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EPON e GPON sono versioni popolari delle reti ottiche passive (PON). Queste reti a corto raggio di cavo in fibra ottica sono utilizzate per l’accesso a Internet, la voce su protocollo Internet (VoIP) e la consegna della TV digitale nelle aree metropolitane. Altri usi includono connessioni backhaul per basi cellulari, hotspot Wi-Fi e anche sistemi di antenne distribuite (DAS). Le differenze principali tra loro risiedono nei protocolli utilizzati per le comunicazioni downstream e upstream.
Reti ottiche passive
Una PON è una rete in fibra che utilizza solo fibra e componenti passivi come splitter e combinatori piuttosto che componenti attivi come amplificatori, ripetitori o circuiti di shaping. Tali reti costano significativamente meno di quelle che usano componenti attivi. Lo svantaggio principale è una gamma più breve di copertura limitata dalla forza del segnale. Mentre una rete ottica attiva (AON) può coprire una gamma di circa 100 km (62 miglia), una PON è tipicamente limitata a percorsi di cavi in fibra fino a 20 km (12 miglia). Le PON sono anche chiamate reti FTTH (fiber to the home).
Il termine FTTx è usato per indicare la distanza di un percorso in fibra. In FTTH, x sta per casa. Si può anche vedere chiamato FTTP o fibra ai locali. Un’altra variazione è FTTB per la fibra fino all’edificio. Queste tre versioni definiscono sistemi in cui la fibra corre per tutta la strada dal fornitore di servizi al cliente. In altre forme, la fibra non viene portata fino al cliente. Invece, viene eseguita fino a un nodo intermedio nel quartiere. Questo è chiamato FTTN per la fibra fino al nodo. Un’altra variante è FTTC, o fibra fino al marciapiede. Anche qui la fibra non arriva fino a casa. Le reti FTTC e FTTN possono usare la linea telefonica in rame non schermata (UTP) del cliente per estendere i servizi a un costo inferiore. Per esempio, una linea ADSL veloce porta i dati in fibra ai dispositivi del cliente.
La tipica disposizione PON è una rete punto-multipunto (P2MP) in cui un terminale di linea ottica centrale (OLT) presso la struttura del fornitore di servizi distribuisce il servizio TV o Internet a un numero di clienti compreso tra 16 e 128 per linea in fibra (vedi figura). Gli splitter ottici, dispositivi ottici passivi che dividono un singolo segnale ottico in più segnali uguali ma di potenza inferiore, distribuiscono i segnali agli utenti. Un’unità di rete ottica (ONU) termina il PON a casa del cliente. L’ONU di solito comunica con un terminale di rete ottica (ONT), che può essere una scatola separata che collega il PON a televisori, telefoni, computer o un router wireless. La ONU/ONT può essere un unico dispositivo.
Nel metodo di funzionamento di base per la distribuzione a valle su una lunghezza d’onda della luce da OLT a ONU/ONT, tutti i clienti ricevono gli stessi dati. La ONU riconosce i dati destinati a ciascun utente. Per l’upstream da ONU a OLT, viene utilizzata una tecnica TDM (time division multiplex) in cui a ciascun utente viene assegnato un timeslot su una diversa lunghezza d’onda della luce. Con questa disposizione, gli splitter agiscono come combinatori di potenza. Le trasmissioni a monte, chiamate operazioni in modalità burst, avvengono in modo casuale quando un utente ha bisogno di inviare dati. Il sistema assegna uno slot secondo necessità. Poiché il metodo TDM coinvolge più utenti su una singola trasmissione, la velocità dei dati a monte è sempre più lenta di quella a valle.
GPON
Nel corso degli anni, sono stati sviluppati vari standard PON. Alla fine degli anni ’90, l’International Telecommunications Union (ITU) ha creato lo standard APON, che utilizzava l’Asynchronous Transfer Mode (ATM) per la trasmissione di pacchetti a lungo raggio. Poiché ATM non è più utilizzato, è stata creata una versione più recente chiamata PON a banda larga, o BPON. Designato come ITU-T G.983, questo standard prevedeva 622 Mbit/s a valle e 155 Mbit/s a monte.
Mentre il BPON può ancora essere usato in alcuni sistemi, la maggior parte delle reti attuali usa il GPON, o Gigabit PON. Lo standard ITU-T è G.984. Fornisce 2,488 Gbits/s a valle e 1,244 Gbits/s a monte.
GPON usa il multiplexing ottico a divisione di lunghezza d’onda (WDM) così una singola fibra può essere usata sia per i dati a valle che a monte. Un laser su una lunghezza d’onda (λ) di 1490 nm trasmette i dati a valle. I dati a monte trasmettono su una lunghezza d’onda di 1310 nm. Se viene distribuita la TV, viene usata una lunghezza d’onda di 1550 nm.
Mentre ogni ONU ottiene l’intera velocità a valle di 2,488 Gbits/s, GPON usa un formato di accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA) per assegnare un timeslot specifico a ogni utente. Questo divide la larghezza di banda in modo che ogni utente ottenga una frazione come 100 Mbit/s a seconda di come il fornitore di servizi la alloca.
