La Comunicazione N.R.&N.
Silvia Di Bartolo ,
Vincenzo Attanasio ,
Stefano Penna
Donato Del Buono
Istituto Superiore delle
Comunicazioni e delle
Tecnologie dell'Informazione
(ISCOM)
Applicazione dell’ibrido fibra-FSO per
collegamenti bidirezionali passivi su
reti d’accesso ad alta velocità
Application of the hybrid fiber-FSO systems for passive duplex
links in high speed access networks
Sommario: negli ultimi decenni, il rapido aumento della
richiesta di banda dovuta sia ai servizi di nuova generazione che
alle nuove tecnologie sia all’aumento del traffico dati, ha reso
indispensabile l’ammodernamento delle infrastrutture di
telecomunicazione. Nello scenario della rete d’accesso, la
tecnologia FTTx risponde sia alla necessità di banda ultralarga
che a quella di avere una rete scalabile e flessibile, come richiesto
per le reti di nuova generazione. In particolar modo, la tecnologia
di tipo PON, Passive Optical Network, fornisce una soluzione a
basso costo ed efficiente da un punto di vista energetico per
operare come unica infrastruttura per diversi tipi di servizi o per
differenti operatori attraverso una semplice architettura puntomultipunto (P2MP). Tanti sono gli studi riportati in letteratura
sull’analisi della fattibilità e dei vantaggi apportati dal ibrido
fibra-radio che unisce il meglio della tecnologia PON con il meglio
della tecnologia wireless come WiFi o LTE. In questo lavoro viene
analizzata la possibilità di aumentare la copertura della rete in
fibra, li dove sia un problema la posa della fibra stessa, attraverso
collegamenti in tecnologia free space optics.
Abstract: In the last decade, the rapid increasing of broadband
request by residential and business customers due to the new services
and technologies on one hand and the growth of Internet traffic on the
other hand made the improvement of the telecommunication
infrastructure necessary. In the access network scenario, the FTTx
technology complies with the need for high scalability and flexibility
required in new generation networks. In particular, Passive Optical
Networks (PONs) provide a low cost and energy efficient solution to
operate as a single infrastructure of different telecommunication
services or of different operators through a very simple point-tomultipoint (P2MP) architecture. Many studies have been reported in
literature focused on the feasibility and benefits analysis of the hybrid
fiber-radio that combines the best of PON technology with the best of
wireless technology, such as WiFi or LTE. In this paper we analyze the
possibility to increase the coverage of the fiber network through
117
S. Di Bartolo , V. Attanasio , S. Penna, D. Del Buono
connections in free space optical technology, where in the fiber
deployment is an issue.
Introduzione
Negli ultimi decenni, il rapido aumento della richiesta di
banda da parte sia degli utenti residenziali che business, dovuta
tanto ai nuovi servizi e tecnologie quanto all’aumento del traffico
dati, ha reso indispensabile l’ammodernamento delle
infrastrutture di telecomunicazione.
Nello scenario della rete d’accesso, le tecnologie ottiche sono
ottimi candidati per il rinnovamento delle infrastrutture di rete.
Fiber To The x (FTTx), dove la x indica C=Curb, H=Home, B=
Building, etc, risponde sia alla necessità di banda ultralarga che
alla necessità di avere una rete scalabile e flessibile, come
richiesto per le reti di nuova generazione. In particolar modo, la
tecnologia di tipo PON, Passive Optical Network, fornisce una
soluzione a basso costo ed efficiente da un punto di vista
energetico [1] per operare come unica infrastruttura per diversi
tipi di servizi o per differenti operatori attraverso una semplice
architettura punto-multipunto (P2MP).
Tale architettura mette in contatto la centrale operativa (CO)
con i terminali d’utente attraverso un link passivo in fibra ottica
singolo modo. Nella centrale, l’apparato di rete OLT (Optical Line
Terminal), connette la rete d’accesso PON alla rete
metropolitana; lato utente la conversione elettro-ottica è
realizzata dall’Optical Network Unit (ONU). Il link in fibra ottica e
un nodo passivo, che costituiscono la rete di distribuzione,
trasportano sia il segnale di downstream generato dalla centrale
che di upstream generato dalle varie ONU [2]. Il mezzo può
essere condiviso attraverso diverse tecniche secondo cui diverse
configurazioni di PON sono possibili. Nelle reti tradizionali Time
Division Multiplexing PON (TDM PON), gli utenti comunicano con
la centrale utilizzando un’unica lunghezza d’onda, fissata a
1490nm per il segnale di downstream e 1310nm per quello di
upstream. Le ONU condividono tali lunghezze d’onda con una
tecnica a divisione di tempo TDM/TDMA per downlink e uplink
rispettivamente.
