1. Introduzione

Una rete ottica passiva PON (Passive Optical Network) è una rete di accesso caratterizzata dall’assenza di apparati attivi al di fuori delle sedi ove sono collocate le OLT (Optical Line Termination) e le ONT-ONU (Optical Network Termination - Optical Network Unit) rispettivamente. È in genere basata su topologie di rete ad albero, realizzate mediante l’uso di ripartitori ottici di tipo passivo. La struttura generale di una rete PON è rappresentata nella figura 1.

Sul lato rete è presente la terminazione di linea ottica (OLT), che tipicamente si trova in un punto di raccolta, quale una centrale, e funge da interfaccia condivisa tra tutti gli utenti connessi e la rete Metro.

L’utente accede ai servizi offerti dalla rete tramite la terminazione di rete ottica (ONT o ONU). Le OLT e le ONU sono connesse dalla rete di distribuzione ottica ODN (Optical Distribution Network) in configurazione punto-multipunto(1) che può essere realizzata con uno o più livelli di diramazione. I diramatori ottici possono essere disposti più o meno vicini alla OLT o alle sedi cliente, a seconda della disponibilità di fibra e delle strategie di introduzione della fibra ottica adottate dal gestore di rete. La fibra ottica impiegata è tipicamente di tipo single mode conforme allo standard ITU-T G.652.

La rete di distribuzione ottica rappresentata in figura 1 è totalmente passiva, ma possono essere concepite soluzioni che fanno uso di elementi attivi all’interno della rete di distribuzione ottica (es. amplificatori ottici) al fine di consentire la copertura di maggiori distanze, l’utilizzo di un minor numero di centri di commutazione e/o servire un numero più elevato di clienti (maggiore fattore di splitting). Tali soluzioni, talvolta denominate “SuperPON” o “Long-reach PON” sono state oggetto di studio in progetti di ricerca internazionali (es. progetti ACTS PLANET ed IST MUSE) e sono tuttora in fase sperimentale.

Come risulta evidente dall’esame della figura 1, il modello di rete presentato pu  essere applicato sia ad architetture di tipo FTTH (Fiber To The Home), nelle quali la singola ONT è dedicata al singolo cliente, sia ad architetture con un maggior grado di condivisione della terminazione ottica (ONU) quali FTTB (Fiber To The Building), FTTC (Fiber To The Curb) o FTTCab (Fiber To The Cabinet): è evidente che in questi due ultimi casi l’architettura di rete d’accesso potrà prevedere un parziale impiego di rete in rame, sfruttando così la capillarità di quest’ultima nel tratto terminale della rete e riducendo notevolmente la necessità di posa di nuova fibra. Per il drop su rame si possono utilizzare i sistemi trasmissivi ad alta velocità su rame della famiglia VDSL (Very high speed Digital Subscriber Loop), in particolare il VDSL2. Con queste soluzioni architetturali tuttavia si perde una delle proprietà essenziali delle soluzioni PON, cioè una rete puramente passiva tra apparato di rete e terminazione di utente. Tali differenti opzioni architetturali, oltre al diverso grado di condivisione degli apparati, presentano notevoli differenze in termini di requisiti funzionali e di implicazioni di esercizio. Le soluzioni FTTC e FTTCab, per esempio, richiedono l’installazione in ambiente esterno (strada) della terminazione di rete ottica (ONU): questo richiede la realizzazione di un adeguato armadio (Cabinet) in grado di soddisfare tutti i necessari requisiti di sicurezza, dissipazione termica e di alimentazione in grado di offrire la continuità dei servizi adeguata al servizio ed alle aspettative della clientela.

(1) Il massimo numero di terminazioni ottiche ONT o ONU collegabili ad una singola OLT è uno dei più importanti parametri caratteristici di una rete PON e prende il nome di “fattore di splitting” (valori tipici sono 1:16 / 1:32 / 1:64).

 

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FIGURA 1Struttura generale di una rete PON.

 

2. Accesso al mezzo condiviso

La soluzione tecnica di accesso al mezzo condiviso utilizzata dai sistemi PON è la TDM/TDMA (Time Division Multiplexing/Time Division Multiple Access), schematizzata in figura 2.

Nella direzione Downstream (rete-utente) la OLT genera un flusso continuo in TDM di pacchetti indirizzati alle diverse ONT in modo broadcast. Tutte le ONT ricevono quindi l’intero traffico Downstream, ma acquisiscono solo quello relativo al proprio identificativo. Benchè questo meccanismo sia sicuro per la privacy dei dati, in quanto “cablato” nella ONT, alcune tecnologie, come la GPON, consentono anche di criptare i dati in modo molto efficace con l’AES (Advanced Encryption System) a 128 bit. In assenza di traffico utile, la OLT genera traffico “Idle” per garantire la continuità trasmissiva e consentire alle ONU/ONT di estrarre il clock dai dati Downstream.

