PRINCIPALI SFIDE E RETI WDM PON: Telecom Italia
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RETI WDM PON:
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
PRINCIPALI SFIDE
Tommaso Muciaccia, Sandro Pileri
127
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
N
egli ultimi anni sta crescendo l’interesse verso l’ottimizzazione delle prestazioni delle reti di
accesso ottiche e verso la minimizzazione dei CapEx e degli OpEx per la realizzazione, l’eser-
cizio e la manutenzione di queste nuove reti. Numerose soluzioni innovative sono in fase di
sperimentazione; grande seguito, in particolare, stanno ricevendo le proposte di reti basate
sulla WDM, pressoché universalmente riconosciuta come enabling technology per soddisfare i
requisiti di banda delle reti d’accesso di domani.
1 Introduzione
100 Gbps
10 Gbps peak beyond 2020
Trend emergenti come l’immersi- 10 Gbps
1 Gbps peak in 2014 ates
ve video (video panoramico navi- 1 Gbps eamR
Bit Rate Subscriber
Upstr
gabile dall’utente a 360°), l’ubiqui- 100 Mbps Pea
k
s
tous cloud computing, l’E-learning Rate
10 Mbps eam
interattivo, i servizi avanzati di te- ownstr
1 Mbps Peak D
lemedicina e teleassistenza, non- 10x growth per
10-100x
BW
rage US
ché la domanda crescente di ser- 100 kbps 5-6 years
10-100x Ave
vizi multimediali come video on 10 kbps
demand, High Quality video-con-
10 kbps
ference, next-generation 3D TV,
1985 1990 1995 2000 2010 2015 2020 2025
richiedono reti di accesso ottiche
ad alta capacità (maggiore talvol- (a)
ta di 100 Mb/s), come mostrato in
Figura 1a1, e bassa latenza. Si pen- Exabytes per mouth 23% CAGR 2012-2017
si ad esempio che la fruizione di 140
Web/Data (24,2% - 18,9%)
un singolo canale 4k UHDTV ri- File Sharing (15,7% - 8,1%)
chiede almeno 15 Mb/s. Tali reti, Managed IP Video (21,8% - 21,0%)
per di più, dovranno essere co- Internet VIdeo (38,3% - 52,0%)
struite nel rispetto di vincoli eco-
nomici ed ambientali più che mai 70
sfidanti per essere “faster, cheaper
and greener”, ovvero più veloci,
meno costose e più efficienti dal
punto di vista energetico. [1] 0
Un aspetto non trascurabile per 2012 2013 2014 2015 2016 2017
gli operatori di TLC è quello di (b)
Source: Cisco VNI 2013
pensare alle reti di accesso del fu- The percentage within parenthesis next to the legend denote the relative traffic shared in 2012 and 2017
turo ponendo molta attenzione a
preservare gli investimenti fatti Figura 1 - Evoluzione del bit rate richiesto in rete d’accesso (a); Previsioni di traffico Internet 2012-2017 (b)
1 Xing-Zhi Qiu, “Burst-mode Receiver Technology for Short Synchronization”, OFC 2013 Tutorial OW3G.4, 2013.
128
fino ad oggi o che sono stati previ- contro i 2.5 Gb/s DS – 1.25 Gb/s fornitori e comunità scientifica si
sti e approvati per la realizzazioni US, distanza superiore ai 20 km stanno confrontando con un am-
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
di soluzioni FTTx nel breve termi- e fattore di splitting maggiore di pio ventaglio di proposte e solu-
ne. Infatti, poiché la realizzazione 1:64 (1:128 o superiore). zioni, più o meno attuabili in un
delle reti di accesso ottiche (ODN) Secondo quanto stabilito dal contesto operativo. Il principio di
rappresenta il capitolo di spesa gruppo FSAN, con la NG-PON2 si funzionamento di un link WDM
più rilevante (in una soluzione intese iniziare una fase esplorati- è semplicissimo: a ciascun flusso
FTTH greenfield costituisce circa va sull’utilizzo di nuove soluzio- di informazioni viene assegnata
il 70-75% dell’investimento totale ni per aumentare ulteriormente una lunghezza d’onda in modo da
a fronte di circa il 20% per il costo la capacità delle reti di accesso consentire il multiplexing di più
degli apparati), è fondamentale e per risolvere le problematiche segnali (più flussi di informazio-
prevedere, per quanto più è possi- incontrate nella G-PON e nella ni) su un unico mezzo trasmissi-
bile, il riutilizzo della ODN per le XG-PON. Tale esplorazione ha vo. Banalizzando si potrebbe pen-
reti di accesso del futuro. condotto inevitabilmente a solu- sare ad un colore (una lunghezza
Nella roadmap tracciata dal grup- zioni che utilizzano la tecnologia d’onda) che identifichi ciascun
po FSAN (Full Service Access Net- WDM, con i necessari adatta- segnale rendendolo, in qualsiasi
work), costituito dai principali menti per le reti PON, congiun- punto del collegamento, distin-
operatori di TLC e fornitori di si- tamente alla tecnologia TDM [3]. guibile dagli altri e quindi selezio-
stemi, per l’evoluzione delle reti Con il presente articolo si vuole, nabile. Nel caso specifico di una
di accesso fisse sono individuabili invece, illustrare lo stato dell’arte rete WDM PON, una lunghezza
due fasi, denominate rispettiva- e le principali sfide implementati- d’onda, o più comunemente un
mente NG-PON1 ed NG-PON2. ve per la realizzazione delle reti di paio di lunghezze d’onda (uno per
In entrambe le fasi viene posta accesso WDM PON , ovvero basa- il flusso in downstream e l’altro
l’attenzione sul riutilizzo della te esclusivamente sulla tecnologia per il flusso in upstream), vengo-
ODN esistente, in accordo con WDM. no assegnate a ciascun utente.
quanto suddetto. [2] È come se a ciascuno di essi venisse
Fondamentalmente le soluzio- fornito un collegamento dedicato
ni NG-PON1 ereditano parecchi in fibra ottica dandogli, invece, un
aspetti tecnologici delle soluzioni
PON precedenti. In particolare,
2 Il perché della convergenza verso
soluzioni basate su WDM segnale ottico ad una determina-
ta lunghezza d’onda, diversa da
FSAN ha individuato una soluzio- La tecnologia WDM non è di per quelle assegnate ad altri utenti.