Le TDM PONs hanno dei costi per utente molto bassi se
comparati con le altre reti di accesso di tipo PON. Il nodo remoto
è costituito da un semplice accoppiatore passivo che divide la
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La Comunicazione N.R.& N.
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potenza ottica tra le varie ONU introducendo elevate
attenuazioni rispetto alla potenza di ingresso al nodo passivo.
L’OLT assegna un intervallo temporale a ciascuna ONU per la
trasmissione del segnale di upstream [3]. Per aumentare la banda
trasmissiva di ogni utente, è possibile usare la tecnica di
Wavelength Division Multiplexing (WDM), che permette di
inviare contemporaneamente diverse lunghezze d’onda su
un’unica fibra singolo modo ed associare ogni lambda ad un
singolo utente. Nelle WDM PON il nodo remoto è costituito da un
accoppiatore di lunghezze d’onda passivo, come per esempio un
AWG (Arrayed Waveguide Grating), che multipla e demultipla le
varie lunghezze d’onda verso e da le ONU assegnate.
In questo caso il nodo remoto presenta delle perdite in
potenza molto più basse rispetto ad un semplice accoppiatore
passivo. Ogni ONU può trasmettere sfruttando pienamente la
banda trasmissiva di uplink e senza interruzioni temporali [4].
Altre possibili progettazioni per le PON si basano su tecniche di
multiplazione SCM, Sub-Carrier Multiplexing, su OFDM,
Orthogonal Frequency Division Multiplexing, o CDM, Code
Division Multiplexing che hanno un’alta efficienza di banda ma
con costi ridotti rispetto alle WDM PON.
Nelle SCM PON [5], ogni ONU ha un sottoportante elettrico
dedicato per comunicare con la OLT e non è necessario alcun tipo
di sincronismo. Per evitare interferenze sul segnale di upstream,
la lunghezza d’onda usata da ogni ONU è leggermente
desintonizzata rispetto alle altre.
Nelle CDM PON [6], ogni ONU è associata ad un codice
specifico e può trasmettere e ricevere in ogni momento
sfruttando la stessa architettura di rete che si utilizza nelle TDM
PON. Nelle OFDM PON [7], il segnale OFDM supporta alti bit rate,
per esempio 100Gbps, a discapito di una maggiore complessità e
un maggior costo del dispositivo ricetrasmittente rispetto alle
TDM PON.
Un altro approccio di progettazione delle PON importante è
quello dell’integrazione di diversi tipi di PON, come quello
TDM/WDM PON, che permette di raggiungere migliori
performance in termini di banda per utente [8][9]. Sistemi fibracoassiale (HFC) sono stati proposti per trasportare altri servizi
come la TV via cavo (CATV) su architetture di tipo PON. Questi
sistemi permettono di realizzare convergenza dei servizi
riducendo i costi di gestione della rete sia di semplificare la rete
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S. Di Bartolo , V. Attanasio , S. Penna, D. Del Buono
coassiale con una riduzione del numero di amplificatori necessari
lungo la tratta [10]. Sono stati anche realizzati [26] esperimenti
sul trasporto del segnale TV di tipo DVB-T in fibra ottica,
dimostrando la flessibilità della rete al trasporto di servizi di
natura differente dal traffico internet.
I concetto dei servizi di nuova generazione è ben racchiuso
nel termine “internet delle cose”. In questa visione ubiquita
futura, una importante caratteristica della rete d’accesso è la
capacità di fornire connettività di tipo wireless. A questo
riguardo, i sistemi ibridi fibra aria sono ottimi per unire le
peculiarità della tecnologia PON, come l’alta capacità, con il
meglio della tecnologia wireless, cioè l’ubiquità, dando vita ad un
ottimo candidato per le reti d’accesso di nuova generazione.
L’ibrido fibra-radio
In questo scenario dell’ibrido tra fibra e tecnologia d’accesso
radio molte soluzioni sono state studiate e presentate da diversi
gruppi di ricerca. L’architettura comunemente riportata si basa su
tecnologia PON, con ONUs equipaggiate con interfaccia wireless
per operare la conversione ottica-radioelettrica, e viceversa, e
combinare le funzioni classiche delle ONU con le funzionalità del
front-end wireless.
