Reti PON (Passive Optical Network). * Interfaccia la sottorete d’accesso con la rete di trasporto (normalmente mediante una Node-Network Interface (NNI))

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1 Reti PON (Passive Optical Network)

2 * Interfaccia la sottorete d’accesso con la rete di trasporto (normalmente mediante una Node-Network Interface (NNI)) * Denominazioni - Centrale Telefonica (Central Office, CO) - Local Exchange - Point-of-Presence (POP) (IP, Ethernet) -Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM) nel caso xDSL Apparati complessi, - richiedono housing opportuno (normalmente in edificio o locale ad-hoc); - proprietà di un operatore; - può essere riservato spazio per operatori concorrenti (unbundling) Caratteristiche della rete di accesso Nodi di accesso

3 Fiber in the loop Classificazione applicata al caso italiano FTTB FTTCab FTTE FTTH Cen tral Office-CO CabinetBuilding VDSL2 ONU xD S L Primary Network (200-3000m) Secondary Network (100-700m) ADSL2+ 3-20 Mbit/s Exchange <1 Mbit/s VDSL2 25-50 M 2-10 M VDSL2 rame 50-100 M 25-40 M Optical 0.1-1 Gbit/s centrale Cabinet armadio Building edificio Home casa rame fibrarame fibra Fonte: Telecom Italia

4 FTTE - Fibre To The Exchange Nelle zone rurali, in quelle scarsamente popolate o in contesti in cui risulta svantaggioso, per l’operatore, sostituire una tratta della rete di accesso in rame con un segmento in fibra ottica, la soluzione più semplice è quella di rendere ottica solo la rete fino alla CO e di lasciare inalterata la rete di accesso. Questa strategia, che rappresenta la situazione attuale della rete di Telecom Italia, è basata sul riutilizzo completo della rete di accesso in rame, utilizzando le varie tecnologie ADSL per la fornitura dei servizi agli utenti. L’adozione di una tecnologia rispetto ad un’altra dipende dalle caratteristiche del doppino (lunghezza, rumorosità e qualità del cavo) che, nei casi migliori, possono permettere di ottenere le prestazioni dell’ADSL2+, fino a 20 Mbit/s in downstream e 1 Mbit/s in upstream.

5 FTTCab (o FTTC) - Fibre To The Cabinet In molti scenari può risultare difficile o non conveniente realizzare un collegamento in fibra ottica fino all’edificio. Una soluzione di compromesso è rappresentata dall’architettura Fibre To The Cabinet (FTTCab/C) in cui si sostituisce solo la tratta in rame della rete primaria con una tratta in fibra ottica dalla CO all’armadio stradale, mantenendo inalterata la tratta in rame della rete secondaria, dall’armadio fino a casa dell’utente finale. In questo schema si introducono gli ONU all’interno degli armadi stradali e si utilizzano sulla rete secondaria le tecnologie per la rete di accesso in rame che arrivano ad offrire, in base alle caratteristiche del doppino (lunghezza, rumorosità e qualità del cavo), prestazioni fino a 50 Mbit/s in downstream e 10 Mbit/s in upstream, utilizzando la tecnologia VDSL2. Uno svantaggio di questo approccio è determinato dai limiti prestazionali della rete in rame. Un altro limite è dovuto allo spazio limitato all’interno degli armadi stradali. Per tener conto della presenza di operatori alternativi (OLO), si deve ricorrere o ad armadi multipli, oppure a schemi di co-locazione degli apparati in ampi cabinet dotati di adeguati servizi (alimentazione, ventilazione, ecc..).

6 FTTB - Fibre To The Building Nel caso in cui non sia possibile raggiungere la sede dell’utente con un collegamento in fibra ottica, la strategia adottata è quella di avvicinarsi il più possibile ad esso, così da ottimizzare costi e prestazioni. In questo senso, un modo per portare la fibra ottica vicino all’utente consiste nel collegare l’edificio (sia un singolo palazzo, sia gruppi di abitazioni) direttamente alla CO con una fibra ottica, eliminando i cabinet stradali, da cui la denominazione Fibre To The Building (FTTB). Alla base dell’edificio (generalmente in un locale chiuso all’interno) viene installato l’ONU e da questo punto in poi, sfruttando i cavi in rame già presenti, la connessione prosegue con tecnologia VDSL2 che, considerate le brevi distanze in gioco (fino a 100m), permette di raggiungere le massime prestazioni sul doppino telefonico (fino a 100 Mbit/s in downstream e 40 Mbit/s in upstream). Questa soluzione permette di risparmiare sui costi di cablatura verticale degli edifici.

