Tipologie e Reti di accesso della fibra ottica

Evoluzione delle reti ottiche

Le reti ottiche si sono evolute in parallelo con i progressi delle fibre ottiche. Per molti anni l’obiettivo principale è stato quello di sviluppare tecnologie per consentire la trasmissione a bit rate più elevati su distanze crescenti. Le cosiddette reti ottiche di prima generazione sfruttavano solo i vantaggi delle fibre ottiche, lasciando all’elettronica tutta la commutazione e l’elaborazione dei segnali da eseguire. La richiesta di un aumento della banda insieme alla dispendiosità del cablaggio richiese la ricerca di un metodo per aumentare la capacità delle fibre esistenti, senza dover stenderne di nuove. Il primo approccio è stato quello di aumentare il bit rate sostenuto dall’implementazione di tecniche di multiplazione, come la multiplazione ottica a divisione di tempo (Optical Time Division Multiplexing, OTDM) e la multiplazione a divisione di lunghezza d’onda (Weavelenght Division Multiplexing, WDM), per superare i deficit dell’elettronica ad alta velocità. Ciò ha portato ad una espansione su larga scala di reti a lunga portata, grazie al traffico crescente. La dense WDM (DWDM) rappresenta il miglior compromesso tra costi e capacità delle reti dorsali fornendo anche vantaggi per le MAN (Metrpolitan Area Network). Successivamente, alla fine degli anni 80, la sostituzione dei rigeneratori elettro-ottici con amplificatori ottici introdusse ulteriori miglioramenti nei sistemi ottici.

Le reti ottiche di seconda generazione sono caratterizzate invece da una riduzione dell’uso dell’elettronica, raggiungendo un maggior grado di trasparenza, producendo una capacità di trasmissione effettivamente utilizzata (chiamata Throughput) più elevata, e consentendo alle reti ottiche di fornire più funzionalità, come ad esempio le funzioni di switching e routing. Inoltre, lo strato fisico delle reti di seconda generazione ottiche supporta collegamenti WDM e funzioni add/drop. Queste reti possono offrire tre tipi di servizi ai livelli più alti delle reti. Il primo di questi servizi è un servizio “lightpath”, applicabile in reti WDM, in cui viene assegnata una lunghezza d’onda specifica di una connessione tra due nodi. Il collegamento può essere impostato “up e down” su richiesta (Circuit Switched) o può essere permanente. Il secondo servizio è un servizio di circuito virtuale, un circuito di connessione commutata tra due nodi con una minore risorsa, che permette di gestire un multiplexing statistico o fisso. Il terzo è un servizio datagramma, che permette di trasmettere brevi pacchetti tra i nodi senza la necessità di creare connessioni esplicite.

Nel 1998 l’ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) ha introdotto il concetto di rete di trasporto ottica (optical transport network, OTN), al fine di utilizzare il routing WDM ed eliminare gli effetti del cosiddetto “collo di bottiglia” elettronico nei nodi della rete, aumentando notevolmente la capacità della rete di trasmissione e la velocità dei nodi. La WDM-OTN utilizza dispositivi di multiplazione add-drop ottici (optical add/drop multiplexing, OADM) e dispositivi di cross-connection ottici (OXC) nei suoi nodi, eliminando in tal modo la conversione opto-elettronica.
Tuttavia la tradizionale OTN ha molti difetti e non può totalmente soddisfare le esigenze delle reti ottiche. Pertanto, nel 2001, l’ITU-T ha definito l’architettura della rete ottica a commutazone automatica (automatically switched optical network, ASON, nella figura seguente. Vengono così introdotti concetti di “switching dinamico” e “meccanismo di cooperazione” tra i livelli: quindi le reti di comunicazione ottiche, oltre ad essere una rete di trasporto, include anche le funzioni di commutazione e di controllo.

Secondo l’architettura di rete ASON possono essere identificati tre i piani:

1. un piano (o strato) di trasporto (transport plane, TP), contenente un dato numero di switch (ottici o altro) responsabili del trasporto dei dati degli utenti attrverso le varie
   connessioni. Tali switch sono connessi l’un l’altro attraverso un interfaccia fisica (Physical Interface, PI)
2. uno strato di controllo (control plane, CP), responsabile della gestione delle risorse e delle connessioni all’interno della rete, che consiste in una serie di controllori di connessione ottica (Optical Connection Controller, OCC) interconnessi per mezzo delle NNI (Network to Network Interfaces).
3. infine, uno strato di gestione (management plane, MP), responsabile della gestione del CP. Questo strato contiene gli “enti di gestione della rete” (Network Management Entity, NM) i quali sono connessi agli OCC del Control Plane con gli NMI-A (Network Management Interface for ASON Control Plane), e sono connessi ad uno degli switch del Transport Plane attraverso gli NMI-T (Network Management Interface for the Transport Network). L’utente è collegato al Transport Plane attraverso un PI, e al Control Plane con un UNI (User Network Interface).

