L’evoluzione della trasmissione dei dati in ambito domestico

La tecnologia PON – Passive Optical Networking - assicura un equilibrio ottimale fra costi di aggiornamento, prestazioni fornite e sforzi di reingegnerizzazione per l’ultimo miglio

Pubblicato il 18 novembre 2016

Quindici anni fa, il modo più comune di connettersi a Internet era attraverso un modem analogico, inviando dati attraverso un canale voce telefonico standard. Questa tecnologia in breve tempo dominò il mercato delle comunicazioni, perché era molto economica per l’utente e non richiedeva modifiche alla tecnologia “dell’ultimo miglio”, dal momento che usava i doppini esistenti già installati per il traffico telefonico standard. Nessun lavoro di scavo per le strade; nessuna modifica alle centrali telefoniche.

Fig. 1 – Banda disponibile su un doppino

Le velocità dei modem raggiungevano velocità di picco di 56 Kbps: questo limite teorico spianò la strada alla tecnologia ADSL.

I modem analogici usavano il canale voce esistente, standardizzato dal comitato ITU-T. Questo canale è caratterizzato da una banda limitata (4 KHz, inclusa la banda di guardia, si veda la Figura 1), ed è filtrato via hardware a livello di centrale telefonica (CO), prima di entrare nel Muldex (Multiplexer Demultiplexer). Quest’ultimo è il dispositivo attraverso il quale il telefono dell’utente si connette con la centrale di telefonica.

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Fig. 2 – I dati su una linea ADSL sono trasferiti su doppino usando la banda disponibile al di sopra di 4 KHz

Tecnologia ADSL: principi di base

La risposta alla domanda “qual è la massima velocità con cui è possibile trasmettere i dati su un canale analogico da 4KHz” è fondamentale per comprendere la tecnologia ADSL.

La risposta corretta è: “Dipende dal livello di rumore del canale.” Claude E. Shannon ha fornito questa risposta nel lontano 1948. E’ possibile trasferire dati a qualsiasi velocità, a patto che il livello del rumore sia sufficientemente basso. Shannon è stato in realtà più preciso nel mettere in relazione, in modo quantitativo, la velocità massima dei bit con una determinata banda di canale e con un determinato livello di rumore. La formula utilizzata è la seguente:

equazione

dove C è la velocità massima dei bit espressa in bit/secondo (“capacità”), B è la banda in Hz, S/N è il rapporto segnale/rumore del canale.

L’ITU-T specifica la banda e il livello di rumore per il canale voce, limitando di fatto la sua velocità massima dei bit su un doppino telefonico – e la velocità di 56 Kbps è molto prossima alla capacità del canale.

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Fig. 3 – L’architettura ADSL come “estensione” della rete precedente di tipo voce

L’ADSL supera il limite di Shannon sul canale voce, semplicemente non usando il canale voce standard; ma piuttosto usando un altro canale. In una rete telefonica, ciascun utente è connesso alla centrale telefonica attraverso un doppino, che è usato solo per una frazione del tempo – quando si effettua una chiamata – e solo con la banda inferiore del canale di 4 KHz.

La banda al di sopra dei 4KHz è chiaramente inutilizzata. L’ADSL usa questa banda intatta e lascia la banda inferiore da 4 KHz libera per il canale voce standard. È così possibile usare il telefono per le chiamate vocali e scambiare dati allo stesso tempo.

A questo punto bisogna analizzare ampiezza e rumorosità del canale ADSL. Poiché non si tratta di parametri standardizzati, ciascun modem ADSL misura il rumore di linea in fase di avvio e quindi determina la velocità ottimale dei bit in relazione al canale utente, come mostrato in figura 2.

Ciascun utente si connette alla centrale telefonica a una velocità che dipende dal canale stesso: questo dato è riportato sul pannello di controllo del modem ADSL presente nell’abitazione.

La tecnologia ADSL è senza dubbio un’idea brillante: utilizza in modo ottimale i cavi che sono già presenti e interrati, non richiede modifiche tecnologiche per l’ultimo miglio, mentre i vecchi telefoni sono ancora compatibili con la nuova tecnologia. L’unico dispositivo richiesto è un filtro presso l’abitazione dell’utente (noto come “splitter”) che separa la banda del segnale voce telefonico dalla banda ADSL. In sintesi, è elegante e molto economica.