Nella direzione Upstream (utente-rete) sorge il problema di sincronizzare la trasmissione di tutte le ONT fra di loro, in modo da evitare che i segnali ottici inviati dalle terminazioni di rete, e combinati passivamente nella ODN, si sovrappongano tra loro in corrispondenza della OLT per effetto delle differenti lunghezze fisiche di ciascun percorso, delle variazioni della velocità di propagazione ottica a causa della temperatura e delle variazioni nel tempo delle caratteristiche dei componenti.

Questo problema viene risolto per mezzo della procedura di Ranging, con la quale la OLT:

  • calcola il tempo di ritardo effettivo verso/da ciascuna ONT (round trip delay);
  • comunica questa informazione alle varie ONT.

Le singole ONT a questo punto, prima di trasmettere il burst di informazione che compete loro, introducono un opportuno ritardo in modo tale da porsi “virtualmente” tutte alla medesima distanza dalla OLT (la massima consentita) indipendentemente dalla loro effettiva collocazione fisica. Questa operazione va ripetuta periodicamente per permettere l’installazione di nuove ONT, tramite l’apertura di una breve Silent Window che non ha impatto sul normale funzionamento della rete. Vengono inoltre compensate in modo dinamico (Dynamic Ranging) le eventuali variazioni nel tempo del ritardo di propagazione (dovuto per esempio alla variazione di lunghezza dei cavi con la temperatura). Le singole ONT a questo punto possono utilizzare un’opportuna porzione della banda disponibile nella direzione Upstream a loro assegnata dalla OLT per mezzo dei cosiddetti Grant. Tale assegnazione potrà essere “semirigida”, cioè assegnata in modo statico dal gestore di rete tramite il sistema di gestione, oppure “dinamica” cioè assegnata dalla OLT sulla base delle contingenti esigenze di banda espresse dalle ONT: in questo caso si parla di Dynamic Bandwidth Assignment (DBA).

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FIGURA 2Principio di funzionamento della tecnica TDM/TDMA.

L’insieme di questi meccanismi, che consentono un efficiente uso della banda Upstream e l’assenza di collisione dei pacchetti, è denominato MAC (Media Access Control).

Per minimizzare l’uso della fibra ottica, le soluzioni PON possono sfruttare la condivisione di un singolo portante per entrambi i versi di trasmissione, utilizzando le due “finestre” di trasmissione ottica a 1260-1360 nm nella direzione Upstream e 1480-1500 nm nella direzione Downstream. Questa soluzione richiede l’impiego di accoppiatori/disaccoppiatori WDM (Wavelength Division Multiplexer) che solitamente sono integrati negli apparati di rete. Grazie al progresso tecnologico, i più recenti sistemi PON possono accedere al portante fisico tramite un componente unico denominato Diplexer, in cui sono integrati il trasmettitore ottico, il ricevitore ottico e il filtro ottico WDM.

Nella direzione Downstream è possibile utilizzare una gamma di lunghezze d’onda da 1540 a 1565 nm, denominata Enhancement Band, per servizi video diffusivi con modulazione analogica (utilizzata negli USA) o digitale (allo studio in Europa). Gli estremi della Enhancement Band sono in fase di revisione per quanto riguarda gli apparati GPON, per consentire la condivisione della stessa rete in fibra con sistemi WDM di nuova generazione.

 

3. Funzionamento di base della GPON

La trasmissione dei dati nella GPON, sia in Downstream che in Upstream, è strutturata in Frame della durata di 125 µs, come indicato in figura 3. In ogni Frame Downstream il traffico dati è preceduto da tre campi informativi che servono rispettivamente per:

  • la sincronizzazione della trama Upstream (PSync);
  • la trasmissione di messaggi PLOAM (Physical Layer Operation Administration and Maintenance);
  • gestire l’accesso al mezzo condiviso in Upstream (Upstream Bandwidth Map).

Leggendo quest’ultimo campo le ONT capiscono se è stato loro assegnato un Grant per trasmettere, basato su un Alloc-Id (quello della ONT abilitata alla trasmissione) e l’istante di inizio e fine del burst da trasmettere, espresso in byte a partire dall’inizio del frame. Il campo Alloc-Id pu identificare una ONT, oppure un T-CONT (TrafficContainer). I T-CONT consentono di trasportare in modo efficiente diversi servizi, con diversa priorità:

  • Fixed Bandwidth;
  • Assured Bandwidth;
  • Non-assured Bandwidth; • Best Effort Banwidwidth.

Associare i Grant ai T-CONT consente di gestire al meglio la QoS (Quality of Service) nella GPON, in quanto la OLT pu  allocare più banda Upstream a quei T-CONT che hanno traffico a priorità più elevata in attesa. Questo meccanismo, denominato DBA, richiede l’uso di un algoritmo di scheduling che consenta di ottimizzare l’efficienza complessiva del sistema.

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FIGURA 3Controllo accesso al mezzo condiviso in una GPON.

