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Le reti Passive Optical Networks (PON)

La fibra ottica è già oggi ampiamente impiegata nella rete dorsale e nella MAN ma

nonostante i suoi indubbi vantaggi rispetto al doppino in rame stenta a diffondersi nella

rete di accesso. La ragione è dovuta al fatto che mentre la core network gode di un alto

livello di condivisione che permette di ottimizzare gli alti costi di installazione della fibra,

nell’Ultimo Miglio risulta più conveniente sfruttare l’ubiquità della rete in rame. Per questo

si tenta di trovare soluzioni che rendano economicamente sostenibile l’introduzione della

fibra in accesso su larga scala. Una soluzione interessante è l’introduzione delle PON,

che sono state ideate alla fine degli anni ‘80 nei BT Labs, ma che hanno trovato

applicazione solo oggi, a causa della maggior richiesta di banda dei servizi di nuova

generazione.

In questo capitolo si illustreranno i vati tipi di PON con particolare riferimento alle IEEE

EPON, alle FSAN/ITU-T GPON e alle WDM-PON.

1 Cos’è una PON

Una PON (Passive Optical Network) è una rete ottica, priva di elementi attivi nel

percorso da sorgente a destinazione e utilizzata di solito in configurazioni point-to-

multipoint, . È costituita da un OLT (Optical Line Terminal) e da N ONU (Optical

Network Unit o ONT (Optical Network Termination)1. Il primo funziona da interfaccia

tra la PON e la rete di backbone, mentre le seconde da interfaccia con gli utenti. Rispetto

ad altre soluzioni la PON ha il vantaggio di minimizzare l’uso della fibra e il numero di

transceivers, senza utilizzare nessun switch attivo, ma solo uno splitter/accoppiatore

passivo, meno costoso e privo di esigenze di alimentazione. Questo elemento è in grado

di dividere la potenza di un segnale ottico proveniente da una fibra su più fibre e di

effettuare l’operazione inversa.

1L’interfaccia tra rete e utenti prende il nome di ONT, quando si trova nella sede dell’utente, si chiama invece ONU quando si trova in un armadio di distribuzione nelle vicinanze.

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In una PON la distanza tra Central Office (CO) e utenti può superare i 20 km. Sempre

nell’ottica di minimizzare i costi, è possibile impiegare un'unica fibra per la trasmissione

downstream e upstream utilizzando lunghezze d’onda distinte, per esempio si può usare la

seconda finestra in upstream e la terza in downstream. I valori usati di solito sono 1.310

nm in upstream e 1.490 nm in downstream..

La trasmissione bidirezionale è resa possibile dall’impiego di accoppiatori WWDM (Wide

WDM)2.

La fibra ottica utilizzata è di solito del tipo monomodale conforme allo Standard ITU-T

G.652. La massima distanza raggiungibile è limitata dalle direttività dello splitter (in

genere 40-50 dB) e dalle sue perdite: Insertion Loss (tra 0.1 e 1dB) e Splitting Loss (per

il coupler 2x2 ideale 3dB).

Figura 1: PON che usano una singola fibraPer una PON sono possibili vari tipi di topologie point-to-multipoint

come per esempio, topologie ad albero, ad anello, a bus, o anche ad albero con ridondanza.

Figura 2: Topologie delle PON

2 Modulazione WDM con canali spaziati di più di 50nm.



In una PON in direzione downstream i frame vengono distribuiti in modalità broadcast a

tutte le ONU. Ciascuna ONU prenderà solo i frame ad essa destinati. In direzione

upstream, invece, la condivisione del mezzo fisico viene realizzata con la multiplazione a divisione di tempo (TDM). Ad ogni ONU viene associato un intervallo temporale per la

trasmissione, in base ad un algoritmo di allocazione. La suddivisione dei timeslot viene

effettuata dall’OLT.

La trasmissione nelle due direzioni è illustrata nelle figure che seguono.

Figura 3: trasmissione downstream

Figura 4: Trasmissione upstream



Per il trasmettitore dell’OLT di solito si utilizza un laser DFB (Distributed Feedback)

mentre per le ONU dei più economici laser di Fabry-Perot. Il primo è caratterizzato da

uno spettro molto stretto, i secondi invece sono più economici ma emettono uno spettro a

larga banda.

2 Tipi di PON

Esistono principalmente tre standard di PON: BPON, GPON e EPON.

Le BPON (Broadband PON) sono state sviluppate attraverso il lavoro del consorzio

FSAN (Full-Service Access Network), nato nel 1995 su iniziativa di cinque centri di

ricerca dei maggiori operatori di telecomunicazioni (in particolare TILAB, all’epoca CSELT)

e di cui oggi fanno parte ben 15 operatori e 36 costruttori di apparati o chipset

(http://www.fsanweb.org).

Le BPON utilizzano ATM come protocollo di trasporto. Sono previsti bit-rate in upstream

compresi tra 155.52 Mbps e 622.08 Mbps e in downstream tra 155.52 Mbps e 1244.16, in

combinazioni simmetriche e asimmetriche.

In direzione downstream l’OLT trasmette, in modo continuo e in modalità broadcast, celle ATM o celle PLOAMd (Physical Layer Operation Administration Maintenance downstream). Una cella ATM ha una lunghezza fissa di 53 byte, 48 di payload e 5 di

header, che comprende:

virtual channel identifier (VCI) virtual path identifier (VPI) payload type (PT) cell loss priority (CLP) header error control (HEC)

Una cella PLOAMd contiene:

il PLOAM

l’allocazione dei timeslot alle ONU



http://www.fsanweb.org/

Viene inviata una cella PLOAM ogni 27 celle ATM.

In direzione upstream ogni ONU nel proprio timeslot invia una cella ATM o una cella

PLOAMu3 con un overhead aggiuntivo di 3 byte contenente informazioni varie per l’OLT,

tra cui il tempo di guardia per evitare collisioni.

La situazione attuale delle code nelle ONU è riportata nelle celle PLOAMu .

L’assegnazione dei timeslot da parte dell’ONU può anche essere dinamica sulla base

delle informazioni raccolte, per rispondere al meglio alle esigenze delle ONU.

