR

TR

TR

TR

OLT

ONU-1

ONU-2

ONU-n

TR

TRTR

TR

TR

TR

TRTR

OLT

ONU-1

ONU-2

ONU-n


Sicurezza e affidabilitàProtezione dai guasti

A typeD type

Partial duplex systemRidondanza del trattoprimarioApparati non ridondati

Come CLa duplicazione è parziale

TR

TR

TR

OLT

ONU-1

ONU-2

ONU-n

TR

TR

TR

TR

TR

TR

OLT

ONU-1

ONU-2

ONU-n

TR


Sommario

IntroduzionePassive Optical Network: fondamenti– L’infrastruttura d’accesso ottica– Controllo d’accesso up/downstream– Confronto di PON con altre soluzioni d’accesso otticheStandard PONProblemi apertiConclusioni


PON vs altre soluzioni FTTHSoluzione Point-to-Point (p2p)

Ogni utente è direttamente connesso alla centrale tramite un link in fibra dedicatoSoluzione tecnologica molto sempliceN linee in fibra dedicate2N transceiverEnorme spazio occupato in centrale dalle terminazioni delle fibre (ODF)Tutta la banda di una fibra è teoricamente a disposizione del singolo utente

CO

N Users

L (km)


PON vs altre soluzioni FTTHSoluzione Remote Active

Tecnologia di switching matura (es. Fast Ethernet)1 linea in fibra condivisaSwitch attivo → “power in the field”2N+2 transceiversBanda upstream e downstream condivisa (discipline rigidamente FIFO senza controllo di QoS) Frequente topologia metro-ring del ODN

CO

N subscribers

L (km)

Curb Switch


PON vs altre soluzioni FTTHSoluzione PON

Richiede tecnologia di networking ad hoc, che però ègià ben consolidata1 linea in fibra condivisaN+1 transceiversDispositivi passivi (splitters). Non ci sono elementi attivi nel signal pathBanda upstream e downstream condivisa (TDMA a prenotazione con controllo di QoS)

CO

N subscribers

L (km)

Passive Optical Splitter


Sommario



Standard PONEvoluzione 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



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



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



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


Confronto GPON – EPONStandard tecnici

TechnologyTechnology StandardStandard Downstream/Downstream/Upstream BandwidthUpstream Bandwidth # ONT served# ONT served LambdaLambda Framing/Framing/

ProtocolProtocol DistanceDistance

APON/BPON (ATM PON/ Broadband PON)

ITU-T G.983.x

155, 622 or 1244 Mbit/s down155 or 622 Mbit/s up

Limited by power budget and ONU addressing limits:16 to 32 splitter

1490 nm Down1310 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 Down1310 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 UpEthernet 10/20 km

10GEPON (10 Gigabit Ethernet PON)

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


Confronto GPON – EPONParametri fisici

Valori di power budget– G(B)PON

• Class A: 5-20dB• Class B: 10-25dB• Class C: 15-30dB

– EPON• Class PX10: 5-20dB• Class PX20: 10-24dB

Ipotesi di calcolo– Optical splitter insertion loss

• 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

Note: Class PX10 assumes the use of FP-LD max. distance 10 km due to effects of dispersion. DFB-LD is used in other Classes.

20181614121086420

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Applicable distance (km)

Num

ber o

f spl

its

EPONClass PX20

G(B)PONClass B

G(B)PON Class C

G(B)PON Class AEPON Class PX10 (note)


Confronto GPON – EPONEfficienza di trasmissione

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

EPON GPON BPON

Mb/

s

scheduling OH : framedelineationscheduling OH : PHY burst OH

scheduling OH : controlmessagespayload encapulation OH

line coding

payload


Confronto GPON – EPONConfronto degli header

Guard PreambleDelimiterGPON

EPON

min. 25.6 ns

typ. 35.2 ns

typ. 16.0ns

min. 76.8 ns

Data

Laser turn on time

AGC, CDRsetting time Data

max. 400 ns max. 400 ns

Guard PreambleDelimiterBPON

min. 4 bits

typ. 12 bits

typ. 8 bits

24 bits

Data

AGC: Automatic Gain Control; CDR: Clock and Data RecoveryLaser turn on time overlaps the laser turn off time of the previous burst

Laserturn off time

max. 400ns

Data


Confronto GPON – EPONPON 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)


Evoluzione di GPON10G 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



Evoluzione di EPON10G-EPON (802.3av draft)

Piena compatibilità con le ODN esistentiBER ≥ 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 splittingratio 1:16 e 1:32 e distanze di almeno 10 e almeno 20 kmNuova codifica di canale 64B66B per ridurre l’overheadFEC 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


WDM PON

L’aggiunta di un’ulteriore dimensione di multiplazione/accesso multiplo – la lunghezza d’onda – può espandere enormemente la capacità della PONPuò anche essere una soluzione per avere un accesso multi-operatore sulla stessa infrastrutturaProblema 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