7 FTTH - Fibre To The Home L’architettura denominata Fibre To The Home (FTTH) prevede un collegamento in fibra ottica dal Central Office (CO) fino a casa dell’utente finale e permette la più elevata disponibilità di banda e le migliori caratteristiche di espandibilità futura. In questo caso, tutti i collegamenti, sia orizzontali che verticali, sono realizzati in fibra ottica. La diffusione di questa opzione è ancora condizionata dai costi elevati di posa dei cavi e dalle difficoltà di penetrazione nelle sezioni verticali degli edifici. In base alla tecnologia ottica adottata, è possibile garantire connessioni, sia simmetriche che asimmetriche, con velocità di trasmissione fino a 10 Gbit/s su distanze massime fino a circa 60 km.

8 Reti di accesso xDSL FTTCab PON FTTH Radio PON FTTB/C ONU HFC FNBS Fibre ottiche coax Coppie simmetriche radio Coppie simmetriche Fibre ottiche

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10 Reti PON - Topologie PON-Passive Optical Network DSL-Digital Subscriber Line OLT-Optical Line Termination ONU-Optical Network Unit ONT-Optical Network Termination OLT ONT STELLA ONU OLT ONT BUS ONU OLT ONT ALBERO ONU

11 A prescindere dall’opzione FTTx effettivamente adottata, esistono essenzialmente due configurazioni di sistema di trasmissione, a cui corrispondono standard industriali di mercato: la configurazione punto-punto, PtP (Point- to-Point), e la configurazione punto- multipunto, PtMP (Point-to-Multi-Point). - L’architettura PtP “Active Ethernet”, in cui una singola fibra dedicata connette la sede d’utente alla centrale locale. - L’architettura PtMP con rete ottica passiva PON (Passive Optical Network), basata su topologia ad albero della rete di distribuzione, con più livelli di diramazione, realizzata mediante l’uso di ripartitori ottici passivi (beam splitter). Le reti PON sono caratterizzate dall’assenza di apparati attivi al di fuori delle terminazioni di linea ottica (OLT) e delle terminazioni di rete ottica (ONT). Configurazioni di sistema: PtP e PtMP

12 Nei sistemi PtP tutti i collegamenti ottici fra la centrale locale e l’utente sono dedicati e realizzati ad accesso singolo, ossia ogni utente ha a disposizione l’uso esclusivo di una portante ottica. Questa tipologia di sistema permette di raggiungere bit-rate molto elevati, 100 Mbit/s bidirezionali, con tecnologia Fast Ethernet, fino a 10 Gbit/s con tecnologia Gigabit Ethernet (GbE). Si presta a realizzare incrementi “graduali” di banda, da 100 Mbit/s fino a 10 Gbit/s, permettendo così future espansioni ed adeguati up-grade con elevata sicurezza della trasmissione, dovuta all’accesso singolo al canale di comunicazione. Nei sistemi PtP, la rete ottica di distribuzione, ODN (Optical Distribution Network), è completamente passiva, dato che include fibra ottica e componenti ottici passivi (connettori, beam- splitter) per la connessione centrale-utente. Configurazione PtP

13 I sistemi PtMP possono essere passivi o attivi, a seconda che l’ODN contenga o meno componenti attivi. In prevalenza, i sistemi PtMP impiegano reti ottiche passive, PON, tipicamente con topologia ad albero, con presenza di uno o più livelli di diramazione ottica (beam-splitter 1:N, tipicamente con N=2, 4, 8) e assenza di dispositivi ottici attivi nella ODN. Peculiarità delle reti PON è quella di rimanere, dal punto di vista funzionale, comunque una rete PtMP, indipendentemente dalla topologia fisica (albero, stella, anello, bus). Le topologie fisiche più diffuse per le PON sono l’albero, tipicamente con due livelli di diramazione, e la stella. Una parte della rete di accesso ottica è pertanto condivisa fra gli utenti finali, con riduzione dei costi complessivi, sia per il minor numero di fibre ottiche necessarie, sia per i minori costi di scavo ed installazione. Di contro, la banda è condivisa e quindi sono necessarie tecniche di controllo per l’accesso al canale di comunicazione (MAC, Medium Access Control), come pure tecniche che garantiscano la sicurezza dei dati trasmessi (data encryption). Configurazione PtMP

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15 Electronics Fiber in the loop Terminologia definita dallo standard ITU-T G.983 Optical Line Termination (OLT) –Apparato Access network terminal equipment nel CO Optical Distribution Network (ODN) –Parte in fibra della rete Optical Network Unit (ONU) –Interfaccia tra fibra e sezione in rame Optical Network Termination (ONT) –NIU quando il subscriber è raggiunto in fibra Network Termination (NT) –NIU quando il subscriber è raggiunto in rame Primary network Home network FTTH/O FTTB/C FTTCab OLT ONT ONU NT ONU NT ODN Copper NIU Secondary network CO From G.983 ITU-T Recommendation (1998) NIU - Network Interface Unit