Le BPON sono però oggi obsolete, in quanto nel frattempo ATM è stato superato da

Ethernet che è diventato uno standard universalmente accettato.

Inoltre l’utilizzo di ATM nelle PON creava una serie di problemi, tra cui:

l’invalidazione di un intero pacchetto IP a causa della corruzione di una cella ATM.

Le restanti celle che compongono il pacchetto inoltre continuano ad essere

trasmesse con il conseguente spreco di risorse

imposizione della cosiddetta “cell tax”. Le celle ATM hanno lunghezza fissa, invece

i pacchetti IP sono di lunghezza variabile: questo comporta un aumento

dell’overhead.

Parallelamente all’attività di FSAN, un gruppo di costruttori di apparati Ethernet nel

Novembre del 2000 decise di istituire un gruppo di lavoro denominato EFM (Ethernet in

the First Mile), che si occupasse di creare in ambito IEEE uno Standard per l’utilizzo nelle

reti di accesso del protocollo Ethernet, fino ad allora diffuso solo nelle LAN (Local Area

Network). L’attività del gruppo EFM si è conclusa nel 2003 con la stesura dello Standard

IEEE 802.3ah, che definisce le EPON. Diversamente dalle BPON, le EPON trasportano frame Ethernet di lunghezza variabile fino a 1518 byte.

3 Celle PLOAM upstream



L’ultimo tipo di PON ad essere introdotto, sono state le GPON, ancora una volta ad opera dell’ITU-T con la Raccomandazione G.984, che possono trasportare in modo nativo varie

tipologie di traffico (Ethernet, ma anche ATM o TDM) grazie al protocollo di

incapsulamento GEM (Gigapon Encapsulation Method).

GPON e EPON saranno descritte in dettaglio nei paragrafi successivi.

Le BPON si sono molto diffuse in Estremo Oriente in particolare Giappone, Corea,

Taiwan. In seguito in questi paesi sono stati fatti molti investimenti sulle EPON, come per

esempio a Taiwan, dove si sta svolgendo una vasta sperimentazione ad opera dell’ITRI

(Industrial Techonology Research Institute), un ente di ricerca finanziato dal governo.

In Nord America dopo la diffusione delle BPON, grande è ora l’interesse per le GPON. È

da osservare che la particolare topologia di rete di questi paesi minimizza i costi di

cablaggio rispetto alla situazione europea: infatti spesso è consentita la posa aerea dei

cavi e sono molto diffuse unità abitative mono o bi-familiari.

Per quanto riguarda l’Europa, sperimentazioni sono state fatte nell’ambito del progetto

GIANT (GPON Access Network ) finanziato dal programma IST (Information Society

Technology) dell’Unione Europea.

3 EPON Ethernet appare essere la scelta migliore per una rete di accesso ottimizzata per il traffico

dati IP, soprattutto con l’aggiunta delle tecniche per l’introduzione della QoS, di recente

adottate, che la rendono in grado di supportare traffico Triple Play.

Lo Standard IEEE 802.3 definisce due configurazioni di base per Ethernet:

Shared-medium network

Full duplex point-to-point links



Nel primo caso tutte le stazioni sono connesse ad un unico mezzo condiviso.

Una sola stazione per volta può trasmettere, mentre tutte possono ricevere

contemporaneamente. Per evitare collisioni si utilizza il protocollo CSMA/CD (Carrier

Sense Multiple Access with Collision Detection).

Nel secondo caso le stazioni sono connesse da collegamenti point-to-point full duplex e

quindi ognuna di esse può trasmettere e ricevere contemporaneamente.

Le EPON per le loro particolari caratteristiche, possono essere considerate una

combinazione di queste due configurazioni.

3.1 Funzionamento delle EPON Il comportamento di una EPON in direzione downstream è simile a quello shared-

medium. Un OLT trasmette i frame in modo broadcast a tutte le ONU, queste ultime

estraggono i frame Ethernet a loro destinati sulla base dell’indirizzo MAC contenuto

nell’header del frame.

In direzione upstream, data la direttività del combiner, i frame trasmessi da ciascuna ONU

arrivano solo all’OLT e non alle altre ONU, e questo fa si che prima del combiner è come

se ONU e OLT fossero connesse con un collegamento point-to-point. Tuttavia dopo il

combiner, a causa della condivisione del mezzo fisico, potrebbero verificarsi delle

collisioni: è quindi necessario implementare un meccanismo di controllo.

Il protocollo CSMA/CD però non è adatto a tale scopo perché le ONU non possono

rilevare le collisioni all’OLT a causa della direttività dello splitter/combiner. Un OLT

potrebbe rilevare una collisione e inviare un messaggio ma la lunghezza dei collegamenti,

che possono essere superiori ai 20 km, lo rendono un sistema inefficiente.

Tutte le ONU sono sincronizzate rispetto ad un comune riferimento temporale. Il time-slot

allocato a ciascuna ONU può contenere più di un frame Ethernet. Una ONU deve

bufferizzare i suoi frame fino all’inizio del suo timeslot, in quel momento emetterà il numero

di frame che entra nel suo timeslot ad una velocità che corrisponde ad uno degli standard

Ethernet. Un frame non può mai essere spezzato. È possibile prevedere code distinte per

implementare classi di servizio con diversi requisiti di QoS, in particolare sono state



introdotte 8 classi che corrispondono ai tools per il controllo della qualità introdotti in

Ethernet bridging (IEEE802.1p e IEEE802.1Q).

È chiaro che proprio nel funzionamento upstream si riscontrano i maggiori limiti delle

EPON, dato che la banda che in downstream è a completa disposizione del OLT, va

suddivisa tra le N ONU in upstream .

L’allocazione dei timeslot può essere statica o dinamica. La prima è più facile da

implementare, la seconda consente un migliore sfruttamento della banda ma richiede un

meccanismo di controllo delle dimensioni delle code.

L’accesso al mezzo condiviso nelle EPON è regolato con il protocollo MPCP.

