corso di sistemi di telecomunicazione ottici di accesso.pdf · 2016-05-17 · reti d’accesso...
TRANSCRIPT
Reti di accesso (2)
Sono l’ultimo ramo delle reti di TLC
Dal service provider alle case o gli uffici
Richiesta di banda sempre crescente anche a livello di accesso
Necessità di avvicinare la fibra agli utenti
Reti d’accesso “business” ad elevate prestazioni
Sonet/SDH, Ethernet, RPR
Utenti business, linee affittate da 1.5 Mbps a Gbps
Reti d’accesso per singole abitazioni
Fornitura di servizi sempre più evoluti
Necessità di superare le limitazioni della rete telefonica
Punto centrale di questo capitolo del corso
Nel passato alle abitazioni solo due tipi di servizio
POTS su rete telefonica pubblica
TV su rete via cavo (USA)
Reti di accesso (3)
Negli ultimi anni aggiunta di servizi dati
DSL (Digital Subscriber Line) su rete telefonica
Cable modem su rete via cavo (USA)
Richiesta di reti di accesso ad alta capacità
Video-on-demand (VOD)
TV ad alta definizione (HDTV)
TV standard (SDTV)
Telelavoro
Giochi online
Accesso ad Internet
Telefono
High speed data (HSD)
Reti di accesso (4)
Classificazione dei servizi in base a…
Richiesta di banda
Da pochi kHz (telefonia) a MHz (flusso video) a centinaia di Mbps (linee affittate)
Servizio simmetrico o asimmetrico
Simmetrico (bidirezionale), es. videoconferenza
Asimmetrico (unidirezionale), es. video broadcast
Servizi business tipicamente simmetrici…
… altri tipicamente hanno più banda in downstream che in upstream
Servizio broadcast o switched
Broadcast: tutti gli utenti ricevono gli stessi dati
Switched: utenti diversi ricevono dati diversi
Reti di accesso (5)
Soluzioni per l’accesso a banda larga:
Satellite:
banda larga, ma basso riuso delle frequenze;
canale in upstream necessita del cavo.
Sistemi ottici senza fibra:
Centinaia di Mbit/s su distanze pari a centinaia di metri (line of sight).
DSL:
bitrate fino a decine di Mbit/s, limitati dalla distanza tra CO e utente;
canale in upstream lento.
Reti di accesso (6)
Wireless:
WiMAX: banda simmetrica fino a 70 Mbit/s a distanze di 50 km (2.3, 3.5 o 5 GHz);
IEEE 802.11: 50 Mbit/s su brevi distanze.
Enhanced HFC (USA):
naturale evoluzione di HFC per supportare il traffico dati.
FFTx:
Bitrate di Gbit/s su km di distanza;
La soluzione per reti a banda ultra-larga!
Architettura di rete (1)
Rete di accesso composta da
Hub
CO (local exchange) per reti telefoniche
Head end per reti via cavo (USA)
Ogni hub fornisce servizi a diverse abitazioni/uffici attraverso le NIU, hub fa parte di rete più grande
Remote nodes (RN)
Secondo livello gerarchico tra hub e NIU
Ogni hub connesso a diversi RN, ogni RN serve un gruppo di NIU
Network interface units (NIU)
Una NIU per ogni utente (o piccolo gruppo)
Rete di accesso = rete di alimentazione (feedernetwork) + rete di distribuzione (distribution network)
Architettura di rete (2)
Rete di alimentazione: rete tra hub e RN
Rete di distribuzione: rete tra RN e NIU
Servizi broadcast vs. switched
Tutti gli utenti ricevono gli stessi dati o no
Rete di distribuzione broadcast vs. switched
Topologia della rete
Sono possibili tutte e 4 le combinazioni servizio - rete
Architettura di rete (3)
Rete di distribuzione broadcast RN fa broadcast a tutti i NIU dei dati dall’hub
Reti poco costose, utilizzo di NIU tutte uguali Funzioni intelligenti a livello di NIU
Molto adatte a fornitura servizi broadcast
Es. rete via cavo (USA)
Rete di distribuzione switched RN elabora i dati dall’hub e manda flussi dati separati
ad ogni NIU
In genere uso di NIU diverse per utenti diversi Funzioni intelligenti a livello di rete, NIU semplici
Maggiore livello di sicurezza Contro hacker e guasti della rete
Molto adatte a fornitura servizi switched
Es. rete telefonica
Architettura di rete (4)
Classificazione in base alla tipologia di rete di alimentazione (hub - RN)
La rete assegna ad ogni NIU banda dedicata
Ogni NIU opera su frequenza diversa
Possibilità di garantire QoS agli utenti
NIU con dispositivi al bitrate della NIU
Le NIU condividono banda totale offerta dalla rete