ne denominata XG-PON (la ‘X’ in- sé una proposta innovativa essen- In altri termini, a ciascun utente
dica il numero romano ‘10’ perché do già da tempo impiegata per le viene fornito un link ottico punto-
il bit rate in downstream è di 10 reti trasmissive a lunga distanza punto con il CO. Definita in que-
Gb/s) già standardizzata dall’ITU- (backbone networks) ed anche per sto semplice modo una rete WDM
T nelle raccomandazioni G.987, le reti di aggregazione e trasporto PON, appaiono immediatamente
G.987.1÷4. La XG-PON è stata metropolitane (Metro-Access net- evidenti alcuni vantaggi che que-
definita per funzionare sulla stes- works), in sostituzione dei tradi- sta tipologia di rete d’accesso per-
sa ODN utilizzata per la soluzione zionali sistemi SDH, aumentando mette di ottenere:
NGAN in tecnologia G-PON (so- la capacità dei collegamenti ed servizi simmetrici a banda de-
luzione oggi adottata da Telecom estendendo le tratte percorribili dicata;
Italia per la FTTH), cioè la stessa senza necessità di rigenerazione QoS garantita;
architettura, lo stesso tipo di fibra elettro-ottica 3R (Reshaping, Re- privacy/security del collega-
ottica e gli stessi splitter; come la timing e Retransmitting) del se- mento.
G-PON, anche la XG-PON impie- gnale. [4] È altrettanto intuibile che una so-
ga ancora la tecnica TDM per il Costituisce tuttora un hot topic luzione di questo tipo si prestereb-
downstream (DS) e quella TDMA di ricerca e di sperimentazione, be a soddisfare i vincoli regolatori
per l’upstream (US), ma con capa- invece, l’applicazione esclusi- meglio delle tecnologie oggi in uso,
cità, gittata e numero di utenti su- va della WDM alle reti PON che semplificando notevolmente la
periori rispetto a G-PON: rispetti- presenta ancora questioni aperte gestione dell’unbundling verso gli
vamente 10 Gb/s DS-2.5 Gb/s US sulle quali operatori telefonici, OLO nell’ottica dell’equivalence of
129
input che costituisce un requisito che saranno descritti brevemente sti componenti nelle reti di accesso
indispensabile per le reti d’accesso. nel seguito. Tra i numerosi van- del futuro a medio-lungo termine
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
Sarebbe ipotizzabile, a tal proposi- taggi della fotonica del silicio non a fungere da driver per definire la
to, l’assegnazione di un pacchetto è da sottovalutare la possibilità di qualità delle prestazioni necessa-
di canali WDM, ovvero di lunghez- realizzare circuiti fotonici integra- rie e, di conseguenza, la comples-
ze d’onda, all’operatore che intenda ti (PIC), come mostrato in Figura sità ed il costo dei processi di fab-
utilizzare determinati collegamenti 2, che consentiranno l’integrazio- bricazione dei dispositivi. [5]
della rete, consentendo il mante- ne monolitica, su un unico chip, Un aspetto da non sottovaluta-
nimento di una completa indipen- di tutte le funzionalità necessarie re nell'implementazione delle
denza operativa con interfacce fisi- ad un transceiver nell’OLT, ovvero WDM PON sono i consumi ener-
camente separate. trasmissione, ricezione, modula- getici in centrale3, è fondamen-
È lecito chiedersi le ragioni per zione e demodulazione, con tec- tale considerare che le soluzioni
cui il modello WDM PON, così niche di fabbricazione supportate tradizionali TDM, ma anche la
semplice ed efficace, abbia incon- dagli standard dei processi CMOS TWDM, necessitano di un nume-
trato sinora difficoltà nell’essere (la tecnologia alla base della pro- ro inferiore di transceiver presso
implementato dagli operatori di duzione dei diffusissimi circuiti l’OLT e quindi sembrerebbero
telecomunicazioni. La ragione elettronici integrati), garantendo molto più vantaggiose rispetto a
principale risiede per lo più nei un alto grado di affidabilità e costi soluzioni WDM ‘pure’. In un’ot-
notevoli costi finora richiesti da relativamente bassi. L’approccio tica evolutiva a lungo termine,
componenti e sistemi ottici pre- alternativo all’integrazione mono- tuttavia, è opportuno effettuare il
senti in queste reti che necessitano litica sarebbe quello dell’integra- confronto considerando di forni-
di processi di fabbricazione più so- zione ibrida in cui le sezioni attive re a ciascun utente un bit rate di
fisticati e meno consolidati rispet- sono realizzate con le leghe III-V almeno 1 Gb/s, e ciò attenua for-
to a quelli necessari per produrre (p.e. GaAs e InP) e quelle passive temente, fin quasi ad annullare, il
dispositivi elettronici ed optoelet- in silicio ed ossido di silicio, tra- vantaggio di soluzioni TDM PON
tronici oggi impiegati nei sistemi endo vantaggio dalle potenzialità rispetto a quelle WDM PON. In-
in esercizio. La maturità tecnolo- di entrambe le classi di materiali. fatti, come per le reti PON attual-
gica raggiunta negli ultimi anni Entrambi gli approcci costruttivi mente implementate da Telecom
dalla fotonica e, in particolare, i presentano tutt’oggi sfide aperte Italia, una WDM PON resta ri-
progressi compiuti dalla Silicon per i costruttori, in particolare la gorosamente passiva, ovvero non
Photonics (la fotonica del silicio) realizzazione di sorgenti in silicio prevede la presenza di conversio-
renderanno, tuttavia, economica- ed il packaging, l’allineamento dei ne elettro-ottica in alcun punto
mente sempre più vantaggiosi la diversi componenti e l’efficienza intermedio della ODN; per di più,
produzione e l’impiego su ampia dell’accoppiamento di guide d’on- in una WDM PON non è previ-
scala di componenti ottici come da sub-micrometriche con le fibre sto l’utilizzo di uno splitter ottico
sorgenti laser WDM, modulato- ottiche. Tuttavia saranno proprio passivo nel quale la potenza ottica
ri elettro-ottici ed altri dispositivi le particolari specifiche tecniche relativa al segnale in downstream
utilizzabili nelle reti WDM PON richieste dall’applicazione di que- viene ripartita tra i diversi rami
Figura 2 - Esempio di circuito fotonico integrato in silicio2
2 B. Charbonnier, Sylvie Menezo, P. O’Brien, Aurélien Lebreton, J. M. Fedeli, B. Ben Bakir, “Silicon Photonics for Next Generation
FDM/FDMA PON”, IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, Vol. 4, 2012.