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Fig. 5 – Ambiente di simulazione fornito con l’unità BCDR

La centrale telefonica è dotata di un filtro simile per ciascuna linea. Questo filtro connette il canale voce al Muldex e la banda superiore della linea ad un nuovo dispositivo che gestisce esclusivamente il traffico dati chiamato DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer). Gli operatori telecom devono solamente collocare un DSLAM nei pressi di ciascun Muldex in corrispondenza di ciascuna centrale di commutazione per fornire il servizio ADSL ai clienti (Fig. 3).

Il DSLAM è una macchina che gestisce unicamente il traffico dati, dotata di un’interfaccia analogica. Essa raccoglie i dati ADSL da un grande numero di abbonati. Tutti questi dati sono generalmente inviati a un FPGA, dove sono elaborati ed aggregati su un canale Ethernet.

Un canale Ethernet ad alta velocità è generalmente connesso ad Internet o trasportato attraverso una rete SDH o OTN. Gli standard ADSL hanno subito un’evoluzione costante, e le connessioni a livello di dorsale di un DSLAM, in cui ha luogo la connessione ad Internet, sono disponibili in molte varianti a seconda della configurazione di rete: Ethernet, XAUI, SDH e OTN, solo per nominarne alcune.

Queste sono le condizioni ideali per l’uso di un FPGA, in quanto è possibile realizzare una connessione dorsale completamente programmabile e seguire l’evoluzione degli standard ADSL usando i dispositivi programmabili. Nel catalogo di IP dell’ambiente di progettazione Vivado è possibile inserire pressoché qualsiasi protocollo standard di tipo datacom in un FPGA di Xilinx premendo semplicemente un tasto.

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Fig. 6 – Vivado Hardware Analyzer all’interno del banco di prova hardware

Benchè brillante, anche l’ADSL ha i suoi limiti. Questo è il motivo per cui il mercato si è evoluto verso la tecnologia PON (Passive Optical Networking).

Di nuovo, il limite della tecnologia ADSL è imposto dal Teorema di Shannon ed è difficile utilizzare l’ADSL a velocità superiori a 15 Mbps usando i doppini. Non si tratta di un limite della tecnologia ADSL in sé; piuttosto è la distanza media fra l’utente e la centrale telefonica che determina il limite. Per ottenere una maggior velocità è necessario cambiare l’”ultimo miglio”, minimizzando nel contempo il costo legato alla modifica delle relative infrastrutture. Naturalmente è possibile fornire connettività di tipo SDH (con connettività Ethernet) a ciascun cliente per soddisfare queste esigenze, ma sarebbe troppo costoso. La tecnologia PON è stata la risposta a questo problema perché assicura un equilibrio ottimale fra costi di aggiornamento, prestazioni fornite e sforzi di reingegnerizzazione minimi per l’ultimo miglio.

Tecnologia PON: principio di funzionamento

I fornitori di servizi mettono a disposizione un singolo cavo su fibra fino ai “limiti dell’edificio”, in un raggio di poche centinaia di metri dai clienti. Non c’è un cavo in fibra per ciascun utente. Un cavo in fibra sostituisce decine di doppini. Uno splitter ottico passivo fornisce un cavo in fibra a ciascun utente e gli utenti accedono solo alla propria porzione dei dati trasmessi in multicast dalla centrale telefonica, con accesso protetto da un meccanismo di cifratura. Nella direzione che va verso la centrale telefonica (Figura 4), un cavo in fibra che parte da ciascun utente passa attraverso uno splitter passivo e viene multiplato su una singola fibra presso la CO. L’apparecchio situato presso quest’ultima che riceve i dati dl cavo in fibra è chiamata OLT (Optical Line Termination). Questa architettura è radicalmente diversa da quella di una rete ADSL. Il vantaggio della tecnologia PON è che le cabine in strada sono ora realizzate in tecnologia ottica, e sono ancora di tipo passivo. Non ci sono componenti attivi in cabina. Questo è un vantaggio chiave della tecnologia PON: in questo modo sono minimizzati i costi di manutenzione per i fornitori di servizi.