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

OLT

AW

GONU

ONU

ONU

λ1-n

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

SP

LITOLT

ONU

ONU

ONU

WPON

λ1

λ2

λn

λ1-n

λ1-n

λ1-n

λ1-n

WRPON


Colorless ONU

L’avvento delle WDM PON potrebbe essere facilitato dai colorlessONU– 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


Sommario

IntroduzionePassive Optical Network: fondamentiStandard PONProblemi aperti– Pari condizioni per gli operatori delle reti d’accesso– Sfide e tecnologie innovative per la posa e il cablaggioConclusioni


Regolamentazione per lo sviluppodella 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 finaliRegolatori 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

Fonte: Maurizio Decina, Politecnico di Milano



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 bitstreamrispetto a quelli di unbundlingPossibili 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



Al contempo è necessario però che la regolamentazione non sia troppo punitiva nei confronti dell’incumbent, tanto da rendere non piùconveniente 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)


Cablaggio ottico d’edificio

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 condominoLe 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?

132

Adduction: raccordo

dell’edificio alla rete ottica

Fonte: Fabio Randone, 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

• FT si propone per realizzare e manuntenere il cablaggio orizzontale tramite società certificata

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 autoritàhanno giudicato che in tale segmento non vi sia spazio per più di un operatore

– Quante fibre per unità abitativa?• 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.

Box di raccordo ottico al piano

Tratta orizzontale del cablaggio ottico verso gli appartamenti al piano

Punti di terminazione ottica per utente

Adduction: raccordo dell’edificio alla rete ottica

UI UI

Tratta verticale del cablaggio ottico

PRI= Punto di Raccordo all’Immobile

O PM a piè di immobile

Fonte: Fabio Randone, Telecom Italia


Sommario

IntroduzionePassive Optical Network: fondamentiStandard PONProblemi aperti– Pari condizioni per gli operatori delle reti d’accesso– Sfide e tecnologie innovative per la posa e il cablaggioConclusioni


Ripartizione dei costi delle reti FTTx

La voce nettamente preponderante è costituita dalle opere civili connesse all’istallazioneLa riduzione di questi costi è un fattore chiave per favorire lo sviluppo

135



Riutilizzo dell’infrastruttura esistenteCavidotti della rete d’accesso

Soluzione per la rete di distribuzione primariaSe le fibre sono già istallate:

– 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 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

TUBO – Cavidotto

SOTTO-TUBO Sotto-cavidotto

100-125 mm

50/63 mm

12 m

m MICROTUBO

Microcavo(96 fibre ottiche)

TUBO – Cavidotto

SOTTO-TUBO Sotto-cavidotto

100-125 mm

50/63 mm

12 m

m MICROTUBO

Microcavo(96 fibre ottiche)

De-coring


Riutilizzo dell’infrastruttura esistenteTubazioni di altre reti non tlc

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

Gas pipes

Subway

Water


Tecnologie di posa Tecnologie di posa a basso impatto ambientale

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

30 c

m

20 c

m

10 cm

pavement

concrete

bynder

multi-cable


Tecnologie di posa Tecnologie di posa a basso impatto ambientale

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

(a)

(b)

(c)

(d)10 c

m

1.5 cm

pavement

cable

rubberbuffers


Tecnologie di posa Istallazioni aeree

Basso costo e rapidità di deployment ma……meglio una jungla sotterranea ……piuttosto che oscurare il cielo!


Infrastruttura indoor Rete di edificio

Interessanti soluzioni “spliceless” per connettere cablaggio verticale ed orizzontale


Infrastruttura indoor Home-network

Fibre multimodo in plastica ultra resistenti


Sommario



Conclusioni

La tecnologia per la banda ultralarga e la NGAN è disponibile e matura in tutti gli aspetti, dalla rete al cablaggioLe PON offrono una soluzione estremamente competitivaIl successo finale dipenderà molto da vari fattori tecno-economici e normativi, tutt’oggi incertiChallenge entusiasmante!!


Bibliografia (libri)

Glen Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill, 2005FTTH Handbook, Deployment & Operations Committee, FTTH Council Europe, 2009The book on FTTH, Steve Grady ed., ADC Telecommunications, Inc.,2005.U. Killat (editor), Access to B-ISDN via PONs, Wiley-Teubner, 1996T. Kwok, The new paradigm for Internet, intranet and residential broadband services and applications, Prentice Hall, 1998T. E. Stern, K. Bala, Multiwavelength optical networks, Addison-Wesley, 1999Angelo Luvison, Federico Tosco, La rete di distribuzione per telecomunicazioni, Libri CSELT, 2003 Torino (Italy)


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 residentialuser-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 RegulatoryGovernance in Europe: One Size Does not Fit All.” 18th ITS Regional Conference, Sept 2007.“Developments in Fibre Technologies and Investment,” Organisation for Economic Co-operationand 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 accessnetwork 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 supportincremental upgrade in a wdm-pon,” Optical Fiber Communication and the National Fiber OpticEngineers Conference, 2007. OFC/NFOEC 2007. Conference on, pp. 1–3, March 2007.


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 FiberCommunication 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 FiberCommunication 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 economicdevelopment 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 TechnologyJournal, 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.

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Introduzione alle Passive Optical Networks - Intranet...

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