 

4. Storia e confronto delle soluzioni PON

Un ruolo determinante nell’attività di standardizzazione dei sistemi PON è stato svolto senza dubbio dal consorzio FSAN (Full Service Access Network), nato nel 1995 su iniziativa di cinque centri di ricerca dei maggiori operatori di telecomunicazioni (in particolare TILAB, all’epoca CSELT). Ad oggi fanno parte di FSAN ben 15 operatori e 36 costruttori di apparati o chipset (http://www.fsanweb.org). Si devono a FSAN tutte le proposte di Raccomandazione relative ai sistemi PON basati su tecnica ATM (APON e BPON) e quelle che specificano i nuovi sistemi GPON (Gigabit PON), che gestiscono pacchetti di lunghezza variabile. Non essendo FSAN un ente di normativa ufficialmente riconosciuto ma un’iniziativa volontaria, le specifiche prodotte dal gruppo sono state presentate in ITU-T nel corso degli anni, e costituiscono oggi le Raccomandazioni della serie G.983 (APON/BPON) e G.984 (GPON).

Parallelamente all’attività del gruppo FSAN, nel novembre 2000 un gruppo di costruttori di apparati Ethernet decise di iniziare un’attività di standardizzazione in ambito IEEE, dando vita al gruppo di studio “Ethernet in the First Mile" (2) (EFM). L’obiettivo principale era quello di sviluppare uno standard basato sul ben noto e largamente usato (specialmente nelle LAN) protocollo trasmissivo Ethernet, anche nella rete di accesso.

L’architettura presa come riferimento fu anche in questo caso la PON. L’attività del gruppo EFM si è conclusa nel 2003 con la stesura dello Standard 802.3ah, che specifica gli apparati EPON (Ethernet PON).

La tabella 1 sintetizza le principali caratteristiche delle tre famiglie di sistemi PON, e mette in evidenza quelli che sono i punti di merito delle GPON rispetto alle altre tecnologie.

 (2): Il “First Mile”, cioè il primo miglio, è il tratto di rete di accesso che va dall’utente (ONT) alla centrale telefonica o comunque al punto di distribuzione dei servizi. Questo tratto di rete viene anche chiamato “Last Mile”, generando in effetti una certa ambiguità.

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TABELLA 1Principali caratteristiche delle famiglie di sistemi PON.

 

5. Punti di forza della GPON

I sistemi GPON offrono una banda Downstream estremamente elevata, sia perché la velocità di linea è più alta delle altre tecniche, per merito dell’estrema efficienza del livello fisico (tempi di guardia e preamboli ridotti), e del protocollo di incapsulamento GEM (Gpon Encapsulation Method).

Quest’ultimo consente di trasportare traffico ATM, Ethernet o TDM in modo nativo, confermando le doti di flessibilità delle GPON. Il protocollo GEM supporta anche la frammentazione dei pacchetti, in modo da riempire nel modo più efficiente il payload (sezione della trama con traffico utile). Il massimo fattore di splitting nelle GPON è 1:64 al livello fisico, ma la OLT è in grado di gestire 1:128 al livello MAC, in previsione dell’uso di amplificatori ottici in rete. Così pure la massima distanza tra OLT e ONU di 20 km è da intendere in modo differenziale, in quanto il livello MAC pu  gestire valori di round trip delay fino a 60 km (Long-reach PON).

L’elevato line rate può indurre, su lunghe distanze, un degrado delle prestazioni per effetto del Mode Partition Noise. L’introduzione del FEC (Forward Error Correction) consente di incrementare il power budget in modo significativo.

Infine, il meccanismo di Encryption usato dai sistemi GPON è il più sofisticato ad oggi disponibile, cioè l’AES (Advanced Encryption System) che in questo caso lavora in Counter Mode. L’encryption pu  essere applicata anche ad una singola connessione virtuale dedicata ad un singolo utente, come mostrato in figura 4.

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FIGURA 4Gestione dell’Encryption nella GPON.

 

 

ABBREVIAZIONI

AES        Advanced Encryption System

APON       ATM PON

BPON       Broadband PON

DBA       Dynamic Bandwidth Assignment

EPON       Ethernet PON

FEC        Forward Error Correction

FSAN      Full Service Access Network

FTTB       Fiber To The Building

FTTC       Fiber To The Curb

FTTCab   Fiber To The Cabinet

FTTH       Fiber To The Home

GEM       GPON Encapsulation Method

GPON       Gigabit PON

MAC        Media Access Control

ODN       Optical Distribution Network

OLT        Optical Line Termination

ONT-ONU   Optical Network Termination-Optical Network Unit

PON        Passive Optical Network

PLOAM  Physical Layer Operation Administration And

Maintenance

QoS         Quality of Service

T-CONT   Traffic-Container

TDM       Time Division Multiplexing

TDMA     Time Division Multiple Access

VDSL    Very high speed Digital Subscriber Loop

WDM     Wavelength Division Multiplexer