Reti di accesso su fibra ottica

L’uso di nuove tecniche ha aggiornato continuamente le prestazioni delle OTN e di conseguenza, la rete di accesso ha molti problemi come larghezza di banda ridotta, tassi di insuccesso/tassi di guasto ed elevati costi di funzionamento o manutenzione. I cavi in rame sono ancora i principali mezzi di trasmissione nelle reti di accesso e non sono in grado di supportare nuovi servizi e applicazioni, soprattutto multimediali e servizi a banda larga.
Così, la rete di accesso è diventata il collo di bottiglia delle reti di comunicazione, il cosiddetto “ultimo miglio”.
Le attuali tecnologie di accesso a banda larga, come ad esempio l’asymmetric digital subscriber line (ADSL) basata su linee telefoniche e il modem via cavo (cable modem, CM) basato sulla comune televisione via cavo (CATV), possono incontrare le esigenze di alcuni servizi come la navigazione web, email e così via. Tuttavia, non è in grado di soddisfare le esigenze di larghezza di banda dei servizi multimediali e servizi a banda larga, chiamato anche triple play, come ad esempio internet ad alta velocità, telefono IP e video broadcast, ecc.

Con la tecnologia ADSL il volume del flusso dati in upstream e downstream è asimmetrica, e tale asimmetria è fondamentalmente appropriata per applicazioni come la navigazione degli utenti in Internet e video-on-demand (VOD), ma non è applicabile alle reti di interconnessione locale (LAN). I servizi di accesso internet sono disponibili tramite la distribuzione ADSL con ATM/Ethernet ed il cliente finale è dotato di dispositivi remoti e ADSL collegati al digital subscriber line access multiplexer (DSLAM) presso il Central Office con cavi telefonici comuni. I dispositivi ADSL remoti forniscono l’interfaccia Ethernet per i computer degli utenti, mentre il DSLAM si collega con il provider di servizi Internet (internet service provider, ISP) di ATM (Asynchronous Transfer Mode) o Fast Ethernet (FE).

D’altra parte, il modem via cavo è un’altra tecnologia broadband con uplink e downlink asimmetrico ed è adatto per fornire due tipi di servizi: la navigazione Internet ed il VOD. In questo caso, l’accesso ai servizi internet può essere offerto per mezzo di cavi ibridi coassiale-fibra (hybrid fiber-coaxial, HFC), un modem via cavo e l’Ethernet/ATM. L’HFC trasmette un segnale dati agli abbonati mentre il modem via cavo decodifica, demodula e trasmette tale segnale ad un personal computer tramite una porta Ethernet. Per l’uplink, il modem riceve il segnale dal PC e lo invia modulato e codificato ai dispositivi head-end attraverso l’HFC. La larghezza di banda del modem via cavo è maggiore di quella di ADSL. Tuttavia, quando un modem via cavo e l’HFC sono usati per costruire una rete, sorgono un sacco di problemi per quanto riguarda la stabilità, l’affidabilità, l’alimentazione, la gestione e la manutenzione.

In entrambi i casi, la larghezza di banda dei collegamenti della rete è condivisa tra tutti gli utenti e pertanto non possono offrire servizi a banda larga digitali quando il numero di utenti aumenta, poiché la larghezza di banda che viene assegnata a ciascun utente è molto limitata. Pertanto, la rete di accesso ottica (optical access network, OAN) rappresenta la tendenza verso una rete di accesso futura, in particolare, la tecnica di multiplazione ottica a divisione di codice (optical code division multiplexing, OCDM) può essere una soluzione per far fronte al problema delle risorse condivise.

Le reti di accesso ottiche possono essere suddivise in due categorie: la rete ottica attiva (active optical network, AON), e la rete ottica passiva (PON). La PON ha una architettura semplice e non ha elementi attivi nell’intero collegamento dalla sorgente alla destinazione. Nella figura seguente sono mostrate diverse implementazioni dell’architettura PON, chiamate FTTx (fiber to the x), dove x ha significati diversi a seconda di dove arriva il collegamento ottico.

Di seguito alcuni esempi di FTTx: Fibre to the home (FTTH), fibre to the building (FTTB), fibre to the curb (FTTC), fibre to the cabinet (FTTCab).