Il front end wireless può essere incorporato dalla ONU
oppure quest’ultima può essere connessa via cavo ad un access
point o ad una base station a seconda della tecnologia wireless
utilizzata.
Figura 1. Configurazione
tipica di un sistema wireless
ibrido fibra-radio
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Integrated photonic technologies: devices and applications
Diversi acronimi vengono usati per identificare le reti ibride,
come: HOWAN, Hybrid Optical-Wireless Access Network, ii)
WOBAN, Wireless-Optical Access Network, iii) FiWi.
Per tutti questi approcci la rete in fibra è intesa essere una
rete di tipo PON. Le soluzioni wireless esplorate sono di tipo LTE
(Long Term Evolution), WiMAX (Worldwide Interoperability for
Microwave Access) o WiFi.
WiMax (IEEE 802.16) è nato per accesso alla rete sia fisso che
mobile, fornendo un data rate fino a 75Mbps su collegamenti di
circa 5km [11]. Lo standard del WiMAX prevede
l’implementazione di due tipi diversi di architettura, che sono
una di tipo punto-multipunto (P2MP) e l’altra di tipo Mesh.
In quella di tipo P2MP, ogni stazione radio base (BS, base
station) gestisce un gruppo di utilizzatori (SS, subscriber station) e
ogni comunicazione è gestita dalla BS; nella topologia di tipo
Mesh, ogni SS può comunicare direttamente con altri SS senza
essere gestiti dalla BS [12].
LTE è l’ultimo standard commerciale per le comunicazioni
mobili che offre collegamenti a 100Mbps su più di 5km, con
capacità di cella fino a 200 utenti [o].
Lo standard WiFi (IEEE 802.11) è il più maturo dei tre, ha un
costo molto basso e un dispiegamento molto semplice. Offre
velocità di connessione condivisa compresa in 11-54Mbps in
funzione dello standard preso in riferimento (IEEE 802.11 a/b/g).
L’ultima versione, IEEE 802.11n, supporta fino a 600Mbps con
copertura tra i 100-200m.
Inoltre il WiFi opera su frequenze non licenziate e può
lavorare sia in modalità infrastructure che in modalità ad hoc.
Nella prima modalità, la rete è gestita da un access point (AP)
mentre nella modalità ad hoc, i terminali d’utente si
autogestiscono [12].
Le reti wireless di tipo mesh (WMN, wireless mesh network)
sono idonee per estendere la copertura delle reti WiFi
domestiche, permettendo un miglioramento del rapporto costoefficienza. Tipicamente una WMN è costituita da più gateway per
l’accesso ad internet, un gruppo di router wireless e un gruppo di
mesh client [13].
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A prescindere dalla particolare tecnologia scelta, I sistemi
ibridi fibra-radio sono perfetti per combinare l’alta capacità di
trasporto della fibra e la possibilità di fornire un accesso ubiquito
delle reti wireless.
In [14], è stato proposto un backhauling ottico, costituito da
una WDM/TDM PON, unito ad un front-end wireless di tipo WiFi
in architettura WMN. In particolare si è analizzata la scalabilità
della PON in termini del numero AP supportati e la copertura
offerta.
Altri lavori si basano sullo studio della collocazione ottimale
delle ONU, sugli algoritmi di routing o sulla riconfigurazione delle
PON in funzione della specifica tecnologia di accesso di tipo
wireless presa in considerazione [15][16]. In [17], gli autori
presentano un tool per la pianificazione della rete per decidere in
modo efficiente la posizione del front-end wireless della rete
d’accesso ibrida, prendendo in considerazione anche tecnologie
wireless miste come per esempio PON-LTE-WiFi.
L’ibrido fibra-FSO
Un altro fattore chiave delle reti ibride è la minore difficoltà
della messa in opera rispetto ad una soluzione completamente
cablata, da cui derivano anche minori costi di dispiegamento. Le
tecnologie wireless sono indicate per la copertura di zone difficili
da cablare, per aree poco vantaggiose da un punto di vista
economico se raggiunte con cavo o per quelle situazioni in cui è
fortemente sconsigliato lo scavo per posa di cavi come per
esempio nelle aree di interesse storico.
A prescindere dalla particolare tecnologia wireless
considerata, l’interfacciamento della rete radio con la fibra ottica
prevede una conversione ottica elettrica, che rappresenta il collo
di bottiglia della rete rispetto alle velocità raggiungibili sulla rete
di distribuzione ottica.