16 OLT - Optical Line Termination Un esempio di OLT è rappresentato dall’apparato Alcatel-Lucent 7330 Intelligent Service Access Manager (ISAM), che è un concentratore di interfacce ad alta capacità per reti di accesso sia in fibra ottica che in rame. L’OLT è situato in centrale, supporta le tecnologie sia ottiche che elettriche, permette il collegamento con il backhaul con più interfacce a 1-10 Gbit/s ed è munito di una matrice di switch ad alta capacità, che permette di commutare fino a 320 Gbit/s. Il 7330 ISAM è equipaggiato con diverse schede ognuna delle quali ha funzioni specifiche. OLT Alcatel-Lucent 7330 ISAM

17 OLT - Optical Line Termination 2 Le principali funzioni del 7330 ISAM sono le seguenti: - Power and Fan: costituisce l’interfaccia di alimentazione dell’apparato e dispone anche dell’interfaccia di allarme. - NANT-E: unità di controllo dell’apparato, effettua la gestione ed il controllo delle interfacce e la commutazione del traffico tramite lo switch ethernet integrato; dispone di 4 interfacce Ethernet SFP (Small Form-factor Pluggable) a 1 Gbit/s che possono essere sfruttate per la connettività verso la rete; la capacità di elaborazione è di 320 Gbit/s. - NCNC-F: utilizzata per ampliare le interfacce verso rete dell’unità NANT-E; l’unità NCNC-F presenta 6 interfacce ottiche, di cui quattro di tipo SFP a 1 Gbit/s e due di tipo XFP (10 Gbit Small Form-factor Pluggable) normale a 10 Gbit/s (entrambi richiedono due fibre per collegamento). - NELT-B: unità che fornisce le interfacce ottiche per la connessione degli utenti con tecnologia P2P, sia con strategia FTTH che con le varianti FTTB/FTTC. - NGLT-C: unità che fornisce le interfacce ottiche per la connessione degli utenti con tecnologia GPON, sia con strategia FTTH che con le due varianti FTTB/FTTC; dispone di 8 interfacce ottiche in cui è possibile inserire i moduli SFP C+ che, con un budget ottico di 32 dB, riescono a supportare un bit-rate di 2,5 Gbit/s su distanze fino a 60 km e livelli di spitting fino a 1:128. - NVLT-P: unità che permette il collegamento di utenti con tecnologia Multi-DSL (ADSL, ADSL2, ADSL2+ e VDSL2) su doppino in rame tradizionale; le schede installate sono due e dispongono ognuna di 48 linee ad alta capacità che supportano la tecnologia VDSL2.

18 ONU - Optical Network Unit Un esempio di ONU è rappresentato dall’apparato Alcatel-Lucent 7353 Intelligent Services Access Manager (ISAM). È un’unità remota che si interfaccia con una tecnologia ottica verso la rete e permette di collegare gli utenti finali per mezzo di tecnologie tradizionali su rame. In base a specifiche esigenze, il 7353 ISAM può essere collocato alla base di un edificio o presso il cliente (ad esempio, in caso di utenti business), oppure in un cabinet stradale, modulando la disponibilità di interfacce e tecnologie equipaggiandolo con schede appropriate. Come il 7330 ISAM, anche il 7353 ISAM è ovviamente costituito da diverse schede ognuna delle quali ha funzioni specifiche. ONU Alcatel-Lucent 7353 ISAM

19 ONU - Optical Network Unit 2 Le principali funzioni dell’ONU 7353 ISAM sono le seguenti: - Power and Fan: costituiscono le unità di alimentazione e di regolazione della temperatura dell’apparato. - MANT-C: questa unità comprende sia il modulo NT che il modulo NT I/O. Il primo fornisce le funzioni di controllo e gestione delle interfacce e le funzioni di commutazione del traffico Ethernet mentre il secondo dispone dell’interfaccia GPON di interconnessione verso l’OLT. - MVLT-E: è unità che permette il collegamento di utenti con tecnologia Multi-DSL (ADSL, ADSL2, ADSL2+ e VDSL2) su doppino in rame tradizionale. La scheda dispone di 16 linee ad alta capacità, che supportano la tecnologia VDSL2, e di uno splitter passivo on-board per la connessione delle linee telefoniche. - MELT-D: questa unità dispone di 16 interfacce Fast Ethernet di tipo elettrico, conforme allo standard IEEE 802.3 100BASE-TX (RJ-45), consentendo la connessione diretta degli NT utente.

