Reti ottiche di accesso

Reti in Fibra Ottica
Reti ottiche di accesso
(ultimi aggiornamenti: Giugno 2010)
By R. Gaudino
Roberto Gaudino
1.1
Situazione ad oggi (2010) delle reti di accesso
Si intende per “rete di accesso” la parte della rete, gestita dai gestori
nazionali di telecomunicazioni, che porta i servizi verso gli utenti finali,
classificabili in due grandi “famiglie”
Business
Residenziali (utenza privata)
In Italia, la stragrande maggioranza degli utenti residenziali sono oggi
raggiunti da un doppino telefonico “twisted pair”
L’utilizzo della fibra ottica è, in Italia, un’eccezione (Fastweb, circa 100.000
utenti in fibra)
Una parte degli utenti Business sono invece già raggiunti in fibra (ma solo
per la fascia alta)
Nella prossime slides ci si concentrerà sulla situazione per l’utenza
residenziale
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1.2
Situazione (ad oggi) delle reti di accesso
Distanze tipiche in Italia: da 300m a 3000 m
Central
Office
Gruppi di doppini,
in “fasci” da alcune
centinaia
Street
Cabinet
Street
Cabinet
Gruppi di doppini,
in “fasci” da alcune
decine fino a
centinaia
Street
Cabinet
Notare che CIASCUN utente ha un doppino direttamente collegato in centrale (Central Office,
CO)
In ciascun CO sono terminati migliaia di doppini telefonici
La struttura è completamente “passiva”, solo doppini, no apparati elettrici tra il CO e l’utente
finale
Estrema affidabilità e basso costo
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1.3
Doppini telefonici
Dal Central Office possono uscire fasci
contenenti migliaia di doppini
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1.4
Central Offices pictures
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1.5
Street Cabinet (“ripartitori telefonici”)
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1.6
“advanced” street cabinet
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1.7
Situazione ad oggi (2007) delle reti di accesso
I numeri (indicativi, riferiti a Telecom Italia)
11.000 “Central offices”
150.000 “Street Cabinet”
22 milioni di “utenti” residenziali
Tutta l’utenza è raggiunta da doppini telefonici, spesso installati decine di
anni fa al solo scopo di trasportare la telefonica tradizionale (analogica,
banda 3.2 KHz)
Esistono case nei centri storici dove i doppini risalgono agli anni 50
ADSL (e versioni successive ADSL2, ADSL2+, VDSL, etc)
Possibilità di trasportare fino ad alcuni Mbit/s su doppino
“rivoluzione tecnologica” a partire dagli anni 90
NON si deve ri-cablare la rete
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1.8
Le limitazioni delle tecniche xDSL
Il bit-rate fornibile all’utente è funzione di:
Distanza dell’utente dal central-office
Interferenze da altri doppini (= numero di altre linee xDSL “accese” nello
stesso fascio di doppini)
VDSL2 from Exchange
ADSL2+
ADSL
Distanza tra il Central Office e l’utente [metri]
Il grafico è a puro titolo
di esempio. Considera i
limiti per “singolo
doppino”, senza
interferenze da parte di
altri doppini
Anche le tecnologie
xDSL più sofisticate sono
limitate a pochi Mbit/s
(<4 Mbit/s per distanze
sopra i 2 Km)
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1.9
I bit-rate dei servizi più “esigenti”
Video in qualità DVD, compresso MPEG: da 2 a 4 Mbit/s
Video in alta qualità “attuale” (HDTV, BlueRay), compresso MPEG: 15
Mbit/s
Video ad alta definizione “future” (formato 4K, già pre-commerciale):
100-200 Mbit/s
La richiesta di trasporto di video verso l’utente residenziale “satura” la
capacità di xDSL
Si prevede di fornire in ciascun appartamento la possibilità di fruire di 2-3
flussi video in contemporanea (oltre a fonia, dati, etc)
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1.10
Le soluzioni ottiche: FTTx
ONU = Optical
Network Unit
CO
ONU
NIU
Copper,
twisted
pair
Fiber
CO
NIU = Network
Interface Unit
ONU
NIU
ONU/NIU
Central
office
“Fiber to the
cabinet”
FTTB
“Fiber to the
Building”
Copper,
twisted
pair
CO
FTTCab
FTTH
“Fiber to the
Home”
Idea base: “accorciare” (o addirittura annullare) la lunghezza
del collegamento da coprire in doppino, utilizzando per il
resto la fibra ottica
1.11
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Distanze e bit-rate
Central Office
Primary
Cabinet
(200-3000m)
ADSL2+
3-20 Mbps
 <1 Mbps
ONU
VDSL2
FTTCab
Building
(100-700m)
xDSL
FTTE
Secondary
FTTB
FTTH
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VDSL2 17M
25-50 M
 2-10 M
VDSL2 30M
50-100 M
 25-40 M
Optical
0.1-1 Gbps
1.12
La soluzione FTTH
PRO
Risolve completamente qualunque limitazione di banda
Soprattutto usando fibra singolo modo, si copre qualunque ragionevole richiesta
di banda per utente (Gbit/s)
CONTRO
Richiede un ri-cablaggio COMPLETO della rete di accesso, costosissimo
Richiede un apparato ottico per CIASCUN appartamento
Al 2007, le stime di costo per ogni nuovo accesso FTTH completo sono
dell’ordine dei 1000-1500 euro ad utente per grosse città, molto dense (tutto
incluso, il costo è soprattutto legato ai lavori “edili”)
notare che i potenziali “utenti” residenziali sono, in Italia, 22 milioni (!!)