Un modo per ridurre l’area da coprire in modalità radio e
mantenere il vantaggio di semplice dispiegamento della rete,
anche dove il cablaggio è di fatto un limite, è quello di integrare
fibra e wireless attraverso collegamenti wireless di tipo ottico,
detti FSO (Free Space Optics). I collegamenti FSO sono link su
lunghezze d’onda ottiche che viaggiano in spazio libero e ad alta
velocità. Un sistema FSO tradizionale è di tipo attivo, ossia
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composto da front-end alimentati. Questi sistemi sono composti
da ricevitori e trasmettitori ottici che permettono di far
propagare i segnali luminosi provenienti da una fibra ottica su
canale atmosferico e viceversa per realizzare canali trasmissivi
bidirezionali.
Tipicamente, il trasmettitore ottico è costituto da un diodo
laser (LD), mentre il ricevitore è costituito da un fotodiodo (PD).
Le conversioni O-E-O all’interfaccia fibra-FSO permettono di
limitare il power budget sul canale FSO, ma rendono anche il
sistema più complesso e costoso.
Gli attuali sistemi commerciali utilizzano tale configurazione
ed arrivano a bit rate massimi di 10Gbps.
Tra i vantaggi dei sistemi FSO rispetto a quelli a RF ci sono le
ridotte dimensioni del front end e i minori consumi energetici. Le
frequenze ottiche su cui lavorano non sono licenziate; i link sono
immuni da interferenze elettromagnetiche e sono sicuri da un
punto di vista informatico grazie alla elevata direttività del fascio
laser. Tra gli svantaggi invece la necessità di linea di vista LOS tra
trasmettitore e ricevitore e la dipendenza dalle condizioni
climatiche.
Una soluzione alternativa e a basso costo si basa sull’utilizzo
di testine FSO passive, costituite da un sistema di lenti. I
collegamenti ottici in canale atmosferico che utilizzano tali
interfacce fibra-aria sono caratterizzati dalla assenza di elementi
attivi, come LD e PD e quindi non è necessaria nessuna
conversione O-E-O del flusso informativo.
In questo articolo il termine “attivo” e “passivo” è legato
esclusivamente al trattamento del segnale informativo.
Infatti, il sistema passivo potrebbe necessitare di
alimentazione per alimentare il sistema di allineamento
automatico che permette di compensare disallineamenti
meccanici e termici [18] tra ricevitore e trasmettitore.
123
S. Di Bartolo , V. Attanasio , S. Penna, D. Del Buono
a)
b)
Perciò, in un sistema ibrido fibra-FSO di tipo passivo il
segnale viene generato da un diodo laser posto in una sorgente
remota. Tale segnale si propaga in fibra ottica fino a giungere al
terminale FSO passivo dove, attraverso un sistema di lenti
collimatrici, si propaga in atmosfera fino a raggiungere il
terminale FSO di ricezione. Un sistema di lenti permette di
focalizzare e riaccoppiare il segnale ottico in fibra per raggiungere
il terminale di ricezione remoto.
L’accoppiamento passivo fibra-FSO rende il sistema semplice
ed economico rispetto ai sistemi attivi tradizionali e soprattutto
permette di trattare in modo trasparente il segnale ottico a
prescindere dal formato di modulazione e dalla velocità di linea
utilizzata nella rete in fibra ottica.
Questa caratteristica di trasparenza del FSO è molto
importante perché permette di ottenere un sistema di
trasmissione fibra-aria trasparente sull’intero collegamento
ottico[19]. La configurazione passiva dei link FSO impone delle
restrizioni sul power budget del link, che devono essere
propriamente dimensionate e eventualmente compensate per
avere una percentuale di disponibilità del servizio il più alta
possibile[20].
La soluzione passiva per i sistemi FSO è efficiente dal punto di
visto energetico poiché non necessita di alimentazione per il
funzionamento dei relativi front-end. Inoltre, nel contesto PON lo
scenario passivo della rete di distribuzione viene preservato. In
letteratura sono presenti diversi lavori che illustrano la fattibilità
dell’ibrido fibra-FSO nel contesto PON.
In [21], un esempio di PON ibrida ad alta capacità è stato
sperimentalmente dimostrato. Per validare il concetto di utilizzo
della tecnologia FSO come parte del sistema PON, un link passivo
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Figura 2. Sistema FSO
tradizionale (a) e sistema
passivo
di
nuova
generazione (b) [20]
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di tipo FSO lungo 6m in scenario indoor è stato inserito nella rete
di distribuzione passiva. Lo studio riguarda l’analisi di una rete
PON ibrida flessibile e ad alta capacità in cui coesistono sistemi di
trasmissione tradizionali e segnali video, e la valutazione di
diversi formati di modulazione.
