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Rete ottica passiva

tecnologia di telecomunicazioni
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Una rete ottica passiva, nota anche con l'acronimo PON (dall'inglese passive optical network) è una tecnologia di telecomunicazioni utilizzata per portare il collegamento in fibra all'utenza finale, sia domestica che aziendale. La caratteristica distintiva di una PON è la realizzazione di un'architettura punto-multipunto, in cui si utilizzano splitter ottici non alimentati così da usare una singola fibra ottica per raggiungere più destinatari. La PON consente in questo modo di evitare il dispiegamento di collegamenti in fibra individuali tra l'hub e il destinatario, riducendo i costi infrastrutturali. Le reti ottiche passive costituiscono una delle possibili implementazioni dell'"ultimo miglio" tra un fornitore di servizi di telecomunicazioni e l'utenza finale. [1]

Descrizione generale

 
Distribuzione del traffico in una rete ottica attiva (in alto) rispetto a una rete ottica passiva

Una PON è composta da un terminale di linea ottico (OLT, optical line terminal) posizionato nel sito centrale dell'operatore (hub) e da un insieme di unità di rete ottica (optical network unit, ONU) o terminali di rete ottica (optical network terminal, ONTs), prossimi agli utenti finali. Rispetto a un'architettura completamente punto-punto, una PON riduce la quantità di fibra e di dispositivi hub e costituisce una forma di rete di accesso in fibra ottica.

Nella maggior parte dei casi, il segnale in downstream viene trasmesso in broadcast a tutte le destinazioni condividendo più fibre, in forma criptata per evitare di essere intercettato.

I segnali in upstream invece vengono combinati insieme usando un protocollo ad accesso multiplo, tipicamente di tipo a divisione di tempo (TDMA).

Evoluzione storica

I requisiti e le caratteristiche tecniche di riferimento per le PON sono state oggetto di due gruppi di standarizzazione primari, l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) e l'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU), specificatamente da parte dell'ITU-T, oltre che di altre organizzazioni industriali.

La Society of Cable Telecommunications Engineers (SCTE) ha emesso anche la specifica per le frequenze radio su vetro (radio frequency over glass, RFoG) per il trasporto del segnale su una rete ottica passiva.

FSAN e ITU

La definizione delle architetture fiber to the home, mirate a far arrivare la trasmissione su fibra ottica fino in casa dell'utente finale, ebbe inizio nel 1995, a carico del gruppo di lavoro denominato FSAN (acronimo di Full Service Access Network, rete di accesso a servizio completo), composto dai principali operatori e produttori del settore delle telecomunicazioni.[2]

L'ITU proseguì l'attività definendo lo standard per le prime due generazioni di PON. Il primo standard ITU-T G.983 era basato sull'impiego della tecnologia di trasmissione ATM (Asynchronous Transfer Mode) e per questo motivo viene normalmente denominato APON (ATM PON). I miglioramenti introdotti in seguito, uniti al graduale declino della tecnologia ATM, portarono alla pubblicazione della versione finale completa della raccomandazione ITU-T G.983, normalmente conosciuta come "PON a banda larga" (broadband PON o BPON). Una rete APON/BPON tipica prevede una banda in downstream pari a 622 megabit al secondo (Mbit/s) (corrispondente alla gerarchia trasmissiva STM-4 dell'SDH e OC-12 del SONET) e 155 Mbit/s in upstream (STM-1 SDH/OC-3 SONET), anche se lo standard di per sé consente di gestire anche velocità più elevate.

Il successivo standard ITU-T G.984 Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON) rispetto al BPON apportò un aumento sia in termini di velocità che di efficienza nell'utilizzo della banda tramita l'uso di pacchetti di maggior dimensione e di lunghezza variabile. Lo standard prevede diverse scelte per la velocità di trasferimento ma a livello industriale si sono consolidate le velocità di 2.488 gigabit al secondo (Gbit/s) in downstream e di 1.244 Gbit/s in upstream bandwidth. L'algoritmo di incapsulamento del traffico utente (GPON Encapsulation Method, GEM) inoltre consente una pacchettizzazione molto efficiente con segmentazione della trama.

