CAPITOLO 1 La comunicazione su fibra ottica

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(1)CAPITOLO 1. La comunicazione su fibra ottica. 1.1. Introduzione. La fibra ottica è uno dei nuovi supporti trasmissivi che ha prodotto e produrrà una notevole evoluzione nel mondo delle telecomunicazioni. Una fibra ottica, denominata anche guida d’onda dielettrica, si presenta come un sottile filo di materiale dielettrico e permette la propagazione di radiazione luminosa al suo interno anche per percorsi non rettilinei. Nel corso degli ultimi anni, un grande lavoro di ricerca e sperimentazione ha permesso la realizzazione di fibre ottiche sempre più performanti, aumentando i vantaggi delle fibre ottiche rispetto ai supporti trasmissivi tradizionali (come i cavi in rame). Elenchiamo i principali vantaggi presentati dalle comunicazioni su fibra ottica: o Vantaggi legati alle caratteristiche trasmissive: •. Attenuazione bassa (attualmente dell’ordine di 0.1 dB/km).. •. Banda modulante elevata. L’aumento della banda modulante è legato all’aumento della frequenza portante e le fibre ottiche permettono la trasmissione su frequenze dell’infrarosso.. •. Prodotto capacità del sistema per passo di ripetizione molto elevato. Questo parametro indica quanti bit possono essere trasmessi nell’unità di tempo e nell’unità di lunghezza ed è tipicamente espresso in (Gb/s)*km.. o Vantaggi legati alle caratteristiche meccaniche: •. Dimensioni e pesi ridotti.. •. Buona flessibilità.. •. Buona elasticità..

(2) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. 4. o Vantaggi legati alla natura dielettrica: •. Immunità ai disturbi elettromagnetici. Le fibre ottiche non ricevono o producono disturbi di questo tipo.. o Vantaggi legati al costo: •. Una volta effettuato il cablaggio, è possibile l’upgrade a velocità dati superiori semplicemente modificando l’apparato elettronico presente sui terminali della fibra ottica.. È quindi iniziata una graduale ma inarrestabile sostituzione dei mezzi trasmissivi tradizionali con le fibre ottiche grazie anche al continuo miglioramento dei dispositivi optoelettronici abbinati. Analizziamo brevemente un generico sistema di trasmissione su fibra ottica il cui schema a blocchi è mostrato in figura 1.1.. Sorgente. Destinatario. Messaggio di natura qualsiasi. Messaggio di natura qualsiasi. Trasduttore. Trasduttore. Segnale elettrico. Segnale elettrico. Apparato di manipolazione. Apparato di Fibra ottica Segnale ottico. Segnale ottico. manipolazione. Figura 1.1: Schema a blocchi di un generico sistema di trasmissione su fibra ottica.. Sorgente e destinatario si scambiano messaggi mediante la seguente procedura: 1. Il messaggio di natura qualsiasi viene trasformato in segnale elettrico dal trasduttore di trasmissione. 2. Il segnale elettrico viene trasformato in segnale ottico dall’apparato di manipolazione di trasmissione che è sostanzialmente una sorgente optoelettronica (ad esempio un diodo LED). 3. Il segnale ottico viene affidato alla fibra ottica che lo trasporta verso la ricezione..

(3) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. 5. 4. Il segnale ottico viene trasformato in segnale elettrico dall’apparato di manipolazione di ricezione che è sostanzialmente un rivelatore optoelettronico (ad esempio un diodo PIN). 5. Il segnale elettrico viene trasformato nel messaggio di partenza dal trasduttore di ricezione. 6. Il messaggio di partenza è ricevuto dal destinatario.. 1.2. Lo standard SONET. Nel paragrafo precedente è stata descritta una generica trasmissione su fibra ottica. Concentriamoci adesso su quelle digitali. I sistemi di trasmissione che funzionano in modo asincrono, dove ogni terminale lavora con un proprio clock, sono ancora molto utilizzati. Questo tipo di approccio, però, non consente uno scambio dati davvero efficiente principalemente per due motivi: o Le frequenze di clock dei terminali possono subire piccole variazioni dal valore nominale e quindi i bit rate dei rispettivi segnali trasmessi possono essere diversi (sono possibili differenze di varie parti per milione che a elevati bit rate sono significative). o Per effettuare un multiplexing asincrono si richiede l’inserimento di bit extra (bit stuffing) per ottenere dei pacchetti di uguali dimensioni prima della multiplazione. con. conseguente. peggioramento. dell’efficienza¹. della. trasmissione. In un sistema sincrono, invece, la frequenza nominale di tutti i clock del sistema è la stessa (sincrona) o è molto simile (plesiocrona) e per questo il bit rate è stabile e non c’è la necessità di inserire bit extra. SONET (Synchronous Optical NETwork) è uno standard per la comunicazione su fibra ottica pensato dall’ECSA (Exchange Carrier Standard Association) per l’ANSI (American National Standard Institute). È stata la Bellcore a introdurlo per ottenere: •. Standardizzazione.. •. Alta velocità.. ¹ Come efficienza di una trasmissione digitale si intende Numero_bit_utili/Numero_bit_trasmessi..