Nel lavoro [22], un link FSO è stato inserito in un sistema PON
attraverso una sperimentazione di laboratorio ottenuta
utilizzando degli apparati di rete commerciali; il link FSO copre
una distanza di 2,3m e si dimostra che il sistema FSO non riduce
la qualità del segnale GPON.
Le perdite inserite dal link FSO possono essere compensate
attraverso l’uso di amplificatori ottici e in caso di propagazione in
aria pulita non vi sono altre degradazioni aggiunte dal link
atmosferico. In [23], viene sperimentalmente realizzato un link
FSO passivo su 56m in ambiente esterno.
Set up sperimentale di un link ibrido fibra-FSO in contesto
PON
Nei laboratori dell’Istituto Superiore delle Comunicazioni e
delle Tecnologie dell’Informazione, ISCTI sono in atto delle
sperimentazioni per lo studio di sistemi FSO passivi in contesto di
rete d’accesso passiva con l’obiettivo di coprire la tratta dal
cabinet al building in tecnologia ottica.
Gli esperimenti sono in fase di studio preliminare e sono
incentrati sulla stabilizzazione del link ottico al fine di poterne
analizzare il comportamento in diverse condizioni climatiche.
Obiettivo finale della ricerca è lo studio dell’affidabilità del
collegamento rispetto ai requisiti impostati dalla rete d’accesso
stessa.
Di seguito sono illustrate le varie fasi sperimentali che hanno
portato alla realizzazione del sistema ibrido fibra-FSO sotto
studio.
La prima fase ha riguardato la dimostrazione del concetto
attraverso prove condotte in laboratorio in configurazione back
to back. In tale fase si è investigata la fattibilità di utilizzo del
sistema FSO per estendere la copertura di un ramo passivo di una
rete di distribuzione PON. Per preservare la natura passiva della
PON il link FSO è stato realizzato passivo e bidirezionale.
125
S. Di Bartolo , V. Attanasio , S. Penna, D. Del Buono
Il primo passo è stato quello di cercare le lenti opportune
per permettere il passaggio del segnale ottico da fibra a canale
atmosferico.
In riferimento alla figura 3, il segnale generato dall’apparato
di rete di centrale (OLT) a 1490nm propaga in fibra singolo modo
fino al punto A nel quale, tramite un sistema di lenti che
collimano il fascio riducendo la naturale divergenza in uscita dalla
fibra ottica, è lasciato propagare in spazio libero. Dopo essersi
propagato per circa 80m il link FSO viene focalizzato e accoppiato
di nuovo in fibra nel punto B (Fig.3) in modo da raggiungere il
ricevitore ottico posto nella ONU.
Lo stesso sistema di lenti permette al segnale in upstream
generato dalla ONU di seguire lo stesso percorso e giungere
all’apparato di centrale rendendo il sistema bidirezionale. Il
sistema FSO così realizzato, oltre ad essere energy free è
economico poiché composto da sole lenti.
La configurazione back to back (Fig.4) è stata montata su
banco ottico, utilizzando degli specchi per porre in linea di vista
trasmettitore e ricevitore.
126
Figura 3. Link FSO tra
apparati di una rete PON
Figura 4. Set up
sperimentale per misure
back to back
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Il comportamento della rete PON è stato caratterizzato in
termini di rate dati ricevuto rispetto la potenza ottica ricevuta. Il
comportamento del sistema PON è stato analizzato sia in
presenza che assenza del FSO tra OLT e ONU. Queste misure
sono state condotte sia al ricevitore della ONU che della OLT per
analizzare la comunicazione full duplex. Un analizzatore di
traffico (Data Analyzer Fig.4) è stato usato per generare un flusso
binario pseudo casuale a 100Mbps. Tale flusso viene inviato alla
porta Ethernet dell’OLT che converte in flusso binario da elettrico
a ottico raggiungendo ‘il ricevitore della ONU attraverso la rete di
distribuzione.
Nella ONU il segnale di downstream viene riportato nel
dominio elettrico ed analizzato dal Data Analyzer, che confronta
bit a bit la sequenza originaria e quella ricevuta. Lo stesso
processo è stato implementato sul segnale di upstream. La
potenza di ingresso all’ONU è stata modificata grazie all’utilizzo di
un attenuatore variabile (VOA, Variable Optical Attenuator) ed
impostata leggendone il valore tramite analizzatore di spettro
ottico (OSA, Optical Spectrum Analyzer).
