Corso di Reti di

Telecomunicazione

Reti di accesso

Reti di accesso (1)

Reti di accesso

Architettura di rete

HFC

FTTx

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!

Reti di accesso

Reti di accesso

Architettura di rete

HFC

FTTx

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

Reti di accesso

Reti di accesso

Architettura di rete

HFC

FTTx

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

Reti di accesso

Reti di accesso

Architettura di rete

HFC

FTTx

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

Fiber-to-the-Home (4)

Ethernet o DSL

VDSL, VDSL2DSL2, DSL2+

BPON, EPON, GPON

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 (2)

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

WPON (2)

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

WRPON (2)

WRPON (2)

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

RITENET WRPON (2)

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

LARNET WRPON (2)

Spectral slicing

LARNET WRPON (3)

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).