A metà del 2008, Verizon aveva installato oltre 800 000 linee GPON. Nello stesso periodo British Telecom, BSNL, Saudi Telecom Company, Etisalat e AT&T realizzarono reti sperimentali avanzate rispettivamente in Regno Unito, India, Arabia Saudita, Emirati Arabi Uniti e negli Stati Uniti. Allo stato, le reti GPON sono ormai presenti e operative in molte parti del mondo e la tendenza indica chiaramente una crescita delle GPON superiore rispetto alle altre tecnologie PON.

L'ulteriore raccomandazione ITU-T G.987 ha definito al cosiddetta 10G-PON caratterizzata da una velocità di trasferimento di 10 Gbit/s in downstream e 2.5 Gbit/s in upstream. La struttura usata per la trama è molto simile a quella definita per la G-PON ed è concepita per poter coesistere con eventuali dispositivi GPON già presenti nella stessa rete.[3]

IEEE

Nel 2004 l'IEEE ha ratificato lo standard Ethernet PON (noto anche come EPON o GEPON) 802.3ah-2004 nell'ambito del progetto "Ethernet in the first mile" del gruppo di specifiche IEEE 802.3. EPON indirizza una rete a corto raggio (short haul) che impiega pacchetti ethernet, cavi in fibra ottica e un singolo strato di protocollo.[1] L'EPON utilizza le trame Ethernet standard 802.3 con velocità di trasferimento simmetrica a 1 Gbit/s sia in upstream che in downstream e trova il suo campo di impiego nelle reti di tipo data-centrico così come nelle reti convergenti per servizi di voce, video e dati.

L'emendamento IEEE 802.3av (sempre nel contesto IEEE 802.3) ha ratificato la variante 10 Gbit/s EPON o 10G-EPON che prevede la doppia velocità 10/1 Gbit/s. La distribuzione delle lunghezze d'onda in downstream consente di operare contemporaneamente a 10 Gbit/s su una lunghezza d'onda e a 1 Gbit/s su una lunghezza d'onda differente così da consentire di utilizzare sulla stessa PON sia la modalità IEEE 802.3av che quella IEEE 802.3ah. Il canale in upstream può anch'esso gestire contemporaneamente le modalità IEEE 802.3av e 802.3ah (a 1 Gbit/s) su una singola lunghezza d'onda condivisa a 1310 nm.

Nel 2014 erano state installate oltre 40 milioni di porte EPON, dato che rende questa tecnologia di PON la più diffusa in termini numerici. L'EPON è anche la tecnologia di base per i servizi business fornti dagli operatori di telecomunicazione come parte delle specifiche "DOCSIS Provisioning of EPON" (DPoE).

Per il modo in cui è stata definita, la 10G EPON è totalmente compatibile con gli altri standard Ethernet esistenti e non richiede alcun tipo di conversione o incapsulamento dei pacchetti per poter interoperare con altre reti ethernet a cui è collegata, sia in upstream che in downstream. Ciò comporta che questa tecnologia può trasportare in modo nativo e trasparente qualsiasi tipo di comunicazione basata su IP o comunque a pacchetto e, grazie alla vastissima installazione dell'ethernet nelle aziende, negli uffici e a livello domestico, l'EPON in generale è molto economica da implementare.[1]

Sicurezza

La variante sicura della rete ottica passiva (secure passive optical network, SPON) è stata sviluppata nel 2009 da Cable Manufacturing Business per soddisafare ai requisiti SIPRNet dell'US Air Force. Questa tecnologia integra nella GPON il sistema di distribuzione protettivo PDS.

Le modifiche ai requisiti NSTISSI 7003 del PDS e il mandato governativo sulla greeen technology hanno portato il governo federale degli Stati Uniti a prendere in considerazione la SPON come un'alternativa all'ethernet e ai dispositivi crittografici attivi e il Dipartimento dell'Esercito degli USA ha emesso una direttiva che prevedeva l'adozione di questa tecnologia entro l'anno fiscale 2013, con fornitura da parte di Telos Corporation.[4][5][6]

Caratteristiche ed elementi della rete

La PON si basa su una multiplazione ottica di tipo WDM, con l'impiego di una lunghezza d'onda per il traffico in downstream e di un'altra per quello in upstream, su fibra ottica monomodale (ITU-T G.652). BPON, EPON, GEPON e GPON utilizzano lo stesso schema che prevede le lunghezze d'onda di 1490 nanometri (nm) per il segnale downstream e di 1310 nm per quello upstream. Una terza lunghezza d'onda di 1550 nm è riservata per servizi collaterali opzionali, tipicamente video (analogico) in radiofrequenza.