Considerando un link tra OLT e ONU interamente in fibra
ottica, è possibile osservare un comportamento della rete a
soglia. In un intervallo specifico di potenza ricevuta, il rate di
ricezione della ONU rimane costante al 100%. Al di fuori dello
specifico intervallo di potenza la connessione tra trasmettitore e
ricevitore decade portando il rate di ricezione a zero.
Dal lato del ricevitore della OLT si verifica un comportamento
simile. In questo caso il rate ricevuto, prima di crollare a zero,
degrada al 90%. Questa differenza (vedi Fig.5 a e b) dipende
probabilmente dalla qualità dei trasmettitori presenti nella OLT e
nell’ONU. Nel primo caso si tratta di un laser singolo modo stabile
in potenza, mentre nel caso dell’ONU si tratta di laser
multimodale non stabilizzato che fluttua nel tempo sia
spettralmente che in potenza.
127
S. Di Bartolo , V. Attanasio , S. Penna, D. Del Buono
Le misure del rate ricevuto al variare della potenza di
ingresso sono state realizzate comparando l’effetto della
connessione tra ONU ed OLT realizzata sia in fibra (Fig.5,a-b) che
in fibra+FSO (Fig.5,c-d). Come si può osservare dai grafici riportati
in Fig. 5, il link FSO è totalmente trasparente per la rete poiché si
ottengono gli stessi risultati ottenuti con link interamente in
fibra. L’unica degradazione aggiunta dal link FSO è una
attenuazione di 4dB che in laboratorio non permette di avere
potenze di ricezione maggiore di -5dBm.
Inoltre, con lo scopo di dimostrare l’uso potenziale della
tecnologia FSO per fornire accesso multiplo a servizi differenti
sulla stessa infrastruttura di rete, un segnale DVB-T modulato su
portante ottica a 1558nm con tecnica Radio over Fiber è stato
accoppiato in fibra insieme al segnale di centrale 1490nm ed
inviato ad una ONU equipaggiata con interfaccia RF (radio
frequency) per la trasmissione del segnale televisivo su cavo
coassiale.
Il segnale RF è stato captato da un’antenna posta sul tetto
dell’edificio del MISE, sede dei laboratori in cui sono state
effettuate le misure descritte nel presente lavoro, ed è stato
convertito nel dominio ottico grazie ad un modulatore elettroottico di tipo Mach Zehnder. In ricezione la ONU provvede a
separare tramite un filtro ottico la lunghezza d’onda a 1558nm e
128
Figura 5. Bit rate ricevuto da
OLT (a,c) e ONU (b,d) in fiber
link (a,b) or in fiber+FSO link
(c,d)
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a riconvertire nel dominio elettrico tramite un fotodiodo il
segnale RF il quale è trasmesso su cavo coassiale ad una TV
commerciale munita di decoder per demodulare e decodificare il
segnale DVB-T ricevuto. Il numero di canali che il decoder è in
grado di ricevere è stato misurato tramite scansioni paragonando
il link in fibra a quello ibrido fibra-FSO.
Dopo aver dimostrato la fattibilità del collegamento OLTONU di una rete passiva in tecnologia ibrida fibra-FSO in
ambiente indoor, si è montato il sistema in modo da avere un link
FSO in outdoor.
La struttura dell’edificio a “U” (Fig. 6) ha permesso di avere a
disposizione due stanze in visibilità reciproca in cui installare il
sistema FSO, mostrato in Fig. 7. In una sono stati posti
trasmettitore e ricevitore con le lenti di accoppiamento fibra-aria
mentre nell'altra è stato posizionato uno specchio per riflettere
in segnale e mettere in linea di vista trasmettitore e ricevitore.
Edificio del MISE
dall'alto
Stanza 1 al piano
terra dell'ala B
dell'edificio (B0028)
Stanza 2 al piano
terra dell'ala A
dell'edificio (A0043)
Figura 6. Edificio MISE-ISCTI
in cui sono in atto le
sperimentazioni descritte nel
presente lavoro
129
S. Di Bartolo , V. Attanasio , S. Penna, D. Del Buono
Sistema di Lenti
OLT
Specchi
GRIN
Il link è bidirezionale
Specchio
a 40m
Sistema di Lenti
ONU
GRIN
Specchi
Il sistema realizzato subisce un’attenuazione complessiva di
13dB di cui 6 dovuti all’attenuazione dei vetri delle finestre delle
stanze attraverso cui passa il segnale ottico e i restanti 7 dB
dovuti alla somma dei contributi di attenuazione degli specchi e
delle lenti.