(4) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. •. 6. OAM&P (Operations, Administration, Maintenance and Provisioning; tutto quello che serve per gestire una rete).. •. Qualità del servizio.. •. Flessibilità.. •. Scalabilità.. In breve, SONET definisce i livelli ottici dell’OC (Optical Carrier) e i livelli elettrici corrispondenti dell’STS (Synchronous Transport Signal) per la trasmissione gerarchica basata su fibra ottica. L’STS, elemento base della gerarchia SONET con un bit rate di 51.84 Mb/s, è formato dal payload (l’informazione vera e propria) e dall’overhead (che comprende le varie informazioni sul protocollo). Il payload è a sua volta il risultato di una multiplazione di vari formati di livello gerarchico inferiore¹: questa è una delle caratteristiche più importanti dello standard SONET in quanto permette la combinazione di diversi stream di dati con diversi bit rate per creare un unico stream ad alto bit rate come mostrato in figura 1.2.. Figura 1.2: Base multiplexing.. In ricezione deve essere eseguita una adeguata demultiplazione. In effetti, poiché la multiplazione è sincrona, i pacchetti all’interno del payload sono visibili anche al bit rate dell’STS e quindi, per fare un esempio, un singolo DS-1 può essere estratto senza demultiplexare l’intero STS. ¹ Ad esempio, il DS1 (Digital Signal 1, equivalente elettrico del T1) è utilizzato nella telefonia americana ed è formato da 24 canali voce e un framing bit per frame per un bit rate totale di 1.544 Mb/s..

(5) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. 7. Nel prossimo paragrafo sarà analizzata la struttura dello stream di dati STS che è organizzato come una successione di strutture logiche dette frame.. 1.2.1. Struttura del frame. Ogni frame contiene byte di overhead (servono per coordinare la trasmissione di ogni frame) e di payload (informazione vera e propria). Il frame può essere rappresentato come una matrice di byte come mostrato in figura 1.3.. Figura 1.3: STS frame format. Ogni rettangolo della figura, a parte il payload, corrisponde a un byte.. Il frame è composto da un totale di 810 B (90 colonne per 9 righe) e viene generato ogni 125 µs; ciò vuol dire che ci sono 8000 frame al secondo che formano proprio il bit rate di 51.84 Mb/s. Delle 90 colonne del frame 86 sono utilizzate per il trasferimento dati (payload) e 4 per l’overhead. I byte sono trasmessi uno alla volta, da sinistra a destra, dall’alto verso il basso, quindi si parte col trasferimento del bit più significativo di A1 per completare l’invio del frame col bit meno significativo del byte della riga 9 e della colonna 90. Il transport overhead (prime tre colonne della figura 1.3) è diviso in due aree: section e line. I byte del section overhead (dalla riga 0 alla riga 3 di figura 1.3) sono.

(6) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. 8. usati per coordinare la trasmissione di ogni frame attraverso elementi adiacenti della rete presenti lungo il percorso della trasmissione (come i rigeneratori di livelli logici e gli Add/Drop Multiplexer che servono per convogliare o smistare i frame STS). Per esempio, i byte A1 e A2 formano la FAW (Frame Alignment Word che vale sempre, in esadecimale, F628) che indica l’inizio del frame ed è utilizzata dal framer¹ per agganciare correttamente il pacchetto; il byte C1, invece, identifica in modo univoco ogni STS-1 all’interno di un STS-N (formato multiplexando in modo opportuno N STS-1). I byte del line overhead (dalla riga 3 alla riga 9 di figura 1.3) sono usati per effettuare correttamente sia la multiplazione che la demultiplazione degli STS. Per esempio, i byte H1 e H2 formano l’STS pointer che indica la presenza o meno di concatenamento dei payload e l’offset, in byte, tra il puntatore stesso e il primo byte dell’SPE (Synchronous Payload Envelope, comprendente payload e path overhead). Il puntatore è necessario perché l’SPE non è allineato al frame (ad esempio, un SPE può iniziare a metà di un frame e finire a metà del frame successivo come mostrato in figura 1.4).. Figura 1.4: STS pointer.. Il path overhead ha il compito di provvedere alla corretta comunicazione tra il sistema di trasmissione e quello di ricezione. Per esempio, il byte B3 di figura 1.3 è un codice. ¹ Il framer riconosce la transizione dal byte A1 al byte A2 per riordinare l’intero frame che può così essere processato correttamente..

