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70 I QUADERNI DI TELÈMA non nullo a 1500 nm che è stata introdotta per i sistemi WDM. Trasmissione a lunga distanza e ad alta capacità Le reti ottiche di prima generazione, fatta eccezione per le reti di accesso di tipo residenziale, utilizzano la fibra esclusivamente come mezzo trasmissivo in sostituzione del cavo in rame, mentre eseguono tutte le operazioni di commutazione, elaborazione ed instradamento per via elettronica. Esempi di questo tipo sono le reti SONET (Synchronous Optical Network) e SDH (Synchronous Digital Hierarchy), che costituiscono il cuore delle infrastrutture per telecomunicazioni, rispettivamente, in America del Nord, Europa ed Asia. In entrambi i casi esiste una gerarchia standardizzata che regola la generazione di flussi ottici ad alta velocità, detti di aggregato, a partire dai cosiddetti flussi tributari, per mezzo di operazioni di multiplexing elettrico nel dominio del tempo. Nel caso dell’SDH (normative ITU-T G.707, G.957) la gerarchia di base è denominata STM- 1 (Synchronous Transport Module-1) e prevede un flusso di aggregato alla velocità di 155.52 Mb/s. La gerarchia immediatamente successiva è l’STM-4, che tratta un flusso di dati a 622.08 Mb/s. Entrambe sono utilizzate prevalentemente nell’ambito delle reti di accesso, che sono supportate da fibra “standard” e prevedono l’impiego di una componentistica di tipo low cost. Per i collegamenti a lunga distanza sono prevalentemente utilizzate le gerarchie STM- 16 ed STM-64 che consistono in flussi di aggregato alla velocità di circa 2.48 Gb/s e 9.92 4 b/s, trasmessi in generale su fibra “standard” (seconda e terza finestra) o dispersion shifted (terza finestra). In questo caso il sistema è dimensionato in modo tale da distanziare al massimo i rigeneratori optoelettronici: grazie alla compensazione delle perdite di attenuazione ottenuta tramite l’inserzione periodica di amplificatori ottici il segnale può mantenere la sua natura “ottica” fino a distanze dell’ordine di diverse centinaia di chilometri. I sistemi a lunga distanza comprendono la categoria di applicazioni in cui la presenza di barriere geografiche come laghi, mari o montagne, impediscono o comunque rendono difficoltosa l’installazione di un apparato di rigenerazione, imponendo stringenti vincoli in termini di budget di potenza. L’amplificatore ottico è diventato quindi un componente essenziale per questo tipo di collegamenti, sostituendo, ove possibile, i più costosi e ingombranti rigeneratori optoelettronici. Il tipo più comunemente utilizzato è l’amplificatore in fibra drogata con Erbio (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), che, nella sua configurazione standard, presenta un guadagno che può raggiungere anche i 30 dB in una banda di circa 35 nm nella regione intorno a 1.55 mm, consentendo perciò solamente la trasmissione in terza finestra, eventualmente su fibra DS per ridurre le penalità da dispersione. Relativamente ai sistemi sottomarini, con l’installazione dei collegamenti transatlantici TAT-12 (’95) e TAT-13 (’96) operanti in terza finestra su fibra DS, è stato introdotto l’utilizzo di amplificatori ottici di linea “sommersi”. Per quanto riguarda invece le applicazioni terrestri, le prime installazioni risalgono al ’90-’91 negli USA, dove sono stati inizialmente impiegati come booster: venivano infatti posizionati in uscita dal trasmettitore per incrementare la potenza ottica dei terminali SONET, operanti prevalentemente a 2.5 Gb/s. Questo tipo di approccio ha consentito in particolare di raggiungere tratte di 200 km senza rigenerazione. Successivamente, negli anni ’94-’95, si è cominciato ad introdurre, nell’ambito dei sistemi a 2.5 Gb/s, gli amplificatori lunga linea, che hanno permesso di raggiungere, con l’aiuto degli ultimi sviluppi delle tecnologie nel campo dei laser, distanze di 600-800 km senza l’ausilio di tecniche per la compensazione della dispersione cromatica. I network service providers sono attualmente impegnati nel valutare le diverse alternative in grado di incrementare la capacità di traffico offerta dalle reti già installate. Infatti, i sistemi a grande capacità attualmente in servizio operano tipicamente a 2.5 Gb/s e 10 Gb/s nella finestra intorno a 1550 nm. Qualora gli operatori di rete procedessero ad un upgrading in termini di capacità complessiva, oltre alla più ovvia, ma senz’altro più costosa, alternativa del multiplexing nel dominio spaziale (SDM, Space Division Multiplexing) che consiste nell’installare nuova fibra, troverebbero disponibili due diverse soluzioni: il TDM (Time Division Multiplexing), che aumenta la cadenza di cifra multiplando elettronicamente nel dominio del tempo più segnali a velocità inferiore; Iquadernidi
