La fibra ottica è il catalizzatore essenziale per migliorare non solo la larghezza di banda, ma anche la portata, la qualità, la robustezza, l'affidabilità, i tempi di risposta e l'efficienza operativa ed energetica delle tradizionali reti di accesso per telecomunicazioni basate su doppini in rame. Oggi, gli operatori di telecomunicazioni in molti paesi, tra cui Telefónica in Spagna, stanno lanciando pacchetti residenziali Triple Play in fibra ottica con larghezze di banda fino a 100 Mbps, e sono in corso progetti pilota con velocità fino a 1 Gbps.
GPON (Gigabit Passive Optical Network) [1], standardizzato nel 2004 nella serie di raccomandazioni ITU-T G.984 e con sistemi commerciali operativi dal 2006, è stata la tecnologia scelta dalla maggior parte degli operatori per offrire servizi a banda larga residenziali su fibra ottica. Tuttavia, le implementazioni GPON non hanno soddisfatto le aspettative in molti paesi, principalmente a causa della crisi economica e della mancanza di un quadro normativo chiaro e stabile che incoraggi gli investimenti.
Affinché una tecnologia di telecomunicazione abbia successo, deve adattarsi ai requisiti futuri ed essere compatibile con le tecnologie precedenti. Ad esempio, questo è stato il caso dell'ADSL, dove sono emerse tecnologie retrocompatibili che hanno migliorato quelle precedenti, come ADSL2, ADSL2+ e VDSL2 [2]. Allo stesso modo, esistono diverse proposte e percorsi evolutivi da GPON alle nuove generazioni di tecnologie PON, note come NG-PON (Next Generation PON). I requisiti principali di NG-PON sono aumentare la larghezza di banda e la portata di GPON, massimizzando il riutilizzo della rete ottica passiva (ODN) esistente installata dalla centrale agli abbonati, poiché il suo costo rappresenta circa il 75-85% del costo di fornitura della banda larga in fibra ottica agli utenti.
All'interno di NG-PON, si distingue tra XG-PON (NG-PON1) e WDM-PON (NG-PON2). NG-PON1 opera sulla rete GPON ODN, mentre NG-PON2 richiederà alcune modifiche. Entrambe le tecnologie suscitano un notevole interesse nel settore, sebbene GPON sarà probabilmente la tecnologia di accesso predominante per gli utenti residenziali con FTTH (Fiber-To-The-Home) nei prossimi 3-5 anni. Durante questo periodo, XG-PON1 sarà probabilmente utilizzato per gli utenti residenziali con FTTB/C (Fiber-To-The-Building/Curv) [3], e XG-PON2 per le aziende e il backhaul mobile o FTTT/CS (Fiber-To-The-Tower/Cell Site). In altre parole, si prevede che le implementazioni GPON e NG-PON coesisteranno, con la tecnologia scelta in base al budget dell'operatore, al ritorno sull'investimento previsto, al periodo di ammortamento e alle applicazioni che desidera offrire.
Diversi fornitori stanno conducendo ricerche e sviluppando sistemi NG-PON, tra cui spiccano Alcatel-Lucent, Ericsson e la sua joint venture LG-Ericsson, Huawei e ZTE. Altri fornitori di rilievo includono Adtran, ADVA, Allied Data, Alphion, Calix, ECI, Enablence, Fujitsu, Hitachi, NEC, NSN, Motorola, Tellabs e Zhone. Ad oggi, sono stati effettuati diversi test pilota XG-PON (Portugal Telecom, Verizon, ecc.) e sono presenti anche piccole implementazioni commerciali di WDM-PON (Agder, UNET, Korea Telecom, ecc.). Queste esperienze hanno dimostrato che queste promettenti tecnologie non sono ancora sufficientemente mature per implementazioni residenziali su larga scala e che i loro costi sono significativamente più elevati rispetto al GPON. Tuttavia, con la diminuzione dei costi dei componenti ottici e il miglioramento della loro interoperabilità, queste tecnologie, e in particolare il WDM-PON, attireranno l'attenzione degli operatori grazie ai loro notevoli vantaggi rispetto ad altre tecnologie PON, dimostrati in diversi progetti di ricerca come GigaWAM, Sardana e Pieman.