In conclusione, si è dimostrato che l’ibrido fibra-FSO è utile
per coprire il tratto tra cabinet e building [24], mantenendo le
velocità di accesso della rete in fibra senza necessità di scavi.
Il sistema è attualmente sotto osservazione per
caratterizzare il comportamento della rete al variare delle
condizioni climatiche che possono degradare il canale
atmosferico. Infatti, monitorando la potenza ricevuta in
prossimità della ONU si sono osservati un andamento ciclico
legato alla variazione periodica di temperatura giorno/notte e
una degradazione più accentuata in concomitanza di intense
precipitazioni.
La caratterizzazione di questi aspetti, ancora allo stadio
iniziale, richiederà notevoli sforzi e risulta di fondamentale
importanza per garantire l’affidabilità del sistema. Per
contrastare le instabilità del link FSO legate alle condizioni
climatiche e quindi garantire la disponibilità del servizio all’utente
finale può essere utilizzato il link in rame attualmente presente
tra cabinet e building, considerando che se pur a più basso bit
rate il link può essere mantenuto attivo in qualsiasi condizione
climatica [25].
130
Figura 7 Sistema FSO
passivo
realizzato
nei
laboratori di Comunicazioni
Ottiche dell’ISCTI
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Integrated photonic technologies: devices and applications
Reference
[1] Fiorani, M.; Tombaz, S.; Monti, P.; Casoni, M.; Wosinska, L.,
"Green backhauling for rural areas," Optical Network Design and
Modeling, 2014 International Conference on , vol., no., pp.114,119, 1922 May 2014
[2] Koonen, T., "Fiber to the Home/Fiber to the Premises: What,
Where, and When?," Proceedings of the IEEE , vol.94, no.5, pp.911,934,
May 2006
[3] Chang-Hee Lee; Sorin, W.V.; Byoung Yoon Kim, "Fiber to the
Home Using a PON Infrastructure," Lightwave Technology, Journal of ,
vol.24, no.12, pp.4568,4583, Dec. 2006
[4] A. Banerjee et al., Wavelength-division multiplexed passive
optical network (WDM-PON) echnologies for broadband access: A
review, J. Opt. Netw., vol. 4, pp. 737758, 2005
[5] Hui, Rongqing; Benyuan Zhu; Renxing Huang; Allen, C.T.;
Demarest, K.; Richards, D., "Subcarrier multiplexing for high-speed
optical transmission," Lightwave Technology, Journal of , vol.20, no.3
[6] Kamijoh, T.; Kashima, M.; Tamai, H.; Sarashina, M.; Iwamura,
H.; Gupta, G.C., "CDM-technologies for next generation optical access
networks," Optical Fiber Communication - incudes post deadline papers,
2009. OFC 2009. Conference on , vol., no., pp.1,3, 22-26 March 2009
[7] Silva, J.A.L.; Coura, D.J.C.; Barbero, A.P.L.; Segatto, M.E.V., "A
passive optical network based on centralized wavelength and
bandwidth scalable OFDM signals," Transparent Optical Networks,
2009
[8] Sarashina, M.; Tamai, H.; Furusawa, S.; Suzuki, A.; Kashima, M.;
Mukojima, T.; Kaneko, S.; Yoshida, T.; Kimura, S.; Yoshimoto, N., "First
demonstration of a wavelength swept discovery process for λ-tunable
WDM/TDM-PON system," Optical Fiber Communications Conference
and Exhibition (OFC), 2014 , vol., no., pp.1,3, 9-13 March 2014
[9] Zhaowen Xu; Xiaofei Cheng; Yong-Kee Yeo; Luying Zhou; Xu
Shao; Hongguang Zhang, "1.24-Tb/s hybrid SCM/WDM passive optical
networks," Optical Communication (ECOC), 2011 37th European
[10] G. Donaldson and D. Jones, BCable television broadband
network architectures, IEEE Commun. Mag., vol. 39, no. 6, pp. 122–126,
Jun. 2001.