3 L’impatto delle reti di nuova generazione sull’ambiente è da tempo un imperativo indifferibile, non solo per limitare le emissioni di
CO2, ma anche per contenere gli OpEx, tenendo conto che l’energia elettrica consumata annualmente dagli incumbent è ingente
(Telecom Italia è tra i primi utenti nazionali per consumo annuo di energia elettrica). [6]130
di uscita relativi a ciascun utente, impiegato nella soluzione FTTH traffico intermittente o a burst e
evitando quindi la conseguente di Telecom Italia. Le reti TDM che quindi possono essere statisti-
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
inefficienza energetica (uno split- PON sono certamente la soluzio- camente multiplate tra loro senza
ter 1:n ha una perdita di splitting ne meno articolata da implemen- che l’utente di fatto percepisca un
pari a 3log2 n dB ). Si deve inoltre tare secondo una valutazione tec- significato degrado della qualità.
considerare la penalità del budget nico-economica a breve termine, Oggi, però, i contenuti video e
di potenza per dispersione croma- permettendo di limitare i CapEx multimediali stanno rapidamente
tica, che è tanto maggiore quanto soprattutto nella fase di avvio del- diventando la tipologia di traffico
più alta è la frequenza di cifra del la realizzazione di una nuova so- principale sia per percentuale di
segnale trasmesso sulla fibra e la luzione NG-PON. tempi di uso che di traffico, come
distanza cliente-CO4. Ma la po- In una rete ottica che utilizzi la dimostrato dalle previsioni ri-
tenza di trasmissione dei segnali tecnica TDM a ciascun utente è portate in Figura 1b5. I contenuti
è solo uno degli aspetti che inci- assegnato un time slot per ricevere multimediali non solo richiedono
dono sui consumi. Un ulteriore e un time slot per trasmettere uti- un’ampia larghezza di banda ma,
risparmio energetico complessivo lizzando una portante ottica (una per di più, non possono essere
sarà presumibilmente ottenibile “lambda”), generalmente in terza statisticamente multiplati, pena
considerando anche i dispositi- finestra ottica per il downstream un forte degrado della qualità del
vi presenti nelle ONU di ciascun ed in seconda finestra per l’upstre- servizio, in quanto prevedono una
utente che stanno evolvendo se- am. La gestione dell’assegnazione fruizione continua e quindi un
condo la filosofia del progetto di dei time slot per la trasmissione data stream che saturerebbe facil-
ricerca europeo C3PO (Colourless in upstream utilizza algoritmi di mente la capacità delle attuali reti
and coolerless components for low ranging e di assegnazione dinami- TDM PON6. Non va assolutamen-
power optical networks). [7] ca della banda (DBA) per evitare te trascurata, d’altronde, anche la
la collisione dei pacchetti e per ga- necessaria concentrazione che la
rantire nel contempo i parametri OLT deve operare sull’interfaccia
di banda contrattualizzati con il di uplink che potrebbe diventare
3 Multiplexing, modulazione e codifica
cliente. [8]
Il limite principale di questa tipo-
il collo di bottiglia, se non oppor-
tunamente dimensionata.
logia di rete è la limitata scalabi- Una possibilità per rendere sca-
Le reti PON, com’è noto, sono lità, ovvero la ridotta capacità di labili le reti TDM PON è quella
reti con un’architettura ad albero consentire un upgrade del sistema di suddividere un singolo albero
P2MP in cui non è presente nella per adeguarlo alle future necessi- PON in più alberi PON (riducen-
ODN alcun dispositivo attivo che tà legate sia a mutate tipologie di do contestualmente il fattore di
abbia funzioni di switching a livel- traffico che a crescenti esigenze di splitting) in modo che ognuno di
lo MAC. Ciò implica che tutte le banda. Al momento la condivisio- questi serva un numero inferiore
tipologie di reti PON necessitino ne della banda tra diversi utenti di di clienti e ciascun utente abbia a
di tecniche di multiplexing, per una rete TDM PON, infatti, non disposizione più banda; un’altra
combinare a livello fisico tutti i influenza significativamente le possibilità è quella di incremen-
segnali in downstream, e allo stes- prestazioni percepite dagli utenti tare il bit rate (come per esempio
so modo di tecniche di accesso finali. Questo accade perché, fino nella XG-PON). Entrambe queste
multiplo per combinare i segnali ad ora, l’utilizzo della rete è av- soluzioni, tuttavia, non sono cost-
in upstream. venuto prevalentemente a burst, effective e facilmente scalabili per
Come si è già detto, il focus di ovvero con richieste significative un futuro ulteriore e significati-
questo lavoro è l’innovativo (per di banda circoscritte in un bre- vo incremento della domanda di
le reti di accesso) multiplexing a ve arco temporale; azioni come banda: l’aumento del bit rate in
divisione di lunghezza d’onda; il browsing mediante HTTP, lo downstream, per esempio, mette-
l’alternativa oggi enormemente scambio di mail su SMTP, il file- rebbe a dura prova, oltre le attuali
più diffusa e convenzionale è rap- sharing con il Peer-to-Peer o il tra- possibilità, l’elettronica presente
presentata dalla TDM che è alla sferimento di dati basato su FTP nelle ONU che operano al bit rate
base anche dello standard G-PON sono tutte attività che generano operativo di sistema, molto più
4 In uno scenario a lungo termine, soluzioni quali la TWDM e WDM saranno presumibilmente utilizzate anche per la cosiddetta CO
consolidation, ovvero per concentrare gli apparati di terminazione (OLT) in centrali più lontane rispetto a quelle dove ora afferisco-
no i clienti finali, riducendo in tal modo il numero complessivo di centrali ma aumentando sensibilmente la distanza media cliente-
CO.