3.2 Il protocollo MPCP (Multipoint Control Protocol)

MPCP (Multipoint Control Protocol ) è un protocollo di segnalazione definito dall’IEEE

802.3ah Task Force. Prevede due modalità operative:

Autodiscovery mode

Normal mode

La prima è utilizzata per inizializzare le ONU appena connesse e usa tre messaggi di

controllo: REGISTER, REGISTER_REQUEST E REGISTER_ACK. L’OLT invia un

messaggio di inizializzazione (REGISTER ). In esso è indicato l’inizio e la durata dello

slot di inizializzazione che ha lunghezza di almeno

<transmission size> + < maximum round-trip time> - <minimum round-trip time> dove <transmission size> è la lunghezza della finestra di trasmissione che una ONU non

inizializzata può utilizzare. A questo devono rispondere solo le ONU non ancora registrate

con un REGISTER_REQUEST. L’OLT risponde con il REGISTER_ACK che rende

effettiva la registrazione dell’ONU a cui è destinato.



Il problema è che più di una ONU non registrata potrebbe rispondere allo stesso

REGISTER contemporaneamente: in questo caso i messaggi potrebbero collidere. Le

ONU, i cui REGISTER_REQ sono finiti in collisione, non vengono inizializzate. Non

ricevendo il REGISTER_ACK l’ONU dedurrà che è avvenuta una collisione e tenterà di

nuovo l’inizializzazione solo dopo aver saltato un numero casuale di messaggi

REGISTER, per evitare una nuova collisione.

In tutti i messaggi è presente un riferimento temporale e grazie ad essi l’OLT apprende

informazioni importanti sulle ONU appena connesse come il RTT (Round Trip Time) e il

MAC address.

Il Normal mode è usato per realizzare l’effettiva assegnazione dei time-slot alle ONU

inizializzate. Utilizza due tipi diversi di messaggi di controllo:

GATE REPORT

MPCP riceve la richiesta di trasmettere un messaggio di gate ad una particolare ONU dal

livello superiore MAC CONTROL CLIENT; i messaggi GATE sono unicast. Nel messaggio

di GATE è specificata l’ora di inizio di trasmissione e la sua durata. Lo strato MPCP ha un

orologio (sia nell’OLT che in tutte le ONU) e nel passare il GATE al livello MAC, MPCP

inserisce un timestamp con il suo local time.

Quando l’ONU lo riceve verifica che il timestamp non sia molto lontano dall’istante di

arrivo del GATE. Se è troppo lontano, ovvero se la distanza dei due valori supera una

certa soglia, supporrà di aver perso la sincronizzazione e dovrà inizializzarsi di nuovo;

altrimenti aggiornerà il suo orologio locale con il timestamp e, arrivato l’istante di inizio

trasmissione, comincerà a trasmettere un certo numero di frame, che dipende dalla

grandezza del timeslot.



Figura 5: Utilizzo del messaggio GATE

I messaggi di REPORT sono spediti insieme ai dati dalle ONU. I REPORT sono generati

nel MAC CONTROL CLIENT e il timestamp è posto nello strato MAC. Il REPORT contiene

la grandezza della banda richiesta dall’ONU sulla base dell’attuale coda di frame.

L’ONU nel richiedere la banda deve anche tenere conto dell’overhead (cioè 64 bit di

preamble e 96 bit di Inter Frame Gap IFG per ogni frame). Quando il REPORT arriva

all’OLT viene passato al MAC CONTROL CLIENT che in base ad un algoritmo di

allocazione di banda anche dinamica (Dynamic Band Allocation DBA) decide quanta

banda allocare all’ONU che ha spedito il REPORT.

L’OLT verifica anche il RTT dell’ONU. Un piccolo cambiamento dal valore precedentemente

misurato può essere provocato da una variazione nell’indice di rifrazione dovuto ad un

innalzamento o abbassamento di temperatura. Un cambiamento troppo grande può essere una

perdita di sincronizzazione tra ONU e OLT e l’ONU deve essere re-inizializzata.



Figura 6: Utilizzo del messaggio REPORT

3.3 Near-Far problem A seconda della topologia impiegata varia la distanza delle varie ONU dall’OLT, che

possono quindi trovarsi a distanze molto diverse tra loro. Questo fatto crea il cosiddetto

Near-Far Problem, dovuto alle differenti attenuazioni che subiscono i segnali delle varie

ONU. Se il ricevitore dell’OLT è regolato per ricevere correttamente il segnale di una ONU

“vicina”, potrebbe non ricevere correttamente il segnale di una ONU lontana. Infatti,

essendo quest’ultimo maggiormente attenuato, l’OLT potrebbe leggere degli “uno” come

degli “zero”. Viceversa, se il ricevitore è regolato su una ONU “lontana, potrebbe

confondere degli “zero” con degli “uno”.

Per risolvere questo problema il ricevitore dell’OLT deve essere in grado di adattare

rapidamente la soglia zero-uno all’inizio di ogni time-slot e deve quindi operare in “burst

mode”, a differenza dei ricevitori delle ONU che invece ricevono continuamente.



Un’altra possibile strategia è quella di aggiustare la potenza di trasmissione delle ONU in

modo tale che la potenza ricevuta sia la stessa per tutte le ONU, indipendentemente dalla

distanza. Questa soluzione però:

Richiede un Hardware molto più complicato per le ONU e uno speciale protocollo di

segnalazione per il feedback dall’OLT alle ONU.

Riduce le prestazioni di tutte le ONU ai livelli di quella più lontana.

Un altro fatto di cui bisogna tenere conto è che anche quando una ONU non sta

trasmettendo, il suo laser genera un rumore che, nel caso di ONU “vicine”, può facilmente

mascherare il segnale utile di una ONU “lontana” (Capture Effect). Quindi una ONU deve

spengere il suo laser nell’intervallo tra due timeslot ad essa assegnati. Dato che un laser si

raffredda quando viene spento e si riscalda quando viene acceso, la sua potenza di

emissione può fluttuare all’atto dell’accensione. Risulta quindi molto importante la scelta

di laser che si stabilizzino rapidamente.