XG
-PON (NG-PON1). Anche questa tecnologia utilizza la multiplazione a divisione di tempo (TDM), ma offre velocità di linea superiori rispetto a GPON. XG-PON1 supporta 10 Gbps in downstream (dalla centrale agli utenti) e 2,5 Gbps in upstream (dagli utenti alla centrale), mentre XG-PON2 supporta 10 Gbps simmetrici, rispetto ai 2,5 Gbps in downstream e 1,25 Gbps in upstream supportati da GPON. XG-PON1 è la tecnologia preferita per le ONT (Optional Network Units) in FTTH, mentre XG-PON2 è preferita per le MDU (Multi-Dwelling Units) in FTTB/C.
Lo standard XG-PON1, basato sugli stessi principi del GPON (trasmissione ottica in downstream, TDMA in upstream, OMCI per il controllo e la gestione delle ONU, ecc.), è definito nelle raccomandazioni ITU-T G.987 e G.988, finalizzate nel 2010. Oltre alla larghezza di banda, XG-PON1 si differenzia dal GPON per le lunghezze d'onda, i budget di potenza ottica (29 dB, 31 dB, 33 e 35 dB) e i nuovi miglioramenti nei meccanismi di sicurezza e nei metodi di risparmio energetico [4]. A differenza di XG-PON1, gli standard XG-PON2 non sono ancora stati finalizzati a causa della complessità dell'implementazione del TDMA in upstream a 10 Gbps e il loro completamento non è previsto prima del 2012.
Esistono diverse architetture ODN che consentono la coesistenza tra GPON e XG-PON [5]. Per raggiungere questo obiettivo, le bande di lunghezza d'onda utilizzate da XG-PON, come definite in G.987.1, differiscono da quelle di GPON sia in direzione uplink che downlink, come mostrato nella Tabella 1. L'intervallo di lunghezze d'onda per i servizi di trasmissione video RF (1480–1560 nm) è ereditato da GPON. Sul lato OLT, i due sistemi, GPON e XG-PON, sono combinati con un filtro ottico di coesistenza (noto anche come "WDM1"). D'altra parte, le ONU incorporano filtri di blocco della lunghezza d'onda (WBF), come specificato in ITU-T G.984.5. Le implementazioni GPON che utilizzano queste ONU consentiranno agli operatori di migrare gradualmente a XG-PON (ovvero, cliente per cliente) sostituendo l'ONT GPON del cliente con un ONT XG-PON1 senza interrompere o compromettere il servizio per i clienti che non vengono migrati.
Nel corso degli anni, sono stati apportati miglioramenti significativi anche alla gamma dei sistemi GPON. Sebbene questi miglioramenti non si siano ancora concretizzati nelle attuali implementazioni GPON, saranno presenti nelle future implementazioni sia di GPON che di XG-PON. Il budget ottico di 28 dB della tecnologia GPON che utilizza ottiche di Classe B+ consente una portata di 30 km quando il rapporto di split è limitato a 1:16. Le implementazioni in genere considerano un rapporto di split compreso tra 32 e 64 su una distanza di 20 km. Le ottiche di Classe C+, molto più recenti, si basano su trasmettitori a potenza maggiore e, opzionalmente, su ricevitori più sensibili; ciò consente di aggiungere ulteriori 4 dB al budget di collegamento, ottenendo così un rapporto di split più elevato o una maggiore portata. Con ottiche di classe C+, è possibile raggiungere distanze fino a 30 km con un fattore di divisione di 64. Gli extender GPON, con un rigeneratore PON o un amplificatore ottico attivo tra l'OLT e lo splitter, consentono distanze fino a 60 km con un fattore di divisione di 128. Diverse architetture e interfacce sono definite nella norma ITU-T G.984.6 per gli extender GPON, rendendoli un'opzione molto interessante per la fornitura di banda larga fissa in aree rurali o remote, minimizzando così il numero di centrali telefoniche richieste dall'operatore.