20 ONT - Optical Network Termination Di norma, gli ONT sono in grado di supportare specifiche tecnologie. Sono indicati due tipi di ONT, il primo per la tecnologia GPON, il secondo per la tecnologia Gigabit P2P Ethernet. Il loro utilizzo è vincolato alla tecnologia e non sono interoperabili. - ONT GPON: un esempio è l’apparato Alcatel-Lucent I-021G-P che dispone di un ingresso ottico GPON, di due interfacce GE RJ-45 per l’utente e di un’uscita RF coassiale per servizi video. Nel caso in cui si trasmettano in fibra ottica servizi video, il ricevitore interno demultipla i flussi e destina la a 1550 nm allo stadio RF mentre la  a 1490 nm viene inviata allo stadio GPON per i dati. - ONT P2P: un esempio è l’apparato CTS ESH 3105W2A RF-AL che dispone di due ingressi ottici (uno GE -Gigabit Ethernet- e l’altro RF over fibre per servizi video), quattro interfacce GE RJ-45 per l’utente e un’uscita RF coassiale.

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22 ITU T G.656 - Fibre ottiche “ottimizzate in dispersione” per applicazioni in reti ottiche d’accesso Sono caratterizzate da una maggiore “robustezza” alle perdite dovute alle curvature di raggio medio-piccolo. Ciò le rende adatte ad applicazioni FTTX (ad esempio, FTTH).

23 Confronto tra i parametri di una fibra tipo G.656 (Sterlite – DOF Lite Metro) e le corrispondenti specifiche ITU

24 Esempio di applicazione di fibre ottiche G.656 in rete ottica d’accesso

25 Reti PON – Topologia a « stella » - PRESTAZIONI - 1 Si consideri una PON con topologia a “stella” e si supponga che la potenza ottica in ingresso sia “equamente” ripartita sulle N uscite. Per valutare le prestazioni in termini di potenza disponibile al ricevitore (power budget) occorre considerare la perdita complessiva del dispositivo passivo “stella”. Essa è determinata dalla perdita di “ripartizione” (splitting loss), data dalla relazione e dalla perdita di “inserzione” (excess loss) della “stella”, definita come rapporto tra la potenza in ingresso alla “stella” P in e la somma delle potenze in uscita P out,i

26 Reti PON -Topologia a « stella » - PRESTAZIONI - 2 Si supponga, per semplicità, che gli N utenti si trovino tutti alla stessa distanza L dall’accoppiatore “a stella”. Indicati con: - P S la potenza della sorgente ottica del generico utente (in trasmissione) accoppiata alla fibra d’ingresso della “stella” (dBm); - P R la sensibilità del ricevitore, ovvero la minima potenza ottica necessaria per ottenere un fissato BER (dBm); -  l’attenuazione della fibra ottica (dB/km); - L c l’attenuazione dei connettori (dB); - M il margine di sistema (dB), si ottiene avendo considerato due connettori, uno al trasmettitore, l’altro al ricevitore. Si osservi come, nel caso di topologia a “stella”, l’attenuazione complessiva (dB) cresca con il numero di utenti N con una legge “quasi” logaritmica. Nel caso di topologia “bus” si dimostra che tale attenuazione (dB) aumenta con N con una legge sostanzialmente lineare.

27 Reti PON – Topologia a « stella » - Esempio Si consideri una rete passiva “a stella” in cui gli N utenti siano situati a 1 km dal “centro stella” (ripartitore passivo); la fibra ottica presenta un’attenuazione  =0.4 dB/km. Si considera una perdita L excess =1,25 dB relativamente ad un numero di utenti N=50. Il bilancio di potenza risulta quindi dato da Pertanto, per P S =0 dBm, impiegando un laser a semiconduttore, P R = -25 dBm (ricevitore DD, con fotodiodo PIN @ 2,5 Gbit/s), si ottiene un margine di sistema M = 4 dB.

28 GEM = Gpon Encapsulation Method AES = Advanced Encryption System RS= Reed-Solomon FEC Churning = Byte-oriented churn key

29 Standard PON Evoluzione degli standard per le PON ATM PON (A-PON)  Traffico trasferito usando formato e framing ATM “raw-cell”  1982: "idea" di PON (British Telecom)  1987 – 1999: PON testbed di BT, Deutsche Telekom (Germany), NTT (Giappone), BellSouth (Atlanta, USA)  1995: testbed APON a 622 Mbit/s (progetto europeo RACE BAF)  1996: Full Service Access Network (FSAN) apre i lavori  1997-’98: progetti europei ACTS BONAPARTE e EXPERT/VIKING

30 Standard PON Evoluzione degli standard per le PON Broadband PON (B-PON)  Il sistema A-PON è standardizzato da ITU-T con un nome (B-PON) che vuole indicare che la PON può offrire un servizio broadband completo, e non solo ATM (anche se per framing e trasporto si usano ancora celle ATM).  Rate di linea: 155 Mbit/s symmetrical or 622/155 Mbit/s down/upstream; ONU/OLT max distance: 20 km; max. # ONUs: 64  1998-’00: ITU-T G.983.1 (physical aspects) e G.983.2 (ONT management and control)  2001-’02: altre raccomandazioni ITU-T G.983.x and Q.834.x, e.g., - G.983.4/.7: Dynamic Bandwidth Assignment (DBA), con capacità statistical multiplexing ( ⇒ più utenti per ONU) e controllo di Quality of Service (QoS); - G.983.3: si adotta il CWDM aggiungendo canali video broadcast analogici downstream.  2006: standard riorganizzato in 5 Recommendations G.983.1 -.5