3.4 Conformita’ delle EPON con l’architettura 802 L’architettura 802 prevede le due possibilità : shared medium e full duplex. Ritenendo che le stazioni connesse alla stessa porta del bridge possono comunicare tra

loro senza l’intervento del bridge, è previsto che quest’ultimo non inoltri mai un frame alla

porta da cui l’ha ricevuto. Questo comporta che utenti connessi a ONU diverse della

stessa PON non possono comunicare senza che i dati vengano processati a livello 3 o

superiori.

Per risolvere questo problema e rendere semplice il collegamento con altre reti Ethernet,

si aggiunge un ulteriore sublayer ai dispositivi collegati alla EPON, che emula il

comportamento shared medium o point-to-point medium e prende il nome di Shared

Medium Emulation (SME) sublayer o Point-to-Point Emulation (PtPE) sublayer.

Questo sottolivello è posizionato sotto il MAC layer per preservare la compatibilità con lo

standard 802.3 e inserisce un tag ai frame Ethernet che si chiama Link ID.



Il Link ID deve essere unico e viene assegnato al momento dell’inizializzazione.

Il Link ID come si vede dalla figura 2.7 è inserito nel preambolo.

Figura 7: Inserimento del Link ID nel preamble

.

Nel caso di PtPE, l’OLT deve avere N interfacce MAC, una per ogni ONU. Quando viene

inviato un frame downstream questo viene etichettato con il Link ID della porta da cui

proviene. In questo modo anche se il frame sarà ricevuto da tutte le ONU solo quella a cui

è destinato lo invierà a livello MAC dove ci sarà un ulteriore controllo.

In questo modo è come se il frame fosse stato inviato con un link poin-to-point solo

all’ONU a cui è effettivamente destinato.



Figura 8: PtP Emulation, trasmissione downstream In direzione upstream ciascuna ONU inserisce il suo Link ID nel preambolo dei suoi frame;

il PtPE sublayer invia i frame all’opportuna porta MAC sulla base del tag unico.

Figura 9: PtP Emulation, trasmissione upstream

Questa configurazione è compatibile con il bridging perché ogni ONU è connessa ad una

porta del bridge indipendente.

Figura 10: PtP Emulation, bridging tra ONU



Nella configurazione SME i frame emessi da ogni nodo, che sia ONU o OLT, devono

essere ricevuti da tutti i nodi (OLT e ONU). Questo viene ottenuto facendo in modo che il

sottolivello SME inserisca un Link ID “broadcast”. L’OLT in questo caso necessita di

un'unica porta. Lo SME sublayer garantisce che le ONU possano comunicare tra loro a

livello fisico senza necessità di bridge.

Per evitare che ci sia duplicazione di frame ovvero, che un frame emesso da un nodo

venga ricevuto dal nodo stesso, il sottolivello SME di una ONU accetta un frame solo se

ha un Link ID diverso dal proprio.

Figura 11 SME Emulation: trasmissione downstream

Figura 12: SME emulation, trasmissione upstream



La soluzione migliore per una Subscriber Access Network è impiegare

contemporaneamente SME e PtPE, sfruttando i pregi di entrambe. Infatti se da un lato

SME è molto utile in trasmissioni broadcast, come per esempio nel caso di Video

Broadcast, dall’altro far comunicare due ONU con SME comporta uno spreco di banda

molto maggiore di PtPE.

Figura 13: Combinazione di PtP emulation mode e di SME emulation mode

3.5 Sicurezza Con l’introduzione di Ethernet nell’Ultimo Miglio ad opera dell’ IEEE 802.3ah Task Force,

nasce l’esigenza di prevedere meccanismi atti a garantirne la sicurezza. Poiché Ethernet

nasce per le LAN originariamente non prevedeva questi meccanismi.

I principali problemi da affrontare sono:

Subscriber privacy

Theft of Service



Queste esigenze possono essere soddisfatte con l’aiuto della crittografia, che può essere

implementata:

Sopra il MAC sublayer

Sotto il MAC sublayer

La seconda opzione garantisce maggior sicurezza in quanto viene criptato l’intero bit

stream.

L’algoritmo di cifratura usato per le EPON è l’ Advanced Encryption Standard (AES),

che prevede chiavi di 128, 192 o 256 bit, diverse per ogni ONU.

Si utilizza il Link ID per identificare un tunnel tra OLT e ONU (PtPE). Un byte nell’header

viene utilizzato come key identifier e da questo campo è possibile capire se il frame è

criptato .

Ogni ONU ha una chiave valida per la sessione corrente. Il key identifier fa riferimento

proprio a questa chiave. Se il frame non è criptato assume un valore di default.

Figura 14: preambolo con Link ID e Key identifier

4 GPON La GPON è un’evoluzione della BPON ed è definita dalle Raccomandazioni della serie

ITU-T G.984.

Le GPON, a differenza delle EPON, non trasportano in modo nativo frame Ethernet , ma,

tramite il protocollo di incapsulamento GEM (GPON Encapsulation Method), supportano



varie tipologie di traffico, anche legacy. Come le BPON, le GPON possono utilizzare

anche ATM.

Il lavoro di FSAN si è focalizzato molto sulla necessità di consentire il trasporto di traffico

TDM e ATM e di fornire vari livelli di QoS, in modo da rispondere anche alle esigenze di

servizi con requisiti molto stringenti. Anche le GPON come tutte le PON per condividere le

risorse tra più ONU in upstream fanno ricorso al TDM.

Sono possibili varie combinazioni di velocità sia simmetriche che asimmetriche, comprese

tra 155.52 Mb/s e 2.48 Gb/s.

Inoltre la GPON come la EPON consente di criptare i dati con l’AES ( Advanced

Encryption Standard).

4.1 Funzionamento delle GPON Il formato per i due sensi di trasmissione è specificato dalla Raccomandazione G.984.3

del febbraio 2004, che definisce la GPON Transmission convergence layer specification. I frame hanno una durata fissa di 125 μs sia in upstream che in

downstream e ciò consente la distribuzione di un clock sincrono a 8 kHz.

In assenza di traffico utile, la OLT genera traffico “Idle” per garantire la continuità

trasmissiva e consentire alle ONU di estrarre il clock dai dati Downstream. Anche il traffico

upstream è strutturato in frame di 125 μs.