Oltre alla bit rate, lo standard descrive anche una serie di parametri relativi alla trasmissione ottica; il più comune è il margine di perdita di potenza fissato a 28 dB sia per BPON che per GPON, che consente una portata di circa 20 km con uno split a 32 vie (32 utenze servite dalla singola fibra). Nei sistemi GPON l'impiego di tecniche di correzione degli errori (Forward Error Correction, FEC) consente di guadagnare un ulteriore margine di 2–3 dB. Il margine di 28 dB si presume migliorerà contestualmente agli avanzamenti nella tecnologia ottica. Sebbene i protocolli GPON ed EPON prevedano un rapporto di split elevato (fino a 128 utenze per fibra per GPON e fino a 32 768 per EPON), nella pratica la maggior parte delle reti PON adotta un rapporto di split 1:32 o inferiore.

Struttura della rete

Una PON è costituita da un nodo di centrale (central office) che rappresenta il terminale di linea ottica (optical line terminal, OLT), da uno o più nodi utente, denominati unità di rete ottica (optical network unit, ONU) o terminali di rete ottica (optical network terminals, ONTs) e dalle fibre e dagli splitter interposti, che rappresentano la rete di distribuzione ottica (optical distribution network, ODN). Una PON è una rete condivisa, nel senso che l'OLT manda in downstream verso tutte le ONU un singolo flusso di traffico mentre ogni ONU preleva soltanto i pacchetti espressamente destinati a lei. Per impedire l'intercettazione del traffico, i dati vengono trasmetti in forma crittografata.

L'OLT svolge il ruolo di interfaccia tra la PON e la rete core del fornitore di servizi (operatore). I servizi tipicamente comprendono:

L'ONU/ONT è l'altro punto terminale della PON ed espone le interfacce di servizio native verso l'utente finale. Lo standard ITU-T usa il termine "ONT" per descrivere una ONU mono-cliente. In caso di ONU multi-cliente, l'uscita verso il destinatario finale viene smistata all'interno del nodo verso le interfacce native lato utente. I servizi in uscita possono comprendere la telefonia tradizionale (POTS) o il voice over IP (VoIP)), traffico dati (tipicaemnte Ethernet o V.35), video e/o applicazioni di telemetria (TTL, ECL, RS530, eccetera). Spesso l'ONT/ONU può essere composto da due parti:

  • l'ONU vero e proprio, che termina la rete PON ed espone verso l'utente finale interfacce multi-servizio come DSL, cavi coassiali cable o ethernet;
  • il terminale di rete (network termination equipment, NTE), che fornisce i dati di ingresso in upstream alle interfacce multi-servizio e convoglia in downstream le interfacce di servizio native dell'utente (ethernet o doppino).

Allocazione della banda in upstream

L'allocazione della banda in upstream assegnata alle ONU è in carico all'OLT. Dato che la rete è di tipo condiviso, il traffico upstream proveniente dalle ONU potrebbe collidere causando congestione se trasmesso in modo completamente causale. Per evitare questa situazione, l'OLT deve prima di tutto tenere conto dei ritardi di trasmissione tra le varie ONU. Dato che ogni ONU è situata a una distanza differente dall'OLT, anche il ritardo di trasmissione sarà unico per ciascuna ONU. L'OLT quindi, usando protocolli di OAM (Operations, Administration and Management), misura il ritardo caratteristico di ogni ONU e memorizza il risultato nell'ONU stesso. In questo modo, l'OLT è in grado di equalizzare i ritardi di tutti gli ONU collegati a esso.

Una volta stabilito e memorizzato tale ritado, l'OLT trasmette dei grant a ciascun ONU. Un grant consiste nel permesso di utilizzare un certo quantitativo di banda in upstream per un intervallo di tempo definito. La distribuzione deigrant viene ricalcolata dinamicamente ogni pochi millisecondi e in questo modo, riallocando continuamente la banda e controllando chi può trasmettere in upstream in ogni momento, garantisce che ogni ONU abbia a disposizione la banda in upstream richiesta dalle proprie necessità di servizio.