Un “upgrade” di TUTTI gli utenti al FTTH richiederebbe investimenti dell’ordine
dei 20-30 miliardi di euro (!!)
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1.13
La soluzioni intermedie FTTCab, FTTB
Portare la fibra più vicina all’utente finale, usando xDSL solo per l’ultimo
tratto
Diventando più corta la parte in xDSL, i possibili bit rate crescono (fino a circa
50 Mbit/s simmetrici su 200 metri per le migliori tecnologie attuali)
Ciascuna fibra è utilizzata per trasportare il traffico relativo a parecchi utenti
finali
PRO
Costi inferiori rispetto a FTTH
CONTRO
Minore banda per upgrade futuri
Apparati attivi (e sofisticati) sparsi per il territorio
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1.14
Le tecnologie per il FTTx
Due tipi di soluzioni:
Una fibra ottica dedicata per ciascun collegamento (soluzione detta “Peer-toPeer”)
In Italia, è stata ad esempio la scelta di Fastweb
E’ considerata attualmente da Telecom Italia, soprattutto nella versione FTTCab
Fibra ottica “condivisa” tra molti utenti
La seconda soluzione è potenzialmente interessante dal punto di vista
economico
Si parla di architetture PON: “Passive Optical Networks”
La vediamo nelle prossime slides riferita al FTTH, ma può essere applicata
anche a FTTB e FTTCab
1.15
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Architettura PON
O/E
Passive Optical
Splitters
O/E
CO
OLT (Optical
Line Terminal)
O/E
ONU (Optical
Network Unit)
Idea base: utilizzare splitter passivi per far condividere lo stesso segnale a
molti utenti
Trasmissione bidirezionale su singola fibra
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1.16
Architettura PON
Esistono vari “standard” per le reti
PON, che condividono tuttavia tutti le
stesse idee di base
FSAN (Full Service Access Network)
Uso della singola fibra in maniera bidirezionale, tipicamente con due
lunghezze d’onda diverse
DOWNSTREAM: da CO a utente
finale: 1500 nm
UPSTREAM: da utente a CO: 1300
nm
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1.17
Architettura PON
Bit rate (solitamente) asimmetrici nelle due direzioni
Ad esempio, nella versione “base” FSAN ITU G.983.1
DOWNSTREAM: 622 Mb/s
UPSTREAM: 155 Mb/s
Versioni “evolute” GPON/EPON/GEPON
DOWNSTREAM: 2.5 Gbit/s
UPSTREAM: 1 Gbit/s
Numero di utenti: fino a 64 utenti per la versione base
Si pensa a 1024 utenti per le versioni evolute
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1.18
Bit rate per utente FSAN ITU G.983.1
FSAN ITU G.983.1
DOWNSTREAM: 622 Mb/s
UPSTREAM: 155 Mb/s
64 utenti
Il bit-rate per utente, nell’improbabile caso che siano tutti connessi, è
dell’ordine di
10 Mbit/s downstream
2 Mbit/s upstream
In realtà, grazie alla multiplazione statistica, può essere significativamente
più elevato
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1.19
Versioni GPON/EPON/GEPON
È chiaro che solo le versioni più evolute (GPON/EPON/GEPON) danno in
realtà un grosso incremento di bit-rate rispetto alle soluzioni ADSL di
fascia alta
Negli stati in cui è già presente un massiccio uso di tecniche PON
(Giappone, Corea, Cina) la tendenza è di installare Gigabit PON
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1.20
Le problematiche “fisiche” per PON
Gli splitter introducono un’attenuazione pari almeno a:
Ad esempio
10 log10 ( N utenti )
64 utenti: minimo 18 dB
1024 utenti: minimo 30 dB
Il numero massimo di utenti è sostanzialmente limitato all’attenuazione
introdotta dagli splitter passivi
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1.21
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1.22
Le problematiche “fisiche” per PON
Il segnale è condiviso tra tutti gli utenti
DOWNSTREAM: soluzione TDM “Pura”
Ciascun utente riceve tutto il traffico, e seleziona la parte a lui dedicata
UPSTREAM: soluzione TDMA (è necessario gestire l’accesso
multiplo)
Trasmissione a burst per ciascun trasmettitore
Necessaria ricezione a burst al CO
APON standard: The
upstream channel is
divided into 53 slots of 56
bytes at 155.520 Mbps,
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1.23
Trasmissione Downstream
Nella direzione “Downstream”, cioè dalla centrale verso l’utente finale, la
trasmissione è (a livello fisico):
Continua (flusso dati digitale continuo, senza necessità di gestire accesso
multiplo)
In broadcast a tutti gli utenti (a livello fisico)
“tutti ricevono tutto”
La “selezione” del traffico dati per ciascun utente è affidata ai protocolli di livello
superiore, e non è gestita a livello fisico
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1.24
Trasmissione Upstream
Nella direzione “Upstream”, cioè dall’utente finale
verso la centrale, la trasmissione è (a livello fisico):
Discontinua, cioè a “burst”
Gestita in divisione di tempo ad accesso multiplo
In particolare, ogni utente può trasmettere in un ben
determinato slot temporale all’interno di una trama TDM
Un opportuno protocollo assicura che in ciascuno slot trasmetta un
solo utente (algoritmo di ranging)
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1.25
Necessità di algoritmo di ranging
Il flusso upstream nelle PON è organizzato in
Frame da 125 µs
Con 53 slots in ogni frame, ciascuno della durata di circa 2 µs
Supponiamo che:
Utente #1 sia a 2 km dalla centrale
∆t1 ≅
Utente #2 sia a 1 km dalla centrale ∆t2 ≅
2 km
= 10 µs
2 ⋅ 108 m / s
1km
= 5 µs
2 ⋅ 108 m / s
La differenza tra i tempi di propagazione verso la centrale è di circa:
∆t ≅ 5 µs
Risulta dunque addirittura maggiore del tempo di slot!