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Fig. 7 – La configurazione del SerDes per l’impostazione di un’interfaccia OLT a più velocità

Lo svantaggio è che il fornitore di servizi deve sostituire i doppini esistenti con un numero (limitato) di cavi in fibra. Per contenere i costi di migrazione (a spese delle prestazioni), in molti Paesi le reti PON vengono installate sotto forma di reti ibride. Gli utenti si connettono alla cabina in strada con l’ADSL, ma la connessione dalla strada all’OLT è di tipo ottico.

L’ADSL opera molto più velocemente con questo approccio ibrido perché il DSLAM si trova solo a poche centinaia di metri dall’utente, non presso la CO. Il vantaggio è che la cabina ibrida in strada è ora attiva perché ospita un piccolo DSLAM. La tecnologia PON rappresenta un compromesso bilanciato fra costi e prestazioni. Non è una soluzione ottimale dal punto di vista tecnico, come era il datato modem da 56Kbps, ma è scalabile per il futuro. C’è un altro aspetto tecnologico da non sottovalutare degli apparecchi OLT è la loro interfaccia. Nella direzione che va verso la centrale telefonica, tutti gli utenti sono connessi allo stesso ricevitore attraverso uno splitter ottico passivo. Gli utenti devono quindi trasmettere ad intermittenza, uno alla volta, perché essi condividono un singolo supporto su fibra verso l’OLT. Tutte le trasmissioni operano alla stessa frequenza, con una fase dipendente dall’utente. Il ricevitore dell’OLT risincronizza la sua fase di campionamento all’inizio di ciascuna sessione di trasmissione per ricevere correttamente i dati.

Ciascuna sessione colloca uno schema specifico all’inizio della medesima, detto preambolo, che aiuta l’OLT ad ottenere l’aggancio per ciascuna sessione di trasmissione specifica. Il ricevitore di interfaccia di ciascun OLT è chiamato unità “BCDR” (Burst-mode Clock and Data Recovery).

L’aumento del tempo di preambolo semplifica la progettazione dell’unità BCDR, ma chiaramente un lungo preambolo riduce l’efficienza di banda verso la centrale telefonica. L’unità BCDR costituisce un componente OLT chiave. La sua efficienza influenza direttamente l’efficienza di trasmissione della linea PON verso la CO e, di conseguenza il rapporto ricavi/bit dell’operatore PON.

Una gamma completa di soluzioni BCDR

La tecnologia FPGA di Xilinx è ideale per l’implementazione di OLT, non solo nei terminali utenti come era per i DSLAM, ma anche nell’interfaccia. Xilinx offre l’insieme più completo di soluzioni BCDR con le proprie famiglie di dispositivi interamente programmabili Xilinx UltraScale. Queste soluzioni operano a 1,25Gbps ed a 2,5Gbps. Entrambe le velocità sono disponibili su ogni porta SerDes UltraScale, persino per la fascia di velocità più bassa. In questo modo le famiglie di dispositivi UltraScale forniscono attualmente una piattaforma scalabile per gli OLT di tipo GPON, XGPON e NGPON2 con funzionalità aggiuntive disponibili per progetti futuri.

Nello specifico, il BCDR opera con un tempo di aggancio deterministico a 32 bit per una comunicazione efficiente verso la centrale telefonica. Questa capacità supera le specifiche ITUT G984, G987 e G989. Il BCDR è fornito con istruzioni e garanzie che supportano gli utenti nelle fasi di simulazione e validazione del BCDR.

Per un integratore, il problema principale à la scelta di un prodotto. Un BCDR può solo essere testato in un ambiente PON, che è il prodotto dell’integratore. Non è possibile sviluppare prima il prodotto e poi validare il BCDR. Questo è il motivo per cui Xilinx offre un’infrastruttura a supporto del BCDR. Assieme a quest’ultimo, l’utente riceve un banco di test completo con un generatore di pacchetti ed un controllore usato per verificare il corretto funzionamento del BCDR.