NIU condividono la banda nel dominio del tempo
Ogni NIU può teoricamente usare tutta la banda
Necessità di un MAC per traffico upstream
Molto efficiente per traffico “bursty”
Difficile garantire QoS
NIU con dispositivi al bitrate totale di linea
Architettura di rete (5)
Distribuzione broadcast o switched
Alimentazione a banda dedicata o condivisa
Rete telefonica Rete di distribuzione switched
Rete di alimentazione a banda dedicata 4 kHz
Rete via cavo (USA) Rete di distribuzione broadcast
Rete di alimentazione a banda condivisa
WPON Rete PON WDM
Rete di distribuzione broadcast
Rete di alimentazione a banda dedicata
Hybrid Fiber Coax (1)
Rete HFC (Hybrid Fiber Coax)
Raggiunge quasi tutte le abitazioni (USA)
Collegamenti in fibra ottica tra head end e RN
Canali da head end a RN in broadcast con SCM (Subcarrier Modulation) su un solo laser
Dai RN cavi coassiali verso le abitazioni
Ogni RN serve da 500 a 2000 utenti
Banda utilizzata da 50 a 550 MHz, trasmissione di 78 canali TV AM-VSB spaziati di 6 MHz (NTSC)
Canale di ritorno tra 5 e 40 MHz
Operatori cercano upgrade verso trasmissione video in formato digitale (Enhanced HFC)
Rete broadcast con banda condivisa
Hybrid Fiber Coax (2)
Rete telefonica e via cavo radicalmente diverse
Rete telefonica fornisce poca banda per utente, ma con sofisticati sistemi di switching e gestione della rete
Rete via cavo fornisce molta banda per utente, ma è broadcast e unidirezionale, senza switching
Fiber-to-the-Home (1)
FTTx (Fiber to the x)
Filosofia: portare la fibra più vicino possibile all’utente finale
Dati trasmessi in digitale su fibra ottica dall’hub a nodi chiamati ONU (Optical Network Units)
In base alla distanza tra ONU e utente si ha
FTTH (Fiber-to-the-Home)
La fibra arriva nelle case, le ONU hanno funzioni di NIU
FTTC/FTTB (Fiber-to-the-Curb/Building)
Ogni ONU serve qualche decina di case o edifici
Fibra a circa 100 m di distanza dagli utenti
Sezione di distribuzione in rame tra ONU e NIU
FTTN (Fiber-to-the-Node)
La fibra è terminata in un armadio a distanza di circa 1 km dagli utenti
Fiber-to-the-Home (2)
Collegamento CO – RN in fibra
Collegamento RN – ONU in fibra, ONU termina il link in fibra
Collegamento ONU – NIU in rame
Fiber-to-the-Home (3)
La rete tra il CO e l’ONU è tipicamente una PON (Passive Optical Network)
RN è tipicamente un semplice star coupler
A volte posizionato direttamente nel CO
Termine FTTx indica diverse architetture…
Tuttavia la versione classica prevede il broadcast dei segnali dal CO alle ONU
Banda totale condivisa dalle ONU in modalità TDM
Rete di alimentazione: tra il CO e i RN
Rete di distribuzione: tra i RN e le ONU
Ci concentriamo sulla parte ottica della rete di accesso
Deve essere semplice, facile da installare e gestire
Preferenza per reti passive rispetto a reti attive
Passive Optical Networks (1)
PON (Passive Optical Networks)
Reti ottiche senza funzioni di switching e controllo
Non necessitano di alimentazione se non agli estremi
Estrema riduzione dei costi
ONU
Struttura semplice per costi bassi e affidabilità
Niente laser o componenti ottici molto complessi
Nessun dispositivo di raffreddamento o controllo della temperatura
Funzioni intelligenti a livello di CO
Ambiente controllato, dispositivi costosi condivisi tra tutti gli utenti
Passive Optical Networks (2)
Struttura della PON
RN composto da star coupler o router di lunghezze d’onda statico
Tutti i vantaggi visti in precedenza
Infrastruttura in fibra trasparente a bitrate e formato di modulazione
Facilità di upgrade senza modifiche alla rete
In tabella vari tipi di PON
Ora li analizziamo uno ad uno (N = 16 – 32 tipicamente)
TPON (1)
TPON (PON for Telephony)
Broadcast del traffico downstream dal CO a tutte le ONU attraverso uno star coupler passivo
Fornitura anche di servizi switched usando TDM
Time slot diversi per ogni ONU
Canale upstream condiviso, ad esempio in TDM
O altro protocollo multiaccesso
Approccio TDM
ONU devono essere sincronizzate a clock comune
Processo di ranging
Ogni ONU misura il ritardo dal CO