La presenza del riferimento temporale a 125 μs, rende possibile il delivery di servizi legacy

TDM ( come per esempio, le virtual leased line per piccole e medie imprese). Per poter

trasportare anche servizi con requisiti molto stringenti, come quelli real-time, la strategia

scelta per le GPON a differenza delle EPON, è quella di rendere possibile il

frazionamento dei pacchetti. In questo modo è possibile interrompere la trasmissione di

un frame Ethernet e riprenderla appena possibile.

Questo comporta che le GPON tramite GEM devono consentire la ricomposizione dei

pacchetti a partire da frame di lunghezza fissa.

Anche la OLT della GPON calcola la distanza delle varie ONU tramite il Round Trip Time

per sincronizzarle in modo opportuno. L’OLT comunica questa informazione alle varie



ONU e queste al momento della trasmissione introducono un ritardo in modo da porsi

virtualmente alla stessa distanza per evitare sovrapposizioni dovute ai diversi percorsi.

Questa procedura nella terminologia GPON viene chiamata Ranging.

Bisogna anche tener conto delle variazioni con la temperatura delle velocità di

propagazione e delle variazioni delle caratteristiche dei componenti con il tempo, che

vanno compensate in modo dinamico (Dynamic Ranging). Questa procedura va ripetuta

periodicamente per consentire la connessione di nuove ONU.

Le ONU calcolano l’inizio dell’intervallo di trasmissione rispetto al riferimento temporale

periodico, trasmesso downstream.

Tramite MAC control viene garantita una adeguata assegnazione di banda che, come per

le EPON, può essere fatta con un Dynamic Band Allocation Algorithm (DBA).

4.2 Upstream e Downstream La struttura dei downstream frame è mostrata in figura 2.15. Il traffico dati è preceduto dal

Physical Control Block (PCBd), che consta dei seguenti campi:

• Psync usato per la sincronizzazione della trama Upstream

• un identificatore di 4 byte che contiene un contatore di 30 bit, che viene

incrementato di uno per ogni frame

• 13 byte per i messaggi PLOAM (Physical Layer Operation Administration and

Maintenance);

• 1 byte per la Bit interleaved parity (BIP) per la stima della bit error rate.

• Upstream Bandwith Map, che contiene le allocazioni degli intervalli temporali per

le varie ONU.

• 4 byte che indicano la lunghezza del payload, inseriti due volte per garantirne la

robustezza



Figura 15: controllo di accesso al mezzo condiviso in una GPON

Ogni elemento della BW map, che nella terminologia FSAN è chiamato access

structure, specifica l’Alloc ID, l’istante di inizio e quello di fine dell’intervallo temporale

allocato per l’upstream ed è protetto tramite CRC (Cyclic Redundancy Check).

Nella BW map sono indicate le assegnazioni degli intervalli di trasmissione delle varie

ONU con l’istante di inizio e fine del burst. Il campo Alloc-Id può identificare una ONU,

oppure un T-CONT (TrafficContainer) per la gestione di diverse QoS.

Una GPON supporta fino a 4000 Alloc ID, ma i primi 254 sono riservati all’utilizzo come

ONU identifier (utili per esempio all’atto dell’attivazione di nuove ONU).



All’inizio di ogni burst upstream è presente sempre una piccola guard band e naturalmente

il PLO (Physical layer overhead). Oltre a questo potrebbero esserci altri campi opzionali

come PLS (Power Leveling Sequence), PLOAM e DBR (Dynamic Bandwith Report). La struttura dell’upstream è mostrata in figura 2.16 e 2.17.

Figura 16: Upstream frame

Il PLS è talvolta necessario alle ONU per effettuare delle misure per il controllo della

potenza e serve per l’aggiustamento della potenza del laser in modo da raggiungere il

dynamic range ottimale dall’OLT. Il DBR tramite il campo DBA permette all’ONU di

informare l’OLT dello stato delle sue code, in modo da poter implementare un algoritmo di

allocazione dinamica di banda (DBA).

È sempre la BW map che permette alle ONU di sapere se possono inviare PLOAM, PLS,

DBR e FEC (Forward Error Correction ) insieme al payload. Se l’ONU è FEC enabled

aggiungerà ad ogni blocco di dati dei byte di parità, utilizzando la tecnica di codifica

RS(255,239).

Figura 17: struttura del payload upstream/downstream



In attesa di poter essere trasmessi in un burst, i frame attenderanno in code.

Ogni burst payload è formato da un numero variabile di pacchetti GEM, che possono

trasportare vari tipi di traffico per es, Ethernet, TDM o anche ATM.

L’header dei pacchetti GEM è così composto:

• PLI (Packet Lenght Indicator) indica la lunghezza del payload del pacchetto GEM

ed è utilizzato per la ricostruzione dei pacchetti frammentati

• Port ID serve per la multiplazione dei flussi e si usa come i campi VCI/VPI di ATM.

• PTI (Payload Type Indicator) indica se il frammento contiene dati o OAM e anche

se è l’ultimo di un user frame

• HEC usato per la rilevazione e correzione degli errori e per la ricostruzione dei

pacchetti frammentati

Quando il traffico trasportato è Ethernet, il pacchetto GEM potrebbe contenere sia un

frame intero o un frammento, a seconda di quello che entra nello banda allocata.

La ricostruzione dei pacchetti viene effettuata andando a cercare il campo HEC con il

GFP (Generic Frame Procedure) delineation algorithm specificato in ITU-T G.7041 che è

una variazione dell’ATM delineation method.

Questo algoritmo utilizza il campo PLI per trovare la fine del frame GEM e riassembla il

frame originario sulla base del PTI e del Port ID.

4.3 Gestione della Qos I T-CONT consentono di trasportare in modo efficiente servizi differenti con diversa

priorità:

• Fixed Bandwidth;

• Assured Bandwidth;

• Non-assured Bandwidth;



• Best Effort Bandwidth.

Associare i Grant ai T-CONT consente di gestire al meglio la QoS (Quality of Service).

L’OLT può allocare più banda Upstream a quei T-CONT che hanno traffico a priorità più

elevata in attesa, utilizzando un algoritmo DBA.