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1.26
Collisioni: situazione da evitare
ONU #1
(utente)
time
ONU #2
(utente)
time
∆t1 ≅ 10 µs
∆t2 ≅ 5 µs
OLT
(centrale)
time
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1.27
Situazione corretta
ONU #1
(utente)
time
ONU #2
(utente)
time
∆t1 ≅ 10 µs
∆t2 ≅ 5 µs
OLT
(centrale)
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time
1.28
Trasmissione Upstream
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1.29
Trasmissione Upstream
La ricezione upstream (presso il CO) è complessa:
Ricezione di “pacchetti” da diversi trasmettitori
Con ampiezze diverse (a seconda della distanza percorsa nella PON)
Con clock diversi
Necessità di un ricevitore a burst
Con livelli di decisione in ampiezza variabili da burst a burst
Con clock recovery veloce
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1.30
Evoluzioni future: WDM PON
Residential
user
Central
Office
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1.31
WDM - PON
Svantaggi: costi elevati:
Molto critica la necessità di avere un laser WDM, possibilmente
sintonizzabile, a casa dell’utente finale
Vantaggi
Lambda dedicata per ciascun utente, in entrambe le direzioni
Bit-rate per utente potenzialmente molto elevato
Non è più necessaria né la ricezione burst-mode, né il meccanismo di ranging
L’attenuazione del WDM demultiplexer NON è più strettamente legato al
numero di utenti. Esempio:
WDM demux a 32 porte: attenuazione attorno a 6-7 dB
Splitter ottico a 32 porte: attenuazione minima di 15 dB
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1.32
FTTH
La situazione di mercato attuale
(2008-2009)
Roberto Gaudino
1.33
FTTH: la situazione attuale (inizio 2008)
Massiccio utilizzo in Korea e Giappone (5-6 milioni di utenti FTTH)
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1.34
FTTH: la situazione attuale (inizio 2008)
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1.35
Chi può pagare il passaggio al FTTH?
Oggi (2009) l’investimento di 1000 Euro (circa) ad utente per
un’installazione FTTH è MOLTO critico per le Telecom nazionali
I margini di guadagno oggi sulla rete fissa sono molto limitate causa:
Concorrenza tra vari operatori
Diffusione delle tariffe flat-rate
Saturazione del mercato
Nessuna Telecom europea ha bilanci particolarmente positivi, soprattutto
sulla rete fissa
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1.36
Chi può pagare il passaggio al FTTH?
Giappone e Corea: le Telecom nazionali
in quei paesi sono ancora
sostanzialmente pubbliche
Il costo del deployment è stato assorbito a
livello pubblico
Altre particolarità di Giappone e Corea
Fortissima propensione della popolazione
verso le nuove tecnologie
Città con altissima densità di popolazione
La soluzione FTTH-PON è molto adatta
in questi casi
Tradizioni diverse: cavi aerei,
installazioni molto meno costose
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1.37
Situazione europea
Ad oggi (2010, la situazione potrebbe cambiare velocemente):
La maggior parte delle installazioni FTTH, soprattutto nel nord-Europa,
sono pagate dagli enti pubblici locali, cioè su fondi comunque pubblici
Municipalità
Circoscrizioni
Gli operatori nazionali (privati, quali France Telecom, Telecom Italia,
Telefonica, etc) continuano ad annunciare l’inizio del FTTH
Si tratta in realtà per ora solo di test-plant limitati ad un numero ristretto di
abitazioni
Qualcosa sembra iniziare a muoversi in Francia
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1.38
… Grazie per l’attenzione!!
Per chi fosse interessato a fare la tesi nel mio gruppo:
www.optcom.polito.it
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1.39