5 http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/VNI_Hyperconnectivity_WP.html
6 Nella soluzione FTTH G-PON di Telecom Italia, ciascuno dei 64 utenti dell’albero G-PON potrebbe disporre di una banda lorda di
circa 39 Mb/s se tutti fossero contemporaneamente attivi.131
alto rispetto al bit rate effettivo di di multiplexing che è opportuno È possibile e, per certi versi, au-
ciascun utente7. citare, sebbene si tratti di soluzio- spicabile il ricorso ad approcci
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
Un ulteriore aspetto delle TDM ni proposte per le reti d’accesso ibridi che sfruttino al meglio le
PON, inoltre, è rappresentato PON tuttora a livello embrionale, potenzialità delle diverse tecniche
dal fatto che, stabilito il numero ovvero: di multiplexing succitate. Un ap-
di utenti serviti da ciascun albero OCDM (Optical Code Division proccio ibrido tra TDM e WDM,
PON, le perdite di potenze per gli Multiplexing); per esempio è quanto mai oppor-
splitter passivi sono fisse e questo OFDM (Orthogonal Frequency tuno per favorire un’introduzione
limita fortemente il power budget Division Multiplexing); graduale e cost-effective dei com-
a disposizione per i vari collega- PDM (Polarization Division ponenti WDM sulle reti in fibra
menti. In un albero G-PON con Multiplexing); ottica attualmente presenti.
fattore di splitting 1:64 si ha una SDM (Space Division Multiple- A prescindere dalla tecnica di
perdita dovuta al solo splitting xing). multiplexing adottata, le reti d’ac-
pari a 18 dB, mentre nel caso di La tecnica OCDM è mutuata dal- cesso stanno evolvendo anche dal
1:128 sarebbe di 21 dB. le tecnologie radiomobili (la mul- punto di vista delle tecniche di
Queste considerazioni rendono tiplazione a divisione di codice modulazione, ovvero delle mo-
evidente il perché, in definitiva, è alla base anche degli standard dalità in cui l’informazione asso-
la TDM PON non rappresenti una UMTS ed LTE) e rappresenterebbe ciata a ciascun data stream è “im-
tecnologia future proof che potrà una valida alternativa alle WDM pressa” sul segnale ottico relativo
soddisfare, a lungo termine, la do- PON, soprattutto perché si tratta a ciascuno dei canali multiplati
manda di banda e il traffico multi- di una tecnica soft-limited, in cui tra loro. La tecnica adottata con-
mediale via via crescenti. [1] il numero di utenti può essere no- venzionalmente, la IM-DD basata
D’altro canto, una WDM PON tevolmente incrementato con l’ac- su OOK (On-Off Keying), infatti,
permetterebbe a ciascun utente di cortezza, però, di tenere sotto con- non consente un incremento del
avere una banda dedicata su un’in- trollo la Multi-Access Interference. bit rate non solo per l’aumento di
frastruttura condivisa e sarebbe L’OFDM, anch’essa diffusissima complessità dei transceiver e per
pertanto scalabile in modo concet- in ambito radio e nel DVB, è in li- la comparsa di effetti indesiderati
tualmente semplice: per aumenta- nea teorica la tecnica di multiple- come il chirping, ma anche e so-
re il numero di utenti serviti da un xing con più alte prestazioni (po- prattutto a causa di un contesto in
albero PON, per esempio, sarebbe trebbe garantire fino a 100 Gb/s/ cui, come nel caso delle UDWDM
sufficiente infittire la griglia delle ch) grazie all’elevata efficienza PON, la larghezza di banda dispo-
portanti WDM, passando a solu- spettrale (bit/s per Hz di banda nibile per ciascun canale è forte-
zioni DWDM o UDWDM, peral- del canale trasmissivo) ottenuta mente ridimensionata. Si rende
tro già dimostrate nella letteratura tramite la sovrapposizione delle necessaria, quindi, l’adozione di
scientifica (vedi box di approfon- sottobande, ma presenta criticità tecniche di modulazione avanza-
dimento). Un altro potenziale van- implementative a causa dell’ele- te, ovvero di soluzioni multilivello
taggio delle reti WDM PON è co- vata complessità dei ricevitori che da tempo applicate su altri mezzi
stituito dalla possibilità offerta da richiederebbero evoluti e molto trasmissivi, in cui a ciascun sim-
questa tecnologia di effettuare un veloci DSP ed FPGA. bolo trasmesso sulla fibra ottica
merge, tra le reti d’accesso e le reti Soluzioni alternative ancor meno siano associati più bit, miglioran-
metro utilizzando, per queste ulti- convenzionali sono rappresentate do quindi l’efficienza spettrale.
me, architetture ad anello che pre- dalla PDM che utilizza contempo- L’approccio più intuitivo e cost-
vedano ROADM per il wavelength raneamente entrambe le polarizza- effective è il ricorso a tecniche
routing. Ciò permetterebbe la re- zioni ortogonali che si propagano multilivello di ampiezza M-ASK
alizzazione di una rete integrata lungo una fibra, e dalla SDM, che (M-ary Amplitude Shift Keying),
accesso-aggregazione-trasporto comprende l’utilizzo di più fibre in cui a ciascuno degli M livelli
all-optical altamente flessibile, ri- affasciate (soluzione banale ma co- di ampiezza discreti previsti sono
configurabile, dinamica e con bas- stosa), di fibre particolari multi-co- associati log2M bit, consentendo
si OpEx. [9] re o dei diversi modi di propagazio- un proporzionale incremento del
Oltre alla TDM e alla WDM citate ne presenti nelle fibre multimodali bit rate. Si tratta della naturale
finora, esistono ulteriori tecniche (Mode Division Multiplexing). estensione della OOK che può es-
7 Nell’offerta commerciale FTTH G-PON di Telecom Italia, per esempio, le ONT lavorano in downstream a 2,5 Gb/s per una banda
massima di 100 Mb/s per utente.132
Gli standard WDM e le soluzioni UDWDM
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
Le reti WDM PON, nonostante l’ampia sola terza finestra, con una spaziatura un’alternanza tra canali upstream e
eco che stanno ricevendo nel mondo tra i canali rispettivamente di 100 GHz, downstream denominata Paired Chan-
della ricerca e le prime sperimentazioni 50 GHz, 25 GHz o 12.5 GHz. È evidente nel Technology™. [3] Indipendentemen-
in contesti operativi, ad oggi non sono che l’infittimento della griglia delle por- te dalla griglia di riferimento, la WDM,
ancora state oggetto di definizione di tanti è orientato ad un’ottimizzazione all’interno dello stack ISO/OSI, rappre-
standard da parte degli organismi inter- dell’utilizzo dell’intera banda disponibile senta un sottostrato fisico al Livello 1
nazionali di normazione. D’altra parte sulla fibra ottica, aumentando il numero completamente trasparente rispetto ai
sistemi WDM tout court sono stati da dei canali, ma comporta specifiche mol- protocolli di livello superiore
tempo standardizzati dalla ITU-T. to più vincolanti per i componenti ottici,
Lo standard CWDM, ovvero la WDM sia passivi che attivi. [1] ITU-T Recommendation T-REC
“a grana grossa”, definito nella ITU-T Sono attualmente in fase di studio e G.694.2 – 12/2003, “Spectral
G.694.2 [1], prevede fino ad un massi- sperimentazione anche reti UDWDM grids for WDM applications:
mo di 18 portanti ottiche ampiamente con spacing tra i canali di 6.25 GHz e CWDM wavelength grid”.