Ci sono 5 tipi di T-cont :

Il T-CONT1, pensato per l’emulazione delle virtual leased line, supporta

applicazione a bit rate costante (CBR) con requisiti molto stringenti in termini di

throughput e ritardo. Viene fatta un allocazione periodica di durata fissa: in questo

modo si ha un’allocazione solo di tipo statico e la DBA non è consentita

Il T-CONT2, pensato per applicazioni con bit rate variabili (VBR), con requisiti di

throughput e ritardo, come i servizi video e voce. L’allocazione viene effettuata sulla

base di quanto garantito dallo SLA4, ma viene effettuata solo su richiesta, ovvero se

ci sono pacchetti in coda.

Il T-CONT3, pensato per servizi migliori del best effort, garantisce una bit-rate

minima. In base alla disponibilità può essere fornito un surplus di banda, ma solo su

richiesta.

Il T-CONT4 trasporta traffico Best Effort e quindi si fornisce banda solo se

disponibile fino ad una velocità massima.

Il T-CONT5 combina due o più dei quattro T-CONT precedenti ed è utilizzato per

modificare le specifiche per il MAC controller degli altri T-CONT.

2.4.4 Allocazione dinamica di banda

Per poter implementare un algoritmo DBA, le ONU devono informare L’OLT sullo stato

delle loro code, questo può essere fatto in due modi:

Utilizzando il campo DBA del DBR. Questa modalità è detta piggyback perché le

informazioni arrivano insieme ai dati 4 Service Level Agreement



Utilizzando una partizione dedicata del payload. Questa modalità è usata per

permettere a qualsiasi numero di code di ONU, eventualmente tutte, di fare il report

del loro stato.

Nel primo caso sono possibili tre varianti:

Mode 0 usa un solo byte per il report, la lunghezza della coda è espressa in celle

ATM per il trasporto di ATM oppure in blocchi di 48 byte per GEM

Mode 1 usa 2 byte, il primo indica i dati con peak rate, il secondo quelli con

sustainable rate. Questo modo è utile per i T-CONT 3 e 5 ma presuppone l’utilizzo

di ONU che effettuino operazioni di policing.

Mode 2 usa 4 byte, il primo indica i T-CONT 2 con peak rate, il secondo i T-CONT

3 con sustainable rate, il terzo i T-CONT 3 con peak rate e il quarto la lunghezza

delle code T-CONT 4 (best effort). Questo modo è utile per il T-CONT 5, in quanto

permette di inviare con un singolo messaggio un reporting riassuntivo dei T-CONT

contenuti nel T-CONT 5.

Il reporting mode utilizzato è indicato da una flag dell’access structure della BW Map

relativa all’Alloc ID considerato.

Il MAC controller effettua l’assegnazione di banda, sia quella garantita che il surplus

in base ai report e alla qualità di servizio richiesta.

Le ONU sono servite secondo un prioritized weighted round-robin: l’ordine di priorità è

ovviamente T-CONT 2, 3, 4 e i pesi seguono i parametri degli SLA.

Ogni flusso è caratterizzato da due parametri SDI (Successive Data Interval) e TB (Transmit Byte). Gli estremi inferiore e superiore di questi parametri sono fissati dallo

SLA. L’assegnazione della banda garantita si basa su min TB e max SDI, quella del

surplus può essere fatta dinamicamente fino al raggiungimento della peak rate definita da

max TB e min SDI.



4.5 IST GIANT

Il progetto GIANT del programma IST (Information Society Technology) dell’Unione

Europea, riguarda una FSAN GPON con velocità upstream/downstream simmetriche

1.244 GBps, per il reporting è previsto solo il mode 0. Per la simulazione è stato usato il

simulation tool di OPNET per costruire un modello che comprendeva 32 ONU, ciascuna

delle quali poteva avere fino a 6 code, ciascuna caratterizzata dal proprio Alloc ID.

Sono stati presi in considerazioni due scenari di traffico, entrambi costituiti da pacchetti di

tre dimensioni diverse: 64, 500 e 1500 byte generati con probabilità 0.6, 0.2 e 0.2

rispettivamente. L’inter-arrival time era esponenziale.

La net capacity della GPON non è di facile individuazione per la variabilità degli overhead,

però si è visto che in media è di 1 Gb/s.

Nel primo scenario è stato preso in considerazione un total offered load di 690 Mb/s

(quasi il 70% della net capacity).

Per ogni ONU una sorgente emette traffico T-CONT 2 alla velocità media di 7.1875 Mb/s e

un’altra traffico T-CONT 3 e 4 sempre alla stessa velocità.

In figura 2.18 è rappresentata la densità di probabilità.

Figura 18: funzione di densità di probabilità per lo scenario 1



Con questo carico è stato trovato un valore medio molto basso del ritardo per tutte le

code, ma la probabilità di trovare valori alti si riduce drasticamente dal T-CONT 4 al 3 e 2.

Il secondo scenario prendeva invece in considerazione una situazione di overload, in cui

cioè l’offered load supera la net capacity.

Il carico era quindi di 1300 Mb/s (pari al 130 % della net capacity) e ogni ONU inviava 1.25

Mb/s di T-CONT 2, 1.25 Mb/s di T-CONT 3 e 15.625 Mb/s di T-CONT 4. Il risultato è

mostrato in figura 2.19

Figura 19: il sistema nel caso di overload

Come si può vedere, T-CONT 2 e 3 godono di una buona performance, infatti entrambi

sperimentano ritardi inferiori a 1 ms e quindi soddisfano il round trip delay budget richiesto

da FSAN per i servizi real-time; T-CONT 4 invece, soffre di maggior congestione e

instabilità.

In questo modello il ritardo per traffico T-CONT 4 cresce verso infinito, ma naturalmente

nella realtà interverrebbero i meccanismi di controllo del TCP, che rileverebbero la perdita

e, riducendo la velocità di trasmissione, ripristinerebbero la stabilità.



Da questa simulazione si vede quindi che, mentre le prestazioni di T-CONT 2 e 3 non

dipendono dal total system offered load, come è necessario per offrire garanzie di QoS, lo

stesso non si può dire per il T-CONT 4, che infatti è traffico Best Effort .