XG-PON1 rappresenta il naturale passo successivo nell'evoluzione delle tecnologie PON. Sebbene gli standard siano pronti e siano già stati condotti progetti pilota pre-commerciali, le implementazioni commerciali non inizieranno prima del 2012. Ciò è dovuto al fatto che il costo di questa tecnologia è superiore a quello di GPON (soprattutto nel caso di XG-PON2, le cui implementazioni dovrebbero essere molto limitate), l'interoperabilità è inferiore a causa dei tempi di perfezionamento degli standard più brevi, il consumo energetico è significativamente più elevato e le esigenze di larghezza di banda a breve e medio termine possono essere soddisfatte con GPON. Tuttavia, GPON e XG-PON coesisteranno per diversi anni, grazie al graduale processo di migrazione definito dall'ITU-T.
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PON, che utilizza la multiplazione a divisione di lunghezza d'onda (WDM). Ciò significa che ogni unità di rete ottica (ONU) riceve una singola lunghezza d'onda (λ). Nuovi formati di modulazione come la multiplazione a divisione di frequenza ortogonale (OFDM) e la multiplazione a divisione di codice (CDM) sono oggetto di ricerca anche in NG-PON2, così come in 40G TDM-PON, TDM-WDM-PON ibrido e altri; tuttavia, WDM-PON rappresenta la tecnologia più promettente nel breve termine.
Le tecnologie necessarie per WDM-PON sono già disponibili e LG Ericsson ha già realizzato implementazioni commerciali su piccola scala utilizzando sistemi proprietari. Pertanto, sono necessari ulteriori standard e riduzioni dei costi dei componenti ottici affinché queste tecnologie possano essere considerate idonee per implementazioni su larga scala. Il gruppo FSAN NGA2 ha già avviato il processo di standardizzazione del WDM-PON, sebbene si preveda che la standardizzazione completa non sarà raggiunta prima del 2013 e l'ottimizzazione dei costi non sarà completata prima del 2014-2015, in modo da poter avviare implementazioni commerciali su larga scala.
Il WDM-PON è in realtà molto più semplice rispetto ad altre tecnologie PON perché, pur mantenendo la stessa architettura punto-multipunto del TDM-PON a livello fisico, a livello virtuale ogni ONU (Optical Network Unit) dispone di una larghezza di banda dedicata. Pertanto, possiamo logicamente considerare ciascuna larghezza di banda come un canale punto-punto in grado di trasportare velocità dedicate e simmetriche a ciascun utente, che vanno da 100 Mbps a 10 Gbps. Per una trasmissione senza interferenze su una singola fibra, vengono utilizzate bande di banda diverse per le direzioni di upstream e downstream. Nel WDM-PON, le larghezze di banda di upstream e downstream possono essere dedicate all'abbonato o al cliente aziendale FTTH tramite un ONT (Optical Network Terminal), ma possono anche essere condivise da più abbonati FTTB/C tramite un MDU (Multi-Drewling Unit).
L'utilizzo di WDM-PON nella rete di accesso offre vantaggi significativi rispetto alle tecniche TDM-PON:
- Non essendoci condivisione temporale del segnale, è molto più facile offrire larghezze di banda elevate e garantite, diverse, simmetriche o asimmetriche, dedicate e senza contesa, a ciascun abbonato.
- Elevata scalabilità della larghezza di banda grazie alla trasparenza del bit rate e alla facilità di aggiungere o rimuovere canali.
- Maggiori distanze e fattori di suddivisione, grazie a minori perdite ottiche.
- Gestione, funzionamento e manutenzione della rete più semplici.
- Maggiore sicurezza, grazie alla separazione del traffico tra gli abbonati.
- Maggiore facilità nella creazione di reti ottiche aperte con disaggregazione del segnale, che consente la condivisione della stessa rete di accesso fisica da parte di più operatori, come avviene nelle attuali reti xDSL su rame.
- Latenza inferiore, che insieme all'elevata larghezza di banda è molto importante per applicazioni come il backhaul mobile LTE e migliorerà anche l'esperienza utente in giochi online, servizi di cloud computing e comunicazioni unificate, ecc.