[11] Mohammad, A.B.; Shaddad, R.Q.; Al-Gailani, S.A., "Enabling
optical and wireless broadband access technologies," Photonics (ICP),
2012 IEEE 3rd International Conference on , vol., no., pp.135,139, 1-3
[12] Shaddad, R.Q.; bin Mohammad, A.B., "Performance
assessment of a 2 Gb/s hybrid optical-wireless access network,"
Photonics (ICP), 2010 International Conference on , vol., no., pp.1,5, 5-7
July 2010
[13] Zeyu Zheng; Jianping Wang; Jin Wang, "A Study of Network
Throughput Gain in Optical-Wireless (FiWi) Networks Subject to Peerto-Peer Communications," Communications, 2009. ICC '09. IEEE
131
S. Di Bartolo , V. Attanasio , S. Penna, D. Del Buono
[14] Shaddad, R.Q.; Mohammad, A.B.; Al-Gailani, S.A.; Aon, E.F.,
"Scalability analysis of hybrid optical wireless access network
(HOWAN)," Signal Processing & its Applications (CSPA), 2014 IEEE 10th
International Colloquium on , vol., no., pp.48,52, 7-9 March 2014
[15] Wei-Tao Shaw, ”Hybrid Architecture and Integrated Routing in
a Scalable Optical Wireless Access Network”, JOURNAL OF LIGHTWAVE
TECHNOLOGY, Vol. 25, No. 11, Nov. 2007, pp.3443-3451.
[16] P. Gupta, P. R. Kumar, ”The capacity of wireless networks”,
IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 46(2000), pp. 388-404.
[17] Chowdhury, R.; Shami, A.; Almustafa, K., "Designing of nextgeneration hybrid optical-wireless access network," Innovations for
Community Services (I4CS), 2014 14th International Conference on ,
vol., no., pp. 9, 15, 4-6 June 2014
[18] Gupta, A.; Anand, P.; Khajuria, R.; Bhagat, S.; and Kumar Jha,
R.. "A Survey of Free Space Optical Communication Network Channel
over Optical Fiber Cable Communication", International Journal of
Computer Applications 105, (10), 32-36, November 2014
[19] Matsumoto, M. ; Kazaura, K. ; Dat, Pham ; Shah, Alam ; Omae,
K. ; Suzuki, T. ; Wakamori, K. ; Higashino, T. ;Tsukamoto, K. ; Komaki, S.,
"Innovations in NGN: Future Network and Services", 2008. K-INGN
2008. First ITU-T Kaleidoscope Academic Conference, 221-228, May
2008
[20] Matsumoto, M., "Next Generation Free-space Optical System
by System Design Optimization and Performance Enhancement", PIERS
Proceedings, Malaysia, 2012
[21] Teixeira, A.; Parca, G.; Shahpari, A.; Reis, J.D.; Ferreira, R.;
Abdalla, A.; Lima, M.; Carrozzo, V.; Tosi Beleffi, G., "Ultra high capacity
PON systems," Transparent Optical Networks (ICTON), 2013 15th
International Conference on , vol., no., pp.1,4, 23-27 June 2013
[22] Parca, G.; Tavares, A.; Shahpari, A.; Teixeira, A.; Carrozzo, V.;
Tosi Beleffi, G., "FSO for broadband multi service delivery in futu1re
networks," Optical Wireless Communications (IWOW), 2013 2nd
International Workshop on , vol., no., pp.67,70, 21-21 Oct. 2013
[23] Teixeira, A.; Shahpari, A.; Reis, J.D.; Ferreira, R., "Flexible
access networks," Transparent Optical Networks (ICTON), 2014 16th
International Conference on , vol., no., pp.1,3, 6-10 July 2014
[24] Di Bartolo, S.; Pizzoleo, A.; Penna, S.; Beleffi, G.M.T.; Matera,
F.; Pompei, S., "Experimental demonstration of a GPON free space
optical link for full duplex communications," Photonics Technologies,
2014 Fotonica AEIT Italian Conference on, vol., no., pp.1,3, 12-14 May
2014
[25] Bloom, S.; Hartley, S.," The last-mile solution: hybrid FSO
radio", AirFiber Inc., White Paper, available at:
http://morse.uml.edu/Activities.d/Summer-05/PAPERS/KC/AirFiberHFR.pdf
[26] Tripaldi, G.; Di Bartolo, S.; Betti, S.; Pizzoleo, A.; Matera, F.,
"Experimental investigation on DVB-T over CATV-RoF constraints in long
haul Passive Optical Networks," Transparent Optical Networks (ICTON),
2014 16th International Conference on , vol., no., pp.1,4, 6-10 July 2014
132
La Comunicazione N.R.& N.