31 Standard PON Evoluzione degli standard per le PON Gigabit-capable PON (G-PON)  Il traffico è trasportato usando differenti framing: ATM (G.983 based) o via G-PON Encapsulation Method (GEM), che può interfacciarsi con SDH (G.707 based) o Ethernet (IEEE802.3 based).  Vari line rates, fino a 2.4 Gbit/s simmetrico, distanza massima ONU/OLT: 20 km; max. # ONU: 128 - 2001: attività iniziata dal gruppo FSAN - 2003: raccomandazioni ITU-T G.984.x

32 Standard PON Evoluzione degli standard per le PON Ethernet PON (EPON)  Il traffico è trasportato usando framing Ethernet. - Gli apparati di utente sono più economici del BPON - Ethernet è molto più diffuso di ATM.  Subscriber rate più elevati (fino a 1.25 Gbit/s simmetrico).  2001: IEEE 802.3ah Study Group “Ethernet in the First Mile (EFM)”.  Rilascio primi documenti: Sett. 2003.  2004: approvazione finale dello Standard IEEE 802.3ah.  2008: revisione dello standard.

33 Confronto GPON – EPON Confronto degli header Guard Preamble Delimiter GPON EPON AGC: Automatic Gain Control; CDR: Clock and Data Recovery Laser turn on time overlaps the laser turn-off time of the previous burst min. 76.8 ns min.typ.typ. 25.6 ns 35.2 ns 16.0ns Data max. 400 ns Guard PreambleDelimiter BPON min. 4 bits typ. 12 bits typ. 8 bits 24 bits Data max. 400ns Laser turn on time AGC, CDR setting time Data Laser turn off time

34 Reti PON – Tecniche di accesso Trasmissione downstream: tecnica TDM Trasmissione upstream: tecnica TDMA

35 (Gigabit PON) (Broadband PON) (Ethernet PON - - GigaBit Ethernet PON)

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48 WDM – PON 1 Le PON basate su tecniche di accesso TDM/TDMA sono caratterizzate da limiti nella larghezza di banda in upstream, che risulta condivisa tra le diverse ONU con accesso mediante multiplazione nel dominio del tempo. Per superare questa limitazione sono stati proposti schemi di PON basate sulla tecnica WDM (Wavelength Division Multiplexing) in cui l’utilizzo di più su una sola fibra permette un considerevole incremento della banda disponibile, sia in upstream che in downstream. La WDM-PON non è stata ancora standardizzata. RN = Remote Node

49 WDM – PON 2 Nelle reti WDM-PON ad ogni utente viene assegnata una  : - in direzione downstream l’OLT utilizza una sorgente di lunghezze d’onda multiple che vengono trasmesse su un'unica fibra, sfruttando la multiplazione WDM fino al Remote Node (RN). Questo elemento permette di smistare le lunghezze d’onda sulle varie fibre d’utente e può essere realizzato o con uno splitter passivo oppure con un AWG (Array Wavelength Grating). - In direzione upstream il RN accoppia le diverse lunghezze d’onda sulla fibra che raggiunge l’OLT, dove saranno demultiplate e raggiungeranno quindi l’array di ricevitori di cui dispone l’OLT per rivelare i segnali delle diverse ONU. Ciascuna ONU è dotata di ricevitore e trasmettitore per ricevere e trasmettere la propria, specifica. Trasmissione upstream e downstream avvengono in “finestre” diverse e possono essere separate sfruttando la multiplazione CWDM (Coarse-WDM). All’interno di tali “finestre” le varie lunghezze d’onda sfruttano invece la WDM standard e ciò permette di minimizzare l’impiego di fibra ottica.

50 WDM – PON 3 Una proprietà importante della WDM-PON è la sua scalabilità in quanto supporta lunghezze d’onda multiple sulla stessa fibra. Il fatto che ad ogni utente venga dedicata una lunghezza d’onda determina collegamenti di tipo point-to-point tra il CO e ciascuna ONU, con i vantaggi che ne derivano, per esempio: - ogni ONU può sfruttare appieno la capacità messa a disposizione dalla sua  senza doverla condividere con le altre come nel caso delle TDM/TDMA- PON; - le ONU possono trasmettere a bit-rate differenti, l’una indipendentemente dalle altre.