La velocità di upstream è inferiore al massimo perché è condivisa con altre ONU in uno schema TDMA. L’OLT determina la distanza e il ritardo di ogni abbonato. Poi il software fornisce un modo per assegnare timeslot ai dati upstream per ogni utente.
La divisione tipica di una singola fibra è 1:32 o 1:64. Ciò significa che ogni fibra può servire fino a 32 o 64 abbonati. Rapporti di divisione fino a 1:128 sono possibili in alcuni sistemi.
Per quanto riguarda il formato dei dati, i pacchetti GPON possono gestire direttamente i pacchetti ATM. Ricordiamo che ATM confeziona tutto in pacchetti da 53 byte con 48 per i dati e 5 per l’overhead. GPON usa anche un metodo di incapsulamento generico per trasportare altri protocolli. Può incapsulare Ethernet, IP, TCP, UDP, T1/E1, video, VoIP, o altri protocolli come richiesto dalla trasmissione dei dati. La dimensione minima del pacchetto è di 53 byte e la massima è di 1518. La crittografia AES è usata solo a valle.
L’ultima versione di GPON è una versione a 10 gigabit chiamata XGPON, o 10G-PON. Poiché la domanda di video e di servizi televisivi over the top (OTT) è aumentata, c’è una crescente necessità di aumentare le velocità di linea per gestire i dati massicci di video ad alta definizione. XGPON serve a questo scopo. Lo standard ITU è G.987.
La velocità massima di XGPON è di 10 Gbits/s (9,95328) a valle e 2,5 Gbits/s (2,48832) a monte. Vengono usate diverse lunghezze d’onda WDM, 1577 nm a valle e 1270 nm a monte. Questo permette al servizio a 10 Gbit/s di coesistere sulla stessa fibra con il GPON standard. La divisione ottica è 1:128, e la formattazione dei dati è la stessa del GPON. La portata massima è ancora di 20 km. XGPON non è ancora ampiamente implementato, ma fornisce un eccellente percorso di aggiornamento per i fornitori di servizi e i clienti.
La maggior parte dei PON sono configurati così. Il numero di splitter e i livelli di split variano a seconda del fornitore e del sistema. I rapporti di divisione sono di solito 1:32 o 1:64 ma potrebbero essere più alti.
EPON
L’Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) ha sviluppato un altro standard PON più recente. Basato sullo standard Ethernet 802.3, EPON 802.3ah specifica una rete passiva simile con una portata fino a 20 km. Utilizza WDM con le stesse frequenze ottiche di GPON e TDMA. Il tasso di dati grezzi della linea è di 1,25 Gbits/s sia in direzione downstream che upstream. A volte si sente parlare della rete come Gigabit Ethernet PON o GEPON.
EPON è completamente compatibile con altri standard Ethernet, quindi non è necessaria alcuna conversione o incapsulamento quando ci si collega a reti basate su Ethernet su entrambe le estremità. Lo stesso frame Ethernet è usato con un carico utile fino a 1518 byte. EPON non usa il metodo di accesso CSMA/CD usato in altre versioni di Ethernet. Poiché Ethernet è la tecnologia di rete primaria utilizzata nelle reti locali (LAN) e ora nelle reti metropolitane (MAN), non è necessaria alcuna conversione di protocollo.
C’è anche una versione Ethernet da 10 Gbit/s designata 802.3av. La velocità di linea effettiva è di 10,3125 Gbits/s. La modalità primaria è 10 Gbits/s a monte e a valle. Una variante usa 10 Gbits/s a valle e 1 Gbit/s a monte. Le versioni da 10 Gbit/s usano diverse lunghezze d’onda ottiche sulla fibra, da 1575 a 1580 nm a valle e da 1260 a 1280 nm a monte, così il sistema da 10 Gbit/s può essere multiplexato sulla stessa fibra di un sistema standard da 1 Gbit/s.
Sommario
Le compagnie di telecomunicazioni usano i PON per fornire servizi triple-play che includono TV, telefono VoIP e servizio Internet agli abbonati. Il vantaggio è una velocità di dati molto più alta, essenziale per la distribuzione di video e altri servizi Internet. Il basso costo dei componenti passivi significa sistemi più semplici con meno componenti che si guastano o richiedono manutenzione. Lo svantaggio principale è la minore portata possibile, comunemente non più di 20 km o 12 miglia. I PON stanno crescendo in popolarità con la crescita della domanda di un servizio Internet più veloce e di più video. GPON è il più popolare negli Stati Uniti, come il sistema Foist di Verizon. I sistemi EPON sono più diffusi in Asia ed Europa.
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1. Frenzel, Louis, Principles of Electronic Communications Systems, McGraw Hill, 2008.References
2. Lippi, Nicholas, GPON vs. Gigabit Ethernet in Campus Networking, febbraio 2012.
3. Trots, Joe, An Overview of GPON in the Access Network, presentazione per Ericsson, novembre 2008.
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La maggior parte dei PON sono configurati così. Il numero di splitter e i livelli di split variano a seconda del fornitore e del sistema. I rapporti di divisione sono di solito 1:32 o 1:64, ma potrebbero essere più alti.