Questo ambiente di sviluppo non solo effettuerà il test sul BCDR, ma lo sottoporrà a sollecitazioni per verificare le sue prestazioni limite. Di seguito alcuni esempi:

  • viene generato un insieme di più unità di rete ottica (ONU);
  • le ONU possono essere forzate in modo da operare in modalità “hammer”, in cui la fase di salto da pacchetto a pacchetto è sempre lo 0,5% dell’intervallo unitario. L’obbiettivo è assicurare che il BCDR sia assolutamente insensibile a tale fluttuazione;
  • tutti i pacchetti generati in modalità hammer sono spostati di 1 psec ogni volta che un pacchetto multiplo è riavviato, per assicurare che il rivelatore di fase del BCDR non abbia aree “morte”. Il tempo di aggancio deve sempre essere di 32 bit – breve e deterministico;
  • È anche possibile modificare la lunghezza del preambolo del pacchetto da 0 fino a 8K e più, soddisfacendo i requisiti più stringenti delle PON fissati dall’ITU.T e quelli meno stringenti di IEEE.

La figura 5 illustra l’architettura dell’ambiente di simulazione fornita attraverso il BCDR in XAPP1277.

L’ambiente di simulazione gira mediante uno script. È possibile visualizzare le forme d’onda nel giro di pochi minuti senza dover scrivere una singola riga di codice. Questo ambiente è stato progettato per clienti che si trovano in una fase nella quale desiderano scegliere il prodotto e non sono ancora pronti per integrarlo. Per un fornitore di hardware, l’infrastruttura per le prove di stress del software costituisce un buon punto di partenza. Tuttavia, l’utente vorrà esaminare il funzionamento dell’hardware e questo è il compito della seconda infrastruttura BCDR, che usa il Kit di Caratterizzazione KCU1250 per l’FPGA UltraScale Kintex. Questa piattaforma genera e controlla i pacchetti in hardware in modo continuo e non a livello di singolo errore sui bit o perdita di un singolo pacchetto.

A questo punto è utile chiedersi come sia possibile emulare un ambiente PON con una scheda demo ed effettuare un test di tipo hammer su un BCDR con quest’ultima.

I dati verso la centrale telefonica sono sempre sintetizzati a velocità doppia e il serializzatore in trasmissione genera sempre due bit identici per ciascun bit diretto verso la CO. In questo modo, a livello di struttura, la piattaforma hardware può emulare un salto di 0,5 intervalli unitari fra due pacchetti consecutivi – il caso peggiore in un ambiente PON. Una piattaforma hardware sollecita il BCDR, inserendo una fase che simula il caso peggiore fra ciascuna coppia di pacchetti.

Il carico utile in questa piattaforma è una sequenza PRBS troncata, che si riavvia dopo il delimitatore in ciascun pacchetto. Se il BCDR salta un pacchetto, si osserverà un errore nel carico utile.

È anche prevista la possibilità di modificare la lunghezza del preambolo in corso d’opera. Il banco di prova completo è definibile attraverso script, e Vivado Hardware Analyzer è incluso in questo testbench assieme a numerosi controlli, come mostrato in figura 6.

Oltre al test hammer, all’inserimento degli errori e all’accumulo, è possibile modificare in corso d’opera le numerose caratteristiche del SerDes e molte funzionalità del BCDR – come la sua banda digitale. La configurazione del SerDes costituisce un altro aspetto che talvolta preoccupa gli utenti che non hanno grande familiarità con la tecnologia FPGA, perciò la piattaforma BCDR include istruzioni con descrizioni passo-passo per la configurazione del SerDes, per aiutare l’utente a impostare un’interfaccia in un’unità OLT di una PON. La figura 7 mostra come la piattaforma guida l’interfaccia GUI Wizard del Gigabit Transceiver (GT) e cela la complessità dell’hardware.

Queste tecniche consentono di selezionare un prodotto complesso come un BCDR usando semplicemente una GUI. Una volta valutato il BCDR, il banco di prova dell’hardware è il miglior punto di partenza per il progetto reale. È possibile includere il BCDR semplicemente rimuovendo il generatore/controllore del pacchetto demo e sostituendo tali moduli con un MAC PON reale.

La famiglia UltraScale di Xilinx è attualmente in produzione. I BCDR da 1,25Gbps e da 2,5Gbps sono disponibili attraverso XAPP1277. Con la già citata IP per reti PON e il gran numero di dispositivi UltraScale interamente programmabili già in produzione, Xilinx offre la piattaforma ideale e più scalabile per progettare gli apparecchi OLT di prossima generazione.

Paolo Novellini, Antonello Di Fresco di Xilinx