51 Dispositivi per WDM – PON Volendo assegnare lunghezze d’onda distinte ad ogni ONU, è necessario che il trasmettitore dell’OLT sia in grado di emettere più lunghezze d’onda contemporaneamente: per far questo è possibile utilizzare un array di DFB laser oppure un Multifrequency Laser (MFL). MFL è un dispositivo che integra un AWG e un array di amplificatori ottici, come mostrato in figura. Per quanto riguarda i ricevitori delle ONU, che devono ricevere il segnale dai trasmettori dell’OLT che sono sufficientemente potenti, è possibile utilizzare fotodiodi PIN, facili da usare ed economici. Per migliorare la sensibilità del ricevitore dell’OLT si possono utilizzare fotodiodi APD (Avalanche Photodiode).

52 Dispositivi per WDM – PON: Remote Node Un AWG è un dispositivo passivo in grado di effettuare l’instradamento di ciascuna delle lunghezze d’onda ricevute in ingresso su una specifica uscita. L’AWG può essere usato contemporaneamente da multiplexer e demultiplexer. Nell’ipotesi che le dei trasmettitori in upstream siano separate spettralmente da quelle in downstream di un valore almeno pari al Free Spectral Range (FSR) del dispositivo, ciascuna porta potrà essere usata contemporaneamente in upstream e in downstream. Ogni ONU separa i due segnali grazie ad un filtro WDM. L’AWG ha una perdita di inserzione pari a 4-5 dB, inferiore a quella dello splitter. Tuttavia ha il difetto che la sua centrale subisce uno shift con la temperatura di circa 0.1nm/C°. Per ovviare a questo problema si compensa tale variazione utilizzando un materiale con coefficiente di temperatura diverso.

53 Componenti basati su AWG (Array WaveGuide) (1) Un componente assai versatile per sistemi e reti ottiche WDM, con possibili funzioni di multiplexer, demultiplexer, drop-insert o commutatore di lunghezze d’onda, è basato su un array di guide d’onda, AWG. Una realizzazione comune è quella con M in e M out terminazioni e con due accoppiatori planari a stella, connessi da N guide d’onda disaccoppiate. Per un multiplexer puro, M in =N e M out =1, per un demultiplatore puro M in =1 e M out =N, per applicazioni di tipo router M in =N e M out =N. La struttura, essenziale e schematica, di tale componente è mostrata di seguito:  L è un multiplo della lunghezza d’onda centrale di lavoro c del dispositivo (  L=m c /n g, n g indice di rifrazione delle guide ottiche). N fibre di uscita  L costante Star coupler Waveguide grating N fibre di ingresso

54 Componenti basati su AWG (Array WaveGuide) (2)

55 Gli Star Coupler sono realizzati tramite la propagazione “in spazio libero” dei segnali provenienti dalle fibre in ingresso all’accoppiatore verso le fibre in uscita, come schematicamente mostrato. La zona centrale agisce come una lente di lunghezza focale L f, con gli ingressi e le uscite poste sulle linee focali (fuochi in F, linee focali cerchi di raggio L f /2). N fibre di ingresso 1 2 p k  LfLf  F F  Componenti basati su AWG (Array WaveGuide) (3)

56 Considerando, per il primo star coupler, una qualunque terminazione di ingresso p, alla lunghezza d’onda c, essa irradia un campo che si propaga nella zona centrale e raggiunge, sostanzialmente con pari potenza (con un progetto accurato), le terminazioni di uscita, con un andamento di fase dato dalla propagazione in tale zona centrale. Nell’AWG il campo si propaga e raggiunge le terminazioni di uscita con i campi circa a pari potenza e con le fasi identiche a quelle di partenza (a parte irrilevanti multipli di 2  ), in quanto si è considerata la lunghezza d’onda centrale di lavoro del dispositivo, e la differenza di percorso da una guida all’altra risulta pari ad un multiplo m di c. Il campo in ingresso alla zona centrale è quindi sostanzialmente uguale a quello presente nel primo star coupler, ed il fascio focalizza nella fibra analoga di uscita (p); gli angoli di ingresso e di uscita sono quindi uguali. Componenti basati su AWG (Array WaveGuide) (4)

57 La situazione che si presenta nel secondo star coupler è, in qualche modo, analoga a quella che si verifica in presenza di un array di antenne, ciascuna a distanza  dall’altra (come in questo caso) e con una fase  reciproca. In tale situazione, il lobo principale ha un tilt di un angolo  dato, se  è piccolo, (si indicano con n FSP e n g gli indici di rifrazione nella zona centrale - “free space propagation” - e nell’AWG) dalla relazione Componenti basati su AWG (Array WaveGuide) (5)

58 Indicando con  la distanza tra due terminazioni di uscita, allora il passo è dato da    /L f e, in termini di  si ottiene Aumentando  L è possibile ottenere spaziature  molto piccole. Ad esempio, se c = 1.55  m, con L f = 9 mm,  =  = 4  m, n g  n FSP  1.5 e  L=2 c /n g, si ottiene   1.35 nm. Equivalentemente, si può interpretare il fenomeno come interferenza costruttiva su una fibra di uscita (nella direzione del “lobo principale di irradiazione”) e di interferenza distruttiva su tutte le altre fibre di uscita. La tecnologia è “silica on silicon” (Si-Si). N varia da 40 fino a qualche centinaio. Spaziature tra i canali di decimi di nm. Perdite di inserzione di pochi dB; crosstalk intercanale > di 30 dB. Componenti basati su AWG (Array WaveGuide) (6)