(7) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. 9. di parità (pari) usato per determinare la presenza di errori nella trasmissione del frame. In figura 1.5 è mostrato un possibile percorso di un STS e viene anche messo in evidenza l’utilizzo degli overhead nelle varie parti di tale percorso.. Figura 1.5: STS path.. Da notare che il path overhead e il relativo payload rimangono inalterati per l’intero percorso. Gli altri byte, invece, possono essere modificati dagli ADM (Add/Drop Multiplexer) che permettono la multiplazione e la demultiplazione degli STS lungo il percorso.. 1.2.2. Multiplexing. Come già accennato, è possibile multiplexare N STS-1 per ottenere un STS-N. In questo modo si ottiene un segnale con un bit rate più elevato. Ad esempio, multiplexando 3 STS-1 si ottiene un STS-3 che ha un bit rate pari a tre volte quello dell’STS-1. Per effettuare la multiplazione si usa la tecnica del byte interleaving: si trasmette, in successione, il primo byte di ogni STS-1 che vogliamo accorpare, poi il secondo byte e così via. In figura 1.6 è mostrata la multiplazione di 3 STS-1..

(8) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. 10. Figura 1.6: STS multiplexing.. Si capisce che possiamo ottenere diversi bit rate a seconda di quanti STS-1 si vanno a multiplexare. Alcuni valori sono riportati in figura 1.7 dove sono messi in evidenza quanti DS-1 e DS-3 possono essere trasmessi separatamente in un secondo.. Figura 1.7: SONET data rates.. Da notare che i transport overhead dei singoli STS-1 devono essere allineati prima dell’interleaving. Non è necessario, invece, allineare gli SPE data la presenza dei puntatori. L’efficienza della trasmissione può essere migliorata nel caso in cui ci sia un unico utilizzatore che abbia bisogno di una banda superiore a quella che può fornire un STS-1 ricorrendo alla tecnica del concatenamento: invece di multiplexare N STS-1 per formare un STS-N si va a inserire un unico path overhead e a concatenare i payload in modo che siano considerabili come un’unica entità e non come segnali separati (figure 1.8 e 1.9). Concatenando 3 STS-1 si forma un STS-3c (la “c” indica proprio la presenza del concatenamento) utilizzabile, ad esempio, nella televisione digitale ad alta definizione (che richiede un bit rate di circa 150 Mb/s)..

(9) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. Figura 1.8: Concatenation.. Figura 1.9: STS-3 vs. STS-3c.. 11.

(10) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. 12. In figura 1.10 è mostrata la gerarchia SONET. A partire dall’STS-3, per passare da un livello gerarchico al successivo il bit rate si estende, in genere, di un fattore 4.. Figura 1.10: SONET hierarchy.. 1.2.3. Confronto tra SONET e SDH. Il protocollo SDH (Synchronous Digital Hierarchy) è dal 1989 uno standard mondiale per la trasmissione gerarchica basata su fibra ottica. Si potrebbe dire che l’SDH è la “versione internazionale del SONET”. Le differenze tra i due protocolli sono minime: o Dimensione del frame base e relativo bit rate: SDH utilizza l’STM-1 (Synchronous Transfer Module) dimensionalmente pari a 3 STS-1 e con un bit rate di 155.52 Mb/s. o Alcuni termini: ad esempio da section del SONET si passa a regenerator section dell’SDH. o Alcuni byte di overhead. In figura 1.11 vengono comparati i bit rate delle due gerarchie..

(11) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. Figura 1.11: SONET/SDH bit rates.. 13.

(12) Capitolo 1: La comunicazione su fibra ottica. 14. Bibliografia. X X.

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