spaziate tra loro (spacing di m) su una 3.125 GHz e notevole incremento del [2] ITU-T Recommendation T-REC
banda ottica complessiva molto estesa, numero di canali disponibili. Una del- G.694.1 – 02/2012, “Spectral
dalla seconda alla terza finestra. Nello le migliori prestazioni raggiunte sino- grids for WDM applications:
standard DWDM (Dense WDM), ovve- ra è rappresentata dalle reti UDWMD DWDM frequency grid”.
ro la WDM “a grana fine”, definito nella PON di Nokia Siemens Networks che, [3] Nokia Siemens Networks, “Future
ITU-T G.694.1 [2], si possono imple- come mostrato in Figura A, prevedono optical connectivity”, Technical
mentare 40, 80, 160 o 320 portanti nella una spaziatura di appena 2.8 GHz con White Paper, 2012.
Figura A - UDWDM channel plan di Nokia Siemens Networks
(Reference for all frequencies) Occupied bandwidth/channel
OLT local (minimum spacing)
Back reflections oscillator
4 3
9up 7up 5up 3up 1up 2up 4up 6up 8up 10up
Upstream
(ONU -> OLT)
Downstream
(OLT -> ONU)
9down 7down 5down 3down 1down 2down 4down 6down 8down 10down
ONU local
3 oscillators
4
Odd channels Even channels
sere considerata, a tutti gli effetti, con buone prestazioni in termini (M-ary Phase Shift Keying), op-
una 2-ASK. Per la demodulazione di linearità e range dinamico. So- pure contestualmente sia all’am-
di un segnale siffatto sarebbe suf- luzioni più complesse prevedo- piezza che alla fase M-APSK
ficiente un rilevatore ad invilup- no, invece, la discriminazione dei (M-ary Amplitude and Phase Shift
po, ovvero un semplice fotodiodo simboli in base alla fase M-PSK Keying), tipicamente secondo co-133
stellazioni rettangolari o ad anelli
concentrici nel piano complesso Power = 10dBm & Bit rate = 2,5 Gb/s
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
(Figura 3). In questi ultimi casi, le 180
(a)
prestazioni certamente più spinte 160
sono in trade-off con ricevitori più 140
complessi di tipo coherent o self-
coherent, che comunque richie- 120
Q factor (dB)
dono la presenza di un 90° hybrid 100
(un dispositivo ottico passivo, 80
costituito tipicamente da accop-
60
piatori direzionali e ritardatori di
fase) e di fotodiodi addizionali: 40
ad oggi si tratta di soluzioni non 20
facilmente implementabili su am-
0
pia scala (in un contesto com’è 10 20 30 40 50 60 70 80 90
quello delle reti di accesso), quan- Length (kms)
to piuttosto nei transceiver delle CSRZ
DRZ
reti a lunga distanza. [10] Sono
MDRZ
state proposte, ma per ora stanno Power = 15dBm & Bit rate = 2,5 Gb/s
ricevendo scarso consenso, anche 150
modulazioni di frequenza FSK (b)
(Frequency Shift Keying) e di po-
larizzazione PolSK (Polarization
Q factor (dB)
Shift Keying). 100
Ulteriori innovazioni sono state
proposte in merito alle tecniche di
codifica di linea che sono relative
al modo in cui i dati binari di cia- 50
scun data stream sono trasmessi
per migliorare l’efficienza del siste-
ma in termini di potenza trasmes-
sa o di sagomatura spettrale, o per 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
incrementare l’immunità al rumo- Length (kms)
re o al jitter. Accanto alle tecniche
di codifica più consolidate, ovve- Figura 4 - Fattore di Qualità vs Lunghezza per CSRZ, DRZ e MDRZ encoding con potenza trasmessa di 10 dBm (a)
e 15 dBm (b) [11]
ro la NRZ (Non-Return to Zero) e
Figura 3 - Esempi di costellazioni per modulazioni 8-PSK (a) e 16-APSK (b) e di un diagramma ad occhio per 4-ASK (c) [10]134
la RZ (Return-to-Zero), sono state scun utente (un cliente consu- generalmente equipaggiati con
proposte tecniche come la codifica mer, business o un eNodeB); un elementi refrigeratori (TEC) ne-
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
IRZ (Inverse RZ) che risulta parti- multiplexer/demultiplexer WDM cessari per compensare una de-
colarmente idonea nel caso in cui, (AWG) è inserito in centrale e nel riva intrinseca della lunghez-
come si illustrerà successivamente, nodo remoto (RN) per separare e za d’onda di emissione di circa
il transceiver presente nell’ONU ricombinare i diversi segnali con 0.1 nm/°C. Per ragioni di costo,
abbia necessità di rimodulare e differenti lunghezze d’onda da e tuttavia, risulterebbero più conve-
trasmettere in upstream il segna- verso gli utenti finali. È da pre- nienti i laser a cavità verticale (VC-
le ricevuto in downstream. Tecni- mettere che i componenti utiliz- SEL), se non fosse che attualmen-
che come il DRZ (duobinary RZ), zabili nelle reti WDM PON sono te sono ancora in fase embrionale
il CSRZ (Carrier Suppressed RZ) tutt’oggi oggetto di studio e di ri- per la lunghezza d’onda di 1550
ed il MDRZ (Modified Duobinary cerca e numerose sono ancora le nm, a causa delle proprietà otti-
RZ), permettono di migliorare la sfide da affrontare. che e termiche non eccellenti dei
resilienza delle reti UDWDM PON La disponibilità di sorgenti WDM materiali che li costituiscono. [1]
nei confronti di effetti indesiderati affidabili e a basso costo è indi- L’aumento dei bit rate richiesti
quali la dispersione, la non linea- spensabile per la realizzazione alle reti WDM PON (superiore ai
rità, lo scattering, ecc..., in termi- delle future reti WDM PON. Nel- 2.5 Gb/s), nonché l’opportunità
ni di un migliore fattore di qualità le reti TDM PON tradizionali, di adottare le già citate tecniche
(figura di merito legata funzional- sia lato OLT che lato ONU, tipi- di modulazioni avanzate, renderà
mente alla probabilità di errore) camente sono utilizzati laser a necessario il ricorso alla modu-