59 Nel funzionamento come multiplatore, ovvero M in = N e M out = 1, N lunghezze d’onda diverse, a passi di , presenti sulla N fibre di ingresso, sono multiplate nell’unica fibra di uscita. Nel funzionamento come demultiplatore, ovvero M in = 1 e M out = N, il segnale presente sull’unico ingresso è diramato nelle N fibre di uscita, in funzione delle N lunghezze d’onda, a passi di  ; si ottiene, quindi, una lunghezza d’onda per ogni fibra di uscita. Per applicazioni di tipo “router”, ovvero M in = N e M out = N, tutte le N lunghezze d’onda, a passi di , presenti su ciascuna fibra di ingresso, sono distribuite opportunamente sulle N fibre di uscita. Ad esempio, se dalla prima fibra di ingresso le lunghezze d’onda sono distribuite sulle N fibre di uscita nell’ordine 1, 2, 3,.. N, dalla seconda fibra di ingresso le lunghezze d’onda sono distribuite sulle N fibre di uscita nell’ordine N, 1, 2,…  N-1, e così via. Componenti basati su AWG (Array WaveGuide) (7)

60 Architetture per reti WDM–PON: Composite PON (CPON) La prima ad essere proposta è stata la Composite PON (CPON): essa utilizza un insieme di in III finestra per la trasmissione downstream e una sola in II finestra in upstream, che viene condivisa facendo ricorso alla multiplazione TDM. Questa soluzione prevede la presenza di un Single-Wavelength Burst-Mode receiver nel OLT, per poter ricevere correttamente i segnali dalle varie ONU, sincronizzandosi ai loro clock, dato che le ONU potrebbero trovarsi a distanze diverse.

61 Architetture per reti WDM–PON: LARNET (Local Access Router Network) LARNET (Local Access Router Network) impiega nelle ONU al posto di transceiver a singola lunghezza d’onda, diodi LED, sorgenti ad ampio spettro molto più economiche. Le singole  sono riottenute facendo passare lo spettro a banda larga attraverso l’AWG. In base alla porta di ingresso scelta, la selezionata è diversa. La sorgente per l’OLT è invece realizzata con un MFL. In questo caso il ricevitore non è più a singola frequenza ma è un broadband receiver. Essendoci però un solo ricevitore, il canale deve essere ancora una volta condiviso in TDM.

62 Architetture per reti WDM–PON RITENET (Remote Interrogation of Terminal Network) Una soluzione che tende ad economizzare sulle ONU a scapito del costo dell’OLT è la RITENET (Remote Interrogation of Terminal Network) che propone di eliminare i trasmettitori dalle ONU. In questa architettura esse prelevano infatti una porzione del segnale e, tramite un modulatore, modulano e rinviano in upstream. L’OLT dovrà essere provvisto di un laser sintonizzabile che richiede la condivisione in TDM anche del segnale downstream, oppure di un array di trasmettitori; in questo caso però i costi aumentano dato che l’impiego della stessa  nelle due direzioni, rende necessario il raddoppio delle fibre e l’utilizzo di un AWG 2x2N. Il vantaggio principale di questa soluzione è rappresentato dall’assenza delle perdite dovute alla suddivisione dello spettro che si ha in LARNET.

63 Aspetti di test delle reti PON  I test in fase di collaudo considerano:  i due rami primari della rete (servizio & riserva)  lo splitter di centrale  lo splitter di rete  la rete connessa a valle di ciascun splitter di rete  dopo l’installazione non si può utilizzare per le misure le di funzionamento degli apparati (1310/1490/1550 nm) ma solo le m 780 e 1650 nm  la m 1650 nm (misura e monitor di reti ottiche) sostituirà la attuale m (1625 +/- 20 nm), per separare la m dalle tra 1605 e 1610 nm (DWDM e CWDM)  inserzione di un filtro grating di Bragg a 1650 nm nel connettore della bretella terminale (ONU) in modo tale da  misurare con precisione la riflessione terminale del ramo ONU alla m 1650 nm  predisporre l’impianto per futuri sistemi di monitoraggio

64 Aspetti di test delle reti PON  Test dalla centrale (OLT):  non si può sempre eseguire il test dalla centrale in quanto le fibre della tratta primaria potrebbero essere in servizio  Splitter:  elevata attenuazione degli splitter (fino a 17 dB)  localizzazione guasti:  sebbene alcuni clienti non siano ancora in servizio, il sistema e i clienti rimanenti potrebbero essere attivi, ciò che rende difficile test e risoluzione di eventuali guasti