Nelle tecnologie WDM-PON, la struttura della rete ottica (ODN - Optical Network Design) delle tecnologie TDM-PON non viene mantenuta intatta e, come minimo, è necessario sostituire lo splitter/combinatore utilizzato da GPON e XG-PON con un multiplexer/demultiplexer a reticolo di diffrazione a lunghezze d'onda (AWG). Come lo splitter, l'AWG è un componente passivo che può operare in un ampio intervallo di temperature, il che lo rende adatto all'integrazione in armadi a livello stradale al di fuori delle centrali degli operatori. Mentre lo splitter replica il segnale ottico su tutte le sue uscite dalla centrale agli utenti finali, suddividendo la potenza tra di essi, l'AWG indirizza ciascuna lunghezza d'onda alla corrispondente ONU (Operating Unit) con perdite molto basse. Ad esempio, mentre uno splitter 1:64 introduce perdite di circa 20 dB, un AWG ne introduce solo circa 8 dB. In questo modo, il budget ottico aggiuntivo può essere utilizzato per ridurre le specifiche e, di conseguenza, il costo dei componenti ottici, oppure per aumentare il rapporto di divisione o la distanza. Pertanto, WDM-PON può supportare distanze fino a 85 km senza bisogno di extender, consentendo agli operatori di consolidare le apparecchiature attive necessarie nella rete di accesso e di ridurre significativamente il numero di centrali.
La sfida principale del WDM-PON è come consentire a una singola ONU di operare su diverse linee I (ONU incolori). La capacità delle ONU di essere sintonizzate su qualsiasi linea I è assolutamente essenziale per migliorare l'efficienza produttiva e logistica, nonché per ridurre i costi e la complessità di installazione e fornire supporto continuo. Esistono diverse tecnologie WDM-PON per realizzare "ONU incolori", a seconda di come è configurato l'uplink (quello trasmesso dall'ONU) [6]:
- Preselezione remota. Questa è la soluzione utilizzata da LG-Ericsson. Una sorgente luminosa a banda larga (BLS) viene generata in remoto sull'OLT e filtrata dall'AWG, raggiungendo una specifica lunghezza d'onda sull'ONU, dove alimenta un dispositivo di modulazione (RSOA, REAM, IL-FPLD). È la tecnologia più matura ed economica e consente fino a 32 ONU per PON (ovvero, un fattore di divisione di 32), distanze fino a 40 km e velocità fino a 1 Gbps.
- Riutilizzo. Una parte dell'energia di ciascun downlink viene riutilizzata per modulare l'uplink, il che elimina i costi associati alla BLS e migliora la qualità della portante e l'efficienza spettrale. Questa tecnologia richiede ancora ulteriori ricerche e consentirà fino a 96 ONU per PON, distanze fino a 50 km e velocità fino a 2,5 Gbps.
- Sintonizzazione. Questa è la tecnologia utilizzata negli attuali sistemi DWDM a lunga distanza e metropolitani, ma al momento è troppo costosa per l'accesso. In questo caso, il collegamento in uplink viene generato localmente presso l'ONU. È la tecnologia con le prestazioni più elevate: consente fino a 96 ONU per PON, distanze fino a 85 km e capacità fino a 10 Gbps.
Bibliografia
[1] “Che cos’è… GPON (Gigabit Passive Optical Network)”. Ramón Jesús Millán Tejedor, BIT n. 166, COIT & AEIT, dicembre 2007, pp. 63-67. [www.coit.es/publicaciones/bit/bit166/63-67.pdf].
[2] “Cosa sono ADSL, ADSL2, ADSL2+ e VDSL2?”. Ramón Jesús Millán Tejedor, Monografias.com, n. 62, 2007. [http://www.ramonmillan.com/tutoriales/vdsl2.php
]
[
3] “FTTB e VDSL2... il rame ha una lunga vita davanti a sé”. Ramón Jesús Millán Tejedor, Bollettino DINTEL sulla sicurezza e le tecnologie dell’informazione, 24 marzo 2009. [www.
ramonmillan.com/documentos/fttbvdsl2.pdf
]
[4] “La tecnologia al salvataggio delle reti PON 10G di nuova generazione”. Allard van der Horst, Lightwave, aprile 2010, pp. 17-21. [http://online.qmags.com/LW0410/Default.aspx]
[5] “Dare forma al futuro della banda larga tramite reti di accesso fisso di nuova generazione”. Michael Gronovius, Lightwave, settembre/ottobre 2011, pp. 17-22. [http://online.qmags.com/
/LW0911/Default.aspx].
[6] “Garantire il futuro del tuo accesso in fibra”. Documento Ericsson, maggio 2011. [archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=44/28701-FGD101040&Lang=
=EN&HighestFree=Y].
Autore:Ramón Millán / Ingegnere delle telecomunicazioni.