Aggiustamento dei clock e sincronizzazione rispetto a CO
CO assegna i time slot necessari ad ogni ONU
TPON (3)
Attrezzatura costosa al CO condivisa tra le ONU
Uso di componentistica ottica matura a basso costo
Trasmettitore CO: LED o laser Fabry Perot
Trasmettitore ONU: LED o laser Fabry Perot
Ricevitore ONU: pinFET
Poco costoso, non necessita di raffreddamento
Numero di ONU supportate limitato dalla divisione della potenza allo star coupler
ONU con elettronica funzionante al bitrate aggregato
Compromesso tra potenza trasmessa, sensibilità del ricevitore, bitrate, distanza, numero di ONU
TPON meno costosa rispetto a Sonet/SDH, RPR e Ethernet per servizi a medio bitrate
TPON (4)
Fornitura flessibile della banda
TPON: variando la distribuzione dei time slot
Sonet/SDH: ultima generazione di dispositivi migliora la gestione dinamica della banda
Guasti
TPON: guasto di un utente non condiziona gli altri
Non facile gestire le rotture di fibra
Sonet/SDH: guasto rende inutilizzabile l’anello
Ma i meccanismi di protezione sono veloci
Aggiunta nuovi utenti
TPON: processo molto semplice
Sonet/SDH: processo complesso e lungo
WPON (1)
WPON (WDM PON)
Evoluzione della TPON standard per aumento di capacità e flessibilità
Sostituzione del singolo trasmettitore al CO con
Array di laser WDM oppure…
Singolo laser tunabile
CO fa broadcast di tutte le lunghezze d’onda a tutte le ONU
Ogni ONU preleva con un filtro la sua frequenza
Ogni ONU dotata di elettronica al proprio bitrate e non a quello aggregato
Canale di upstream condiviso in TDM a 1310 nm
Rimane la limitazione dovuta allo star coupler
WRPON (1)
WRPON (Wavelength-Routing PON) Rete di distribuzione wavelength-routing
Mantiene i vantaggi della rete WPON ma risolve il problema dello splitting allo star coupler
Possibilità di fornire servizi punto punto alle ONU
RN con wavelength router per la gestione del traffico downstream Tipicamente si tratta di un AWG
Diverse versioni di WRPON Diversi dispositivi in CO e ONU
Differente gestione del traffico upstream
Es. PPL (Photonics Loop) Downstream: 16 canali a 1310 nm
Upstream: 16 canali a 1550 nm
Non economico: due laser costosi per ogni utente
RITENET WRPON (1)
Variante di WRPON con condivisione economica delle risorse al CO
CO usa laser WDM tunabile
Frames inviati dal CO alle ONU divisi in due parti
Data: dati downstream trasmessi dal CO
Return traffic: laser al CO in modalità onda continua
Ogni ONU ha un modulatore esterno
ONU va a modulare il return traffic del frame
Soluzione per traffico upstream
Non serve nessun laser nelle ONU
Il router combina le lunghezze d’onda verso il CO
Singolo ricevitore al CO: accesso TDM
Ricevitori multipli al CO: ogni ONU ha canale dedicato in upstream
LARNET WRPON (1)
Alternativa a RITENET a basso costo
Uso di una sorgente LED nelle ONU al posto del modulatore esterno
LED emette segnale a larga banda Spectral slicing passando attraverso l’AWG
Solo la parte dello spettro di emissione del LED che passa nella banda dell’AWG arriva al CO
In presenza di N ONU, splitting loss 1/N
Uso di un LED anche al CO per traffico downstream Segnale dal LED in broadcast a tutte le ONU
Uso di 2 sorgenti al CO
LED a 1310 nm (broadcast)
Laser a 1550 nm, trasmissione solo ad alcune ONU
Trasmissione di video analogico su rete digitale
Componenti WDM per PON ancora troppo costosi Tuttavia WRPON offrono capacità molto superiori
Standard per PON (1)
APON (ATM PON):
Full Service Access Network group (FSAN);
È una TPON;
Banda aggregata 622 Mbit/s (155 Mbit/s) per downstream (upstream);
Usando laser si ha splitting per 16 o 32, con banda per utente circa 20 Mbit/s;
BPON (Broadband PON):
Un’evoluzione di APON sviluppata da ITU
Standard per PON (2)
GPON (Gigabit PON):
È un upgrade di APON di ITU-T;
Banda in downstream 1.2 o 2.5 Gbit/s (point-to-multipoint con splitting <= 64);
Banda in upstream (condivisa in TDMA): 155, 622, 1250 o 2500 Mbit/s;
GEPON (Gigabit Ethernet PON):
È la versione IEEE delle PON;
Banda up e down pari 1.2 Gbit/s;
10G-EPON (10 Gigabit Ethernet PON).