65 Strumenti per il test delle reti PON  OTDR  Range dinamico minimo 25 dB a 1 µs  = 1310, 1490, 1550, 780, 1650 nm  ORL (Optical Return Loss)  Visual Fault Locator (VFL)  OLTS (Optical Loss Test Set)  = 1310, 1490, 1550 1625 nm (sorgente)  Power Meter (  +26 to - 40dBm)

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67 Porta 1 Porta 2 Porta N G Centrale Cliente OLT Rete primaria Rete secondaria ONT Splitter:  attenuazione massima d’inserzione:  Splitter di centrale 2:2 = 4.6 dB  Splitter di rete 2:8 = 12.0 dB  Splitter di rete 2:16 = 15.3 dB  variazioni maggiori di 2 dB tra diverse porte sono da considerare guasti Test di reti PON – valori dei parametri da verificare

68 Test di reti PON – attenuazione di sezione Centrale Cliente OLT Rete primaria Rete secondaria ONT G G A max  [(A f  L) + (n g  A g ) + (n c  A c ) + A sc + A sr ] (dB) A f  f = x dB/Km a = x nm (ad esempio: 0.29 dB/Km a =1650 nm) L (Km) n g n°giunzioni di linea A g  g (dB) nominale n c n° connessioni A c  c max dB (ad esempio,  c max = 0.5 dB) A sc  max splitter centrale (dB) (+  max connettori meccanici) A sr  max splitter rete (dB) (+  nom giunti a fusione)

69 Centrale Cliente OLT Rete primaria Rete secondaria ONT G G Il test di reti PON – Optical Return Loss

70 Test di reti PON – Optical Return Loss (ORL)  ORL rappresenta la sommatoria delle potenze riflesse dell’intero impianto;  ognuno degli elementi connessi ha influenza sul Return Loss totale;  al riguardo, una potenza riflessa eccessiva influenza l’emissione del laser (banda) e può causare errori di trasmissione;  si devono verificare i seguenti valori:  OLT  ORL a = 1550 nm: ≥ 32 dB  ONT  ORL a = 1310 nm: ≥ 32 dB

71 OTDR per reti PON

72 OLT muffola Utente ONU Cabinet Giunto/connettore Central Office Cavo dropCavo primario Splitter di rete 1:4 Splitter, 6  7dB 1:8/1:16, Splitter La domanda é se un OTDR può monitorare l’intera PON Possibilità dell’OTDR

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74 Lunghezza [m] Potenza retrodiffusa accoppiatore Riflessioni dalla fine fibre dei rami in uscita dallo splitter Effetto combinato dovuto a tutte le fibre OTDR Input Output 1: 8  l’effetto combinato di tutte le fibre conduce ad una misura con l’OTDR poco sensibile e di difficile interpretazione  comunque, è possibile valutare gli effetti di eventi se:  l’evento da valutare ha una attenuazione molto alta  le fibre in uscita dallo splitter hanno differenti lunghezze. OTDR - effetti dello splitter

75 Lunghezza [m] Potenza retrodiffusa accoppiatore Fine fibra 3 mancante Punto di rottura della fibra 3  In uno splitter 1: 8 una fibra spezzata provoca un aumento di attenuazione di soli 0.29 dB (si misurano i 7/8 della potenza retrodiffusa)  infatti:  = 5 Log (8/7) = 0.29 dB 0.29 dB OTDR - effetti dello splitter OTDR Input Output 1: 8

76 Input Output 1:8 Fibra OTDR Lunghezza [m] Potenza retrodiffusa accoppiatore Effetti indesiderati dovuti alla risposta dell’amplificatore in ricezione e dell’impulso usato. Rumore OTDR per PON - caratteristiche  L’attenuazione tipica di un accoppiatore 1:8 è  10 dB, ciò che riduce notevolmente il rapporto S/N  per buoni valori di S/N, l’OTDR deve avere:  notevole energia del segnale ottico (elevata dinamica con impulsi corti)  grande sensibilità del ricevitore  veloce recovery time (per il recover dopo alta attenuazione).

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78 OTDR per PON - durata impulsi e dinamica  Per reti PON “lunghe” la misura dell’intera PON richiede impulsi da 500 ns a 4 µs  per reti PON “corte” sono necessari impulsi da 10 a 100 ns  si devono impiegare differenti impulsi corti per esaminare i vari rami con sufficiente risoluzione. Class AClass BClass C < 20dB loss< 25dB loss< 30dB loss 10 ns2 - 3m6 - 9 dBv 100ns10 - 15m11 - 14dBv 500 ns50m18 - 21 dBv 1s1s 100m22 - 25 dBvvv 4s4s 400m29 - 32 dBvvv ITU-T G.983.3 Larghezza impulso distanza Range dinamico PON “corte” (< 5km) PON “lunghe” (< 20km)

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