Alcuni servizi, in particolare la telefonia tradizionale e alcune classi di servizi dati, richiedono una banda costante in upstream e per essi l'OLT può allocare una quantità predefinita di banda. La maggior parte del traffico dati però, come ad esempio il traffico internet, è di tipo bursty ed estremamente variabile. L'OLT deve ricorrere quindi a tecniche di traffic engineering come il multiplexing statistico e l'allocazione dinamica della banda tramite overbooking (banda potenziale allocata superiore a quella effettivamente disponibile) contando sul fatto statistico che al picco di traffico di un ONU può corrispondere a compensazione un periodo di traffico molto basso o nullo di un altro ONU.

Nella GPON ci sono due modalità di allocazione dinamica della banda: status-reporting (SR) e non-status reporting (NSR).

Nella modalità NSR, l'OLT alloca continuamente su ciascun ONU un piccolo quantitativo di banda extra. Se l'ONU non ha necessità di invare traffico, durante la sua allocazione in eccesso trasmette delle trame vuote (idle). Se l'OLT registra che un determinato ONU non sta mandando trame vuote, ne aumenta l'allocazione di banda. Una volta che il picco di trasmissione è terminato, l'ONU inizierà a trasmettere un numero elevato di trame vuote e a quel punto l'OLT ridurrà di conseguenza la banda allocata per quell'ONU. Questa modalità ha il vantaggio che non impone alcun requisito all'ONU; di contro, l'OLT non ha alcun criterio per distribuire al meglio l'allocazione della banda tra più ONU che in un dato momento ne richiedono una quantità maggiore.

Nella modalità SR, l'OLT chiede periodicamente agli ONU lo stato delle loro code di trasmissione. Ogni ONU possiede diversi contenitori di trasmissione (transmission containers, T-CONT), ciascuno con una propria classe di traffico o di priorità. L'ONU riporta all'OLT lo stato individuale di ciascuno dei suoi T-CONT sotto forma di misura logaritmica del traffico in attesa di essere trasmesso nella coda del T-CONT. L'OLT, conoscendo sia il service level agreement associato a ogni T-CONT della PON che la dimensione di ogni coda di ogni T-CONT, può quindi ottimizzare la redistribuzione della banda disponibile nella PON.

I sistemi EPON utilizzano un meccanismo di allocazione dinamico equivalente alla modalità SR della GPON: l'OLT richiede a ogni ONU lo stato delle proprie code (inviato tramite un messaggio di REPORT) e garantisce la banda tramite un messaggio di GATE.

Varianti

TDM-PON

Nella rete di distribuzione delle TDM-PON si usano splitter ottici passivi. Ogni ONU/ONT trasmette in upstream solo nella finestra di tempo (time-slot) a lui assegnata, secondo i principi della multiplazione a divisione di tempo. In questo modo, in ogni istante l'OLT riceve traffico da un solo ONU/ONT alla volta. In downstream, l'OLT può trasmettere sia in modo continuo che a burst: ogni ONU/ONT riconosce il traffico a lui destinato tramite una label di indirizzo trasmessa insieme al segnale.

Nell'ambito di questa variante, APON/BPON, EPON e GPON hanno una diffusione massicca. A novembre 2014, risultavano installate e operative all'incirca 40 milioni di porte EPON, che risultava quindi il sistema più diffuso.[7]

Nel 2015, la GPON copriva una quota di mercato inferiore ma si prevede che nel 2020 raggiunga i 10.5 miliardi di dollari.[8]

Note

  1. ^ a b c (EN) What is EPON, su New Wave Design & Verification.
  2. ^ (EN) Full Service Access Network, su FSANweb.org, 2009. URL consultato il 1º settembre 2011 (archiviato dall'url originale il 12 ottobre 2009).
  3. ^ (EN) ITU-T Recommendation G.987.1 (2010/01) (PDF), su www.itu.int (archiviato dall'url originale il 6 novembre 2012).
  4. ^ (EN) Secure Passive Optical Network Solutions from Telos Corporation, su telos.com. URL consultato il 2 ottobre 2013.
  5. ^ (EN) Press Release - Archived copy (PDF), su envistacom.com. URL consultato il 16 agosto 2013 (archiviato dall'url originale il 5 ottobre 2013).
  6. ^ (EN) Secure PON, GPON or EPON, su fibersensys.com. URL consultato il 16 agosto 2013 (archiviato dall'url originale il 30 agosto 2013).
  7. ^ (EN) EPON: Why It’s A Leading Technology for the Enterprise, su Commscope.
  8. ^ (EN) GPON Equipment Market Trends, su Global Industry Analysts Inc.

Bibliografia

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