Per quanto riguarda il jitter T-CONT 2 e 3 differiscono di poco e solo nel transitorio

iniziale.

È da notare come il jitter di T-CONT 2 si mantenga basso nonostante la grande variabilità

della lunghezza dei pacchetti, questa infatti viene compensata grazie alla variabilità della

durata dei Grant concessi dal MAC controller.

T-CONT1 non è stato incluso in questa simulazione perché il suo comportamento è

facilmente predicibile.

5 Confronto tra EPON e GPON Per stabilire quale, tra EPON e GPON, sarà la tecnologia dominante, bisogna

considerarne sia le caratteristiche tecniche che, naturalmente, i costi, che sono il fattore

determinante per una grande diffusione.

Si riassumono in tabella 1 le caratteristiche tecniche delle due tecnologie.

Tabella 1:caratteristiche tecniche



Come si può vedere dalla Tabella 2.1, in base alle caratteristiche tecniche, le GPON

sembrerebbero da preferire, dato che forniscono il necessario supporto per O&M,

interoperabilità e sicurezza, velocità superiori in downstream, miglior split ratio e miglior

efficienza.

Per effettuare una semplice comparazione dei costi, si farà l’ipotesi semplificativa di

considerare uguale l’Outside Plant (OSP) per le due tecnologie, sebbene naturalmente lo

split ratio sarà differente, si supporrà:

EPON OLT = GPON OLT = $1800 per interfaccia EPON ONT = GPON ONT = $100 per subscriber

Fatte queste assunzioni, i costi totali e per subscriber sono mostrati nelle seguenti figure.

Figura 20 : GPON vs. EPON Total Network Equipment Cost



Figura 21: GPON vs. EPON Cost per Subscriber

La riduzione di costo di cui gode la GPON rispetto alla EPON è dovuta al fatto che a causa

del miglior split ratio e bandwidth efficiency della prima, è necessario un numero inferiore

di OLT rispetto alla seconda a parità di numero di subscriber . Considerando 100 Mbps

per subscriber , GPON offre un vantaggio di 2.6 :1 OLT con un risparmio di circa $1.2 M.

Tabella 2 GPON & EPON Deployment



Dato questo risparmio con una GPON a parità di impiego di denaro è possibile spendere

di più sulle ONU (anche se costassero il 120 % in più delle EPON ONU, la spesa totale

sarebbe la stessa).

Figura 22: GPON ONT Cost Sensitivity for Breakeven with EPON

Dato che il risparmio di cui si è parlato è dovuto alla riduzione del numero di OLT

impiegati, la cost sensitivity dell’OLT, è un fattore da considerare.

Figura 23: GPON OLT Cost Sensitivity for Breakeven with EPON



In figura 24 infine, è riportato un confronto tra le due tecnologie a parità di split ratio, per

vedere l’impatto sui costi della GPON per subscriber della riduzione del suo split ratio al

valore di quello di EPON.

Figura 24 GPON vs. EPON Cost per Subscriber with Equal Split Ratio of 1:32

6 WDM-PON Le TDM PON, di cui si è parlato finora sono, come si è visto, caratterizzate da forti limiti

nella larghezza di banda in upstream che risulta condivisa tra le varie ONU tramite TDM.

Per superare queste limitazioni è stato proposto un altro tipo di PON, la WDM PON che

ricorre alla multiplazione DWDM per trasportare molte lunghezze d’onda su un'unica fibra,

aumentando così enormemente la banda sia in upstream che in downstream. La WDM

PON non è ancora stata standardizzata.

6.1 Funzionamento di una WDM-PON In una WDM-PON ad ogni utente viene assegnata una lunghezza d’onda. 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 si occupa di smistare le lunghezze d’onda sulle varie fibre d’utente e

come si vedrà, può essere realizzato ancora con uno splitter passivo o con un AWG

router.

In direzione upstream viceversa, il RN accoppierà le varie lunghezze d’onda sulla fibra che

raggiunge l’OLT, dove saranno demultiplexate attraverso un demultiplexer e

raggiungeranno l’array di ricevitori di cui dispone l’OLT per ricevere i segnali delle varie

ONU. Ciascuna ONU è dotata di ricevitore e trasmettitore per ricevere e trasmettere le

proprie lunghezze d’onda.

Trasmissione upstream e downstream avvengono in finestre diverse e possono essere

separate utilizzando la multiplazione CWDM. All’interno di queste finestre le varie

lunghezze d’onda sfruttano invece la DWDM e ciò permette di minimizzare l’impiego di

fibra.

In figura 27 è rappresentata una WDM-PON.

RN

Figura 27: Schematizzazione di una WDM-PON

Una caratteristica 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 crea dei collegamenti di tipo point-to-point tra il CO e ciascuna ONU con i vantaggi

che ne derivano, per esempio:



Ogni ONU può sfruttare completamente la capacità messa a disposizione dalla sua

lunghezza d’onda senza doverla condividere con le altre come nel caso delle TDM-

PON

Ogni ONU può avere una bit-rate differente indipendentemente dalle altre.

6.2 Dispositivi per la realizzazione di una WDM-PON Come trasmettitori è possibile usare quelli a lunghezza d’onda fissa o quelli tunabili, i

quali hanno il vantaggio di poter essere utilizzati su diversi canali WDM.

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 o un

Multifrequency Laser (MFL). MFL è un dispositivo che integra un AWG e un array di amplificatori e la cui struttura è

schematizzata in figura 2.26.

Figura 26: Struttura di un MFL

Per realizzare i ricevitori è possibile utilizzare dei fotodiodi Questi possono essere dei

semplici diodi PIN, molto facili da usare ed economici ma con una bassa sensibilità in

quanto non effettuano nessuna amplificazione. Proprio per questa ragione il loro uso è

limitato ai ricevitori delle ONU che devono ricevere il segnale dai trasmettori dell’ OLT che

sono sufficientemente potenti.



Per il trasmettitore dell’ONU, per motivi economici, non si usano mai dispositivi di potenza

molto elevata, il ricevitore dell’OLT perciò non potrà essere realizzato con un diodo PIN

ma si potrà utilizzare un fotodiodo APD (Avalanche Photo Diode).