come mostrato in Figura 4. [11] semiconduttore convenzionali, lazione esterna: il fenomeno del
tipicamente di tipo Fabry-Peròt. chirping associato alla modula-
In una rete WDM è necessario di- zione diretta limiterebbe notevol-
sporre, invece, di sorgenti ad ele- mente la lunghezza di tratta. Per
4 Architettura di una rete WDM PON e
principali componenti vata stabilità in lunghezza d’onda
(questo è un requisito ancora più
velocità di modulazione superiori
ai 10 Gb/s è necessario modula-
La Figura 58 mostra schematica- stringente per le reti DWDM e re la portante ottica emessa dalla
mente l’architettura di una rete UDWDM). Per tale motivo si pre- sorgente laser mediante un modu-
WDM PON: i trasmettitori sinto- ferisce utilizzare laser DFB, dotati latore esterno ad elevato extintion
nizzati a diverse lunghezze d’onda di ottime proprietà di modulazio- ratio9, a banda larga e con basse
sono presenti sia lato OLT, presso ne high speed grazie alla ridotta perdite di inserzione, tipicamente
il CO, che lato ONU, presso cia- larghezza spettrale (pochi MHz), di tipo MZI o EAM. [1]
Figura 5 - Architettura semplificata di una rete d’accesso WDM PON
OLT ONUs
WDM TRx array Colorless ONUs
Residential/SOHO
λ1 RN λ1 FTTH/C
AWG AWG
Business
FTTOffice
λ32 λ32
US DS eNodeB
Mobile
λ backhaul
8 http://www.ecoc2010.org/contents/attached/c20/WS_5_Cheng.pdf (Huawei)
9 Rapporto tra il livello di potenza ottica associato al bit ‘1’ e quello associato al bit ‘0’. Più alto è il valore di tale parametro, minore è
la potenza ottica media necessaria per avere un determinato BER.135
Per quanto riguarda le fibre otti- La funzione di multiplexer/de- più interessanti di questo dispo-
che impiegabili per le reti WDM multiplexer è svolta da un AWG, sitivo sono le basse perdite di in-
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
PON, sarebbe particolarmente in- un dispositivo ottico passivo co- serzione, indipendentemente dal
dicato l’utilizzo di fibre LWP, come stituito, in generale, da M ingres- numero di porte (a differenza de-
quelle definite dagli standard si, N uscite e due accoppiatori a gli splitter presenti nelle reti TDM
ITU-T G.652 di categoria C e D (le stella planari collegati da K guide PON), e la già citata reciprocità
cosiddette dry fibers), che presen- d’onda (vedere riquadro). Se un anche in intervalli distanti di lun-
tano un picco di assorbimento a segnale WDM in downstream in- ghezze d’onda (come tipicamente
1390 nm, dovuto alla presenza di cide su una porta di ingresso, esso avviene nelle WDM PON).
ioni ossidrili, fortemente attenua- risulterà separato nelle sue diver- Una delle sfide aperte per l’uso
to, consentendo uno sfruttamen- se componenti cromatiche alle degli AWG nelle reti WDM PON
to dell’intera banda da 1300 nm a diverse porte di uscita (Figura Ba è la deriva termica delle lunghez-
1650 nm e la copertura con conti- nel riquadro); il comportamento ze d’onda relative alle sue porte
nuità dell’intervallo dalla seconda esattamente reciproco si verifi- (dell’ordine di 0.01 nm/°C): ciò
alla terza finestra. cherà in upstream. Le proprietà può implicare un disallineamento
Gli Arrayed Waveguide Grating (AWG)
Gli Arrayed Waveguide Grating sono de (3). Ciascuna guida rispetto a quella gresso. Nella direzione opposta avvie-
componenti ottici passivi fondamentali adiacente differisce di una lunghezza ne assolutamente il contrario, nel sen-
per la realizzazione di soluzioni PON costante pari a ΔL. Ciò introduce uno so che i vari segnali ‘colorati’ entranti in
basate su WDM. Come mostrato nella sfasamento del segnale tra una guida ciascuna delle fibre (5) si ritrovano mul-
Figura B nel caso di un AWG 1:N, essi e quella adiacente anch’essa costante tiplati nella fibra (1). La tipica funzione
hanno una struttura le cui parti essen- e proporzionale a ΔL. Il segnale di una di trasferimento di un AWG è quella
ziali sono: generica guida viene quindi inviato tra- della figura seguente. Come si vede, lo
una o più fibre ottiche in ingresso (1) mite l’accoppiatore (4) su tutte le fibre spettro mostra una ciclicità, denomina-
due accoppiatori ottici planari (2) e (4) in uscita. Qui le varie componenti del ta FSR (Free Spectral Range) che può
M guide d’onda aventi lunghezze dif- segnale si ricombinano distruttivamen- essere opportunamente sfruttata per
ferenti (3) te o costruttivamente con quelle dei se- multiplare al suo interno un numero N
N fibre ottiche in uscita (5) gnali provenienti dalle altre guide d’on- di canali di ampiezza ΔLqualora si sod-
Il segnale proveniente dalla fibra ottica da permettendo quindi di avere sulla disfi la seguente relazione:
di ingresso (1) viene diffratto dall’ac- singola fibra ottica in uscita una sola FSR = N • ΔL
coppiatore (2) ed entra nell’array di gui- componente del segnale WDM in in-
Figura B - Struttura (a) e funzione di trasferimento (b) di un AWG136
tra le porte dell’AWG presente in lunghezza d’onda di emissione al risonanti, permettendo ad un solo
CO e di quello localizzato nel RN, variare della temperatura e che modo (quello alla stessa lunghez-
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
esposti a diverse condizioni am- quindi dovrebbero essere termo- za d’onda del seed) di sopravvive-
bientali. Un possibile approccio controllati. re alla mode competition soppri-
per garantire la consistenza real- Svariati possibili approcci per im- mendo così gli altri modi.