il WDM (Wavelength Division Multiplexing), che prevede la trasmissione contemporanea di più canali a diverse lunghezze d’onda di portante. Naturalmente, essendo complementari, è possibile impiegare un’opportuna combinazione di entrambe le soluzioni, ed è effettivamente ciò che si verifica in pratica. È proprio mediante la combinazione di ambedue le soluzioni che diversi laboratori di ricerca hanno dimostrato di poter raggiungere capacità superiori ai 10 Tb/s su una singola fibra. La tecnica di multiplazione a divisione di tempo permette, come è stato appena precisato, di aumentare la capacità di trasmissione mediante la multiplazione di N flussi di dati a “bassa velocità” in un unico flusso a velocità N volte superiore alla cadenza di cifra dei singoli flussi in ingresso al multiplexer elettrico. Nei sistemi TDM la velocità di cifra può essere fortemente aumentando utilizzando una multiplazione ottica nel dominio del tempo (Optical Time Division Multiplexing, OTDM) come riportata nella figura. A differenza dell’approccio WDM, con la tecnica TDM la durata di un bit del flusso di dati trasmesso in fibra risulta essere N volte più piccola di quella dei bit degli N flussi di partenza. Questi ultimi sono infatti interallacciati tra di loro in modo tale da allocare all’interno della durata del bit slot di partenza un bit per ogni singolo flusso all’ingresso del multiplexer, separando così temporalmente due bit successivi dello stesso flusso tributario di una quantità proprio pari alla loro durata originaria. L’approccio di tipo WDM prevede la trasmissione simultanea di N portanti ottiche, ognuna ad una cadenza di cifra R, in linea di principio non troppo elevata per quanto riguarda gli effetti dispersivi, determinando una capacità di trasmissione complessiva di NxR Gb/s. L’introduzione dell’amplificatore ottico, ed in particolare dell’amplificatore in fibra drogata con Erbio, ha drasticamente cambiato l’economia dei sistemi multilunghezza d’onda poiché ha consentito l’amplificazione simultanea di tutti gli N canali, sostituendo, ove possibile, N rigeneratori optoelettronici, preceduti da un demultiplexer e seguiti da un multiplexer. Reti ottiche metropolitane Negli ultimi anni gli operatori di Telecomunicazioni hanno speso cifre cospicue per ag- novembre 2003 le nuove tecnologie fotoniche giungere imponenti capacità nelle loro reti di trasmissione a lunga distanza. Queste autostrade ottiche sono in grado di trasportare, anche in prospettiva, il traffico multimediale che gli utenti business e privati generano. È però necessario sviluppare ulteriormente le reti metropolitane, per connettere le sorgenti di traffico ad alta capacità alla loro velocità di sorgente. Oggi le aree metropolitane hanno ancora limitati accessi ad alta capacità per la connessione verso le grandi dorsali. Per ovviare gli operatori locali devono aumentare la capacità, e migliorare la flessibilità delle loro reti nell’area metropolitana, il più in fretta possibile per essere in grado di ospitare adeguatamente l’evoluzione del traffico originato dai nuovi servizi a larga banda. Sfortunatamente l’abbondanza di capitali, che in passato ha supportato la realizzazione delle grandi dorsali, si è esaurita e gli investimenti attuali nella rete di telecomunicazioni sono valutati, al momento, con molta parsimonia. La tecnologia scelta da numerosi Operatori è nel transitorio la “Digital Subscriber Line” (DSL), sui collegamenti esistenti dei loro clienti privati o piccoli imprenditori. Fino a qualche tempo fa, questi clienti potevano connettersi a Internet tramite le normali linee telefoniche, economiche ma a banda molto limitata, oppure in alternativa con costose linee digitali “Prime Rate Access” (PRA). La limitazione di banda da una parte, o quella di costo dall’altra sono state un freno importante allo sviluppo del traffico dati scambiato dagli utenti su Internet. Oggi il numero crescente di queste connessioni nella loro evoluzione a larga banda, sta facendo crescere in modo deciso il volume di traffico e tale incremento tende naturalmente a saturare le risorse di rete esistenti. L’uso della fibra ottica e dei sistemi di multiplazione descritti nei paragrafi precedenti è la soluzione tecnica ed economica per rispondere alle necessità delle Reti Metropolitane. È quindi facile prevedere una progressiva migrazione della fibra sempre più verso l’utente finale. Verso le reti completamente ottiche: Optical Add Drop Multiplexing (OADM) e Optical Cross Connect (OXC) Come gli amplificatori ottici hanno sostituito in molte applicazioni i rigeneratori optoe- 71
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