Quest’ultimo, sfruttando l’Effetto Valanga dei diodo, riesce ad amplificare il segnale

ricevuto. La sua sensibilità è di 10 dB più alta di quella del diodo PIN.

Per quanto riguarda le opzioni per la realizzazione del Remote Node, si hanno due

possibilità:

splitter ottico passivo (di cui si è parlato nelle TDM-PON) AWG (Arrayed Wavelength Grating) Router.

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.

Grazie alla proprietà di ciclicità, l’AWG può essere usato contemporaneamente da

multiplexer e demultiplexer. Nell’ipotesi che le lunghezze d’onda dei trasmettitori in

upstream distino da quelle in downstream di una quantità almeno pari alla gamma

spettrale libera (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 CWDM .

Figura 27: AWG che sfrutta la proprietà di ciclicità



L’AWG ha una perdita di inserzione pari a 4-5 dB e quindi inferiore a quella dello splitter,

tuttavia ha il difetto che la sua lunghezza d’onda centrale subisce uno shift con la

temperatura di 0.1nm/C°. Per ovviare a questo problema si compensa questa variazione

aggiungendo un materiale con un coefficiente di temperatura diverso.

6.3 Architetture alternative per le WDM-PON Dedicare un’intera lunghezza d’onda ad ogni utente potrebbe costituire uno spreco di

risorse, soprattutto nel caso in cui qualche subscriber abbia lunghi periodi di inattività. Per

ovviare a questo problema sono state proposte alcune architetture alternative a quella

vista precedentemente, alcune delle quali saranno descritte nel seguito.

La prima ad essere proposta è stata la Composite PON (CPON), illustrata in figura 2.28.

Figura 28: Schema di funzionamento della CPON

La CPON utilizza un insieme di lunghezze d’onda in terza finestra per la trasmissione

downstream e una sola lunghezza d’onda in seconda 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.



Trasmettitori a singola lunghezza d’onda, come un DFB laser potrebbero essere troppo

costosi per essere impiegati nelle ONU, per questo motivo è stata proposta la LARNET.

LARNET, acronimo di Local Access Router Network, impiega infatti al posto dei

transceiver a singola lunghezza d’onda nelle ONU, molto più economiche sorgenti ad

ampio spettro come i LED. Le singole lunghezze d’onda sono riottenute facendo passare

lo spettro a banda larga per l’AWG. In base alla porta di input scelta la lunghezza d’onda

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.

La LARNET è mostrata in figura 29.

Figura 29: Schema di funzionamento della LARNET

Una soluzione che tende molto 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 una piccola porzione del

segnale e, tramite un modulatore, modulano e rinviano il resto in upstream. Dal canto suo

l’OLT dovrà essere provvisto di un laser tunabile che però richiede la condivisione in TDM



anche del segnale downstream, o di un array di trasmettitori e quindi diventa più

dispendioso.

In questo caso i costi aumentano anche perché l’uso della stessa lunghezza d’onda nelle

due direzioni, rende necessario il raddoppio delle fibre e l’utilizzo di un AWG 2x2N. Inoltre

un altro problema che comporta è la riduzione della distanza OLT-ONU a causa del

doppio tragitto effettuato dal segnale rispetto alle altre WDM-PON.

Figura 30: : Schema di funzionamento della RITENET

I vantaggi di questa soluzione sono la mancanza delle forti perdite dovute alla divisione

dello spettro che si ha in LARNET e la simmetria della banda.

Tutte le architetture viste finora sono poco scalabili nel numero di utenti.

Per ovviare a questo problema è stata proposta anche una soluzione multistadio che

sfrutta le proprietà dell’AWG: la Multistage AWG-Based WDM-PON Architecture. La

figura seguente mostra come è possibile passare da una 8-ONU WDM-PON a una 32-

ONU WDM-PON facendo uso di più AWG.



Figura 31: Schema di funzionamento della Multistage AWG-Based WDM-PON

In figura l’apice indica la sorgente, laser 1 o laser 2, l’altro numero la lunghezza d’onda,

che grazie all’AWG è possibile utilizzare per più di un utente.

Nella tabella seguente sono riassunte le caratteristiche delle varie architetture.

Tabella: Confronto tra le varie architetture WDM-PON



6.4 Protocolli per la WDM-PON Se al fine di ottimizzare l’utilizzo delle risorse si fa ricorso ad un’architettura in cui le

lunghezze d’onda risultano condivise tra più ONU è necessaria l’introduzione di un

protocollo adatto. L’architettura della WDM-PON non è stata ancora standardizzata e

quindi anche i protocolli proposti sono di vario tipo.

Uno di essi è un’estensione del MPCP delle EPON. Questa nuova versione del Multipoint

Control Protocol provvede alla assegnazione ottimale delle lunghezze d’onda tramite un

algoritmo. L’architettura di riferimento è un array di transceivers a lunghezza d’onda fissa

per l’OLT e un laser e ricevitori fissi o tunabili per le ONU.

Durante il processo di discovery , le ONU comunicano all’OLT tramite un messaggio

REGISTER_REQUEST il tipo di laser e ricevitore di cui sono provviste (fisso o tunabile),

il tuning time e le λ supportate. Sulla base di queste informazioni l’OLT controlla l’utilizzo

delle varie lunghezze d’onda e decide come assegnarle.

Il messaggio GATE, inviato come al solito dall’ONU all’OLT, contiene la configurazione per

il ricevitore dell’ONU e serve quindi per effettuare l’assegnazione delle lunghezze d’onda.

L’ONU riconoscerà questa assegnazione inviando un messaggio all’OLT.

7 Conclusioni In questo documento si sono illustrati i tipi di PON che sono stati proposti in letteratura.

Nel capitolo successivo si illustrerà la sperimentazione effettuata in questa tesi che ha

riguardato il comportamento in upstream di una WDM-EPON. Nonostante in Europa

l’interesse si sia focalizzato sulla GPON per la maggior banda offerta e per il più elevato

split ratio, si è preferito utilizzare la EPON per i test, per la sua compatibilità con gli

standard Ethernet. Si è ovviato alla minor banda utilizzando il WDM.

Valeria Polidori (FUB)



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