time tra le lunghezze d’onda pre- plementare colourless e coolerless La soluzione colourless e coolerless
vede l’utilizzo di AWG atermici. ONU sono stati dimostrati, tra i che riscuote più ampio consenso è
Questi fanno uso di guide d’onda quali i più importanti prevedono tuttavia quella che non prevede la
realizzate in materiali con coef- l’utilizzo di SS-BLS (Spectral Sliced presenza di alcuna sorgente ottica
ficiente termo-ottico negativo o Broadband Light Sources), di IL FP nell’ONU e l’uso di CLS (Centra-
di una compensazione ottenuta (Injection-Locked Fabry-Perot La- lized Light Sources) presso l’OLT:
controllando meccanicamente le sers), oppure di RSOA (Reflective come mostrato in Figura 6c8, la
parti che compongono il disposi- SOA). La caratteristica comune a griglia di portanti ottiche per i se-
tivo. [12] questi approcci consiste nel fatto gnali in upstream verrebbe genera-
che la lunghezza d’onda di emis- ta al CO (per esempio con una SS-
sione delle sorgenti presenti nelle BLS localizzata nell’OLT), inviata
ONU non è determinata dal mez- verso l’ONU, modulata all’interno
5 Principali sfide tecnologiche
zo attivo delle sorgenti stesse, ben-
sì da fattori esterni come filtri ot-
dell’ONU stessa e ritrasmessa ver-
so l’OLT, dopo un’eventuale ope-
L’implementazione di sorgenti la- tici o segnali iniettati (‘seeded’), in razione di amplificazione ottica.
ser cost-effective nelle ONU rap- modo tale che le lunghezze d’onda L’operazione di modulazione e
presenta la principale delle sfide possano essere gestite più sempli- amplificazione potrebbe essere
ancora aperte che decreteranno cemente riducendo l’impatto della svolta da un unico componente:
le tempistiche con cui probabil- temperatura o di altri fattori am- un RSOA (Reflective Semiconduc-
mente avverrà la diffusione su bientali sulle ONU. tor Optical Amplifier), ovvero un
larga scala delle reti WDM PON. Negli SS-BLS, come mostrato in amplificatore ottico a semicon-
La principale esigenza è la dispo- Figura 6a8, un pettine di lunghez- duttore con una faccia riflettente
nibilità di colourless ONU, ovve- ze d’onda viene ottenuto “affet- al 100% in cui la modulazione av-
ro di ONU il cui funzionamento tando” lo spettro di una sorgente viene direttamente controllando il
sia garantito indipendentemente luminosa a banda larga, quale guadagno tramite una corrente di
dalla lunghezza d’onda operativa può essere un diodo super lumi- iniezione; sono attualmente in fase
dell’utente: l’utilizzo nelle ONU nescente (SLED) presente nella di studio soluzioni che permettano
di sorgenti colored, ovvero fun- ONU. Per la selezione delle singo- al RSOA di fare a meno del modulo
zionanti ad una sola lunghezza le lunghezze d’onda tipicamente TEC. Con il duplice fine di ridurre
d’onda, sarebbe chiaramente in- è utilizzato un AWG lato ONU i consumi energetici e rendere più
gestibile per problemi logistici di che “affetta” lo spettro e preserva efficiente l’uso della banda a dispo-
inventory. L’ulteriore sfidante re- una singola lunghezza d’onda per sizione sulle fibre ottiche, è stato
quisito è che l’ONU risulti cooler- ciascun utente. Com’è evidente recentemente proposto il riuso in
less, ovvero non necessiti di mo- si tratta di un’implementazione upstream dei segnali ricevuti in
duli TEC per il raffreddamento al piuttosto semplice e a basso costo downstream, tramite la rimodula-
fine di ridurre il più possibile i co- che, tuttavia, limita la velocità di zione dei dati ricevuti opportuna-
sti e i consumi energetici. Queste modulazione e la potenza associa- mente codificati (come si accenna-
specifiche rendono estremamente ta a ciascun segnale, riducendo di va in precedenza), con tecniche di
inopportuno l’utilizzo di sorgen- fatto il power budget e la massima modulazione più semplici e con un
ti sintonizzabili alle diverse lun- lunghezza di tratta. bit rate più basso (Figura 6d8). Ciò
ghezze d’onda, seppure si tratti Nei laser IL FP, come mostrato permetterebbe una trasmissione
di soluzioni tecnologicamente di- in Figura 6b8, un segnale ottico full duplex sulla stessa lunghezza
sponibili: esistono infatti VCSEL esterno a banda stretta (‘seed’) è d’onda, sebbene ci siano criticità
sintonizzabili mediante MEMS iniettato nel dispositivo presente da superare in relazione al surplus
che, tuttavia, non posseggono una nella ONU, ovvero una cavità FP di rumore dovuto al backscattering
buona stabilità intrinseca della con molteplici modi longitudinali di Rayleigh lungo la ODN.137
ONU ASE seed ONU
CO
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
Tx/Rx Broadband Tx/Rx
Lightsource
CO λ1
1530 nm 1565 nm λ
λ1
Tx/Rx Tx/Rx
λ2
Tx/Rx Tx/Rx Tx/Rx Tx/Rx
λ2
AWG
AWG
AWG
AWG
Coupler
Tx/Rx Tx/Rx
λn-1 Tx/Rx downstream Tx/Rx downstream
Tx/Rx λ1 λ2 λn-1 λn λ Tx/Rx
data λ1 λ2 λn-1 λn λ λn-1 data
downstream Rx Rx
λn upstream data downstream
WDM Tx/Rx upstream data
Filtered ASE Free running spectrum
upstream spectrum λ λn
Filtered Tx IL F-P Laser
spectrum LED or SLED LED or SLED
spectrum upstream
(a) (b) Injection Locked
1530 nm 1565 nm λ
λ
λ
ASE seed ONU ONU
CO Tx/Rx
Broadband Tx/Rx
Lightsource
CO
1530 nm 1565 nm λ
Tx/Rx Tx/Rx
Tx/Rx Tx/Rx Tx/Rx Tx/Rx
AWG
AWG
AWG
AWG
Coupler
Tx/Rx Tx/Rx
Tx/Rx Tx/Rx downstream
downstream Tx/Rx data
Tx/Rx λ1 λ2 λn-1 λn λ data
Rx Rx
downstream Residue upstream data
Filtered ASE WDM upstream data downstream Coupler
spectrum λ pattern
RSOA RSOA
mirror
Amplified & reflected Upstream
(c) output from RSOA
RSOA (d) Eyediagram
λ
Figura 6 - Colourless e coolerless ONU: (a) SS-BLS, (b) IL FP, (c) RSOA, (d) RSOA con trasmissione full duplex su unica lunghezza d’onda
il riuso della ODN, preferibil- per esempio una trama G-PON
Conclusioni mente evitando (ma non esclu-
dendo) l’uso di Reach Extender,
o XG-PON, consentendo in tal
modo di aumentare la capacità
Le reti WDM PON rappresente- ovvero amplificatori ottici, per dell’albero G/XG-PON di tante
ranno, con ogni probabilità, la sfi- superare i vincoli di power bud- volte quante sono le lunghezze
da implementativa dei prossimi get imposti dalla presenza de- d’onda multiplate, ottenendo per
anni per i costruttori e per gli ope- gli splitter ottici; esempio 40 Gb/s DS e 10 Gb/s
ratori di TLC. Queste reti, come si la coesistenza con i sistemi le- US. [13] Questa tipologia di rete
è detto, costituiranno la risposta gacy (TDM PON) per esempio è infatti quella scelta in ambito
tecnologica alla crescente doman- mediante lo stacking di più si- FSAN per la NG-PON2 essendo,
da di servizi bandwidth hungry, il stemi attraverso la WDM, con nel breve periodo, un ottimo com-
cui driver principale sarà essen- la conseguente necessità di in- promesso tra costi, prestazioni e
zialmente la componente video stallare filtri presso le ONU. tecnologia disponibile. L’utilizzo
nelle sue varie declinazioni. L’im- A tal proposito, una delle miglio- esclusivo della tecnica WDM nel-
plementazione di nuove soluzioni ri soluzioni adottabili nella fase le reti PON deve essere vista nel
per la NGAN dovrà seguire la road- transitoria della migrazione dalle lungo termine, quando si dispor-
map tracciata dal gruppo FSAN in reti G-PON alle reti WDM PON è rà di tecnologia WDM matura e
ambito NG-PON e dei requisiti fis- l’architettura ibrida TWDM PON, a costi sostenibili per un utilizzo
sati dagli standard ITU-T [13], te- in cui più sistemi TDM sono mul- massivo nella rete di accesso. A
nendo conto delle problematiche tiplati tra loro mediante WDM: in nostro parere, la soluzione WDM
presenti in contesti brownfield nei altre parole, la singola λ trasporta PON potrà essere il supporto tec-
quali sarà opportuno garantire: un flusso già multiplato in TDM, nologico cost-effective e abilitante138
per nuovi servizi negli scenari di QoS Quality of Service Metro and Access Networks”, Inter-
mercato di domani RN Remote Node national Conference on Photonics in
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
ROADM Reconfigurable Optical Add Switching, 2012.
Drop Multiplexers [8] Marco De Bortoli, Roberto Merci-
SDH Syncronous Digital nelli, Paolo Solina, Alder Tofanelli,
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TDM
Hierarchy
Time Division Multiplexing
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OLO Other Licensed Operators Generation Access Network - a Telco
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OpEx Operational Expenditure 2007.
P2MP Point To MultiPoint [7] Caroline P. Lai et. al., “Energy-Effi-
PIC Photonic Integrated Circuit cient Colourless Photonic Techno- tommaso.muciaccia@telecomitalia.it
PON Passive Optical Networks logies for Next-Generation DWDM sandro.pileri@hrs.telecomitalia.it139
SPECIALE INNOVAZIONE DELLA RETE
Tommaso Sandro
Muciaccia Pileri
ingegnere elettronico, entra ingegnere elettrotecnico con
in Azienda nel 2012. Oggi si master in telecomunicazioni,
occupa della progettazione entra nel 1982 alla Scuola
esecutiva delle infrastrutture Superiore Guglielmo Reiss
per la rete d’accesso in rame Romoli, iniziando l’attività di
e fibra ottica, con particolare docenza nel campo delle reti
riferimento ai progetti telefoniche PSTN, ISDN, Rete
NGAN ed EUROSUD per lo Intelligente e delle reti dati
sviluppo delle reti ultra- (Frame Relay, ATM e IP).
broadband. Collabora con il Negli ultimi anni si è
Photonics Research Group occupato di Telefonia su IP
del Politecnico di Bari ed è e di evoluzione della rete di
coautore di pubblicazioni accesso fissa.
su riviste scientifiche Dal 1999 al 2007 è stato
internazionali. professore a contratto del
corso Reti e Sistemi di TLC
presso la Facoltà di Ingegneria
dell’Università degli Studi di
L’Aquila. Dal 2010 è in servizio
presso Telecom Italia HR
Services nella Service Unit
Formazione.Puoi anche leggere
