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Fibra ottica e laser, come avviene la trasmissione dei segnali

Digital Magazine
Breve guida alle tecnologie per trasmettere dati lungo un cavo di fibra ottica

Copertura in fibra ottica e strumenti per la trasmissione del segnale

In Italia si parla spesso della percentuale di copertura in fibra ottica del territorio Nazionale, difatti l’obiettivo del Governo è coprire l’intera Nazione. Ma cosa si intende per copertura in fibra ottica?
Solitamente si intende la percentuale di unità abitative raggiunte da connessione FTTH (dove FTTH sta per Fiber To The Home) eliminando quindi il transito su doppino in rame, ovverosia tutte quelle connessioni contraddistinte con il bollino verde sulla bolletta.

Ma di che segnale parliamo? Si tratta di un segnale ottico generato da un laser.

Laser è l’acronimo della sigla inglese «light amplification by stimulated emission of radiation», che in italiano corrisponde ad "amplificazione della luce mediante emissione stimolata della radiazione", e consiste in un dispositivo optoelettronico in grado di emettere un fascio di luce coerente che rimane intrappolato all’interno della fibra ottica.

Esempio di segnale laser uscente da una fibra ottica. nikkytok/iStock via Getty Images

Il fascio di luce trasporta bit che possono avere il valore di "0" o "1" e proprio da qui l’indicazione delle velocità di navigazione in Gigabit (ricordando che 1 Gigabit è pari a 10 elevato alla 9 bit, vale a dire 1000000000 bit, ovvero 1 miliardo di bit).

Questa comunicazione su fibra ottica avviene tra 2 dispositivi, di cui uno è installato presso la sede del cliente che può essere un’abitazione o una sede di un’azienda o di una pubblica amministrazione ed è chiamato abitualmente “MODEM” e l’altro è l’apparato d’accesso dell’ISP a cui il modem si collega.

ISP sta per Internet Service Provider, cioè quell’azienda che fornisce il servizio di connessione ad Internet.

Le bande disponibili per connessioni in fibra ottica

In questo articolo non ci occuperemo di connessioni FTTC (Fiber To The Cabinet), FTTS (Fiber To The Street) o comunque di tutte quelle in fibra misto rame, ma solamente delle connessioni con segnale ottico tra apparato in sede cliente e apparato d’accesso, indicando le tecnologie che si usano in ambito consumer e in ambito Business Enterprise (ovvero quelle di cui necessitano le aziende), poiché a seconda della banda necessaria cambia la tecnologia utilizzata su rete d’accesso.

Le connessioni in fibra ottica offrono bande nell’ordine dei Gigabit per secondo simmetrici in download ed upload, ma tutto dipende dalle esigenze del cliente.

Le esigenze di connettività di una famiglia sono naturalmente diverse da quelle di un’azienda.

Solitamente in una famiglia i picchi di banda si raggiungono quando più membri del nucleo familiare guardano contemporaneamente diversi contenuti in streaming ad alta risoluzione: un contenuto in streaming visto a risoluzione 4K occupa 15 Megabit per secondo, quindi 4 persone che guardano contenuti diversi contemporaneamente possono consumare 60 Megabit per secondo, ben al di sotto del Gigabit per secondo che è la velocità che la maggior parte delle connessioni FTTH residenziali, attualmente disponibili sul mercato consumer, offrono.

woolzian/E+ via Getty Images

Tutto cambia quando ci si sposta nell’ambito Enterprise in cui le esigenze di banda variano molto rispetto alla tipologia di attività commerciale che svolge l’azienda e della funzione della specifica sede: le aziende con esigenze maggiori di banda sono quelle che operano nel segmento dell’ICT (Information and Communication Technologies) ovvero quelle aziende che offrono servizi informatici ad alte prestazioni, bassa latenza ed alta affidabilità, e qui i consumi di banda possono arrivare a decine di Gigabit per secondo o addirittura centinaia di Gigabit per secondo.

Analogo ragionamento si può fare per le sedi delle Pubblica Amministrazione: basti pensare a quelle che possono essere le esigenze di banda di una sede periferica delle pubbliche amministrazioni, solitamente inferiori a quelle di una famiglia, poiché gli strumenti di lavoro consumano generalmente poca banda per consultare database e risorse online rispetto a quelle che invece possono essere le esigenze di banda di un CED (Centro Elaborazione Dati) di una Pubblica Amministrazione Centrale, in cui vi sono per esempio server che rispondono a migliaia di richieste d’accesso contemporanee ai dati.

Funzionamento delle tipologie di connessione in fibra ottica

In ambito residenziale la maggior parte delle connessioni FTTH sono di tipologia GPON ed EPON, mentre in ambito Enterprise solo per le sedi periferiche si usano queste tecnologie, invece per sedi con maggior esigenza di banda si usano connessioni in fibra ottica dirette tra router dell’ISP e router del cliente o, più spesso, ci si avvale di apparati OTN (Optical Transport Network) interposti tra il router in sede cliente, chiamato in questo contesto CPE (Customer Point of Entrance), e quello dell’ISP PE (Point of Entrance).

Le tecnologie d’accesso in fibra ottica GPON ed EPON si differenziano per il protocollo di codifica dei bit che vengono trasmessi su fibra, individuato con la prima lettera G o E, ma in questo articolo non approfondiremo questa differenza.
Ciò che conta è che la rete in fibra chiamata PON (Passive Optical Network) utilizzata per il collegamento tra un’appendice del “MODEM” detta ONT (Optical Network Terminal) e l’apparato d’accesso detto OLT (Optical Line Trasmission) installato nella più vicina Centrale dell’ISP (indicata come POP - Point Of Presence), è una rete passiva, definita tale poiché tra la porta dell’apparato d’accesso e l’apparato di terminazione vi è uno splitter ottico passivo detto ROE per permettere di connettere più utenze con un'unica porta di un apparato d’accesso.

Schema di collegamento per le tecnologie GPON/EPOND. Photo by Sebastiano Troia.

Diversamente dalla PON, la OTN è una rete in cui si utilizzano risorse dedicate per la trasmissione dei dati tra gli apparati e inoltre si usano protocolli di multiplazione del segnale per aumentare la banda passante sulla coppia di fibra ottica dedicata al collegamento.

Il protocollo a oggi più utilizzato per l’implementazione di reti OTN è il WDM (Wavelenght Division Multiplexing): questo protocollo è usato per la multiplazione delle lunghezze d’onda che permette di inviare più segnali sulla medesima coppia di fibre ottiche, allocando gli stessi segnali a lunghezze d’onda diverse prestabilite e creando così su ognuna canali di banda diversa a seconda della variante di protocollo WDM in uso. Ogni canale può avere banda di 10, 100 o addirittura 400 Gigabit per secondo e si possono affasciare assieme decine di canali, con bande complessive nell’ordine dei Terabit per secondo, ovvero 10 elevato alla 12 bit quindi 1.000.000.000.000 (mille miliardi di bit).

Apparati WDM installati presso un POP di un ISP. Photo by Sebastiano Troia.

Ricordiamo che ogni segnale ottico è un’onda e la lunghezza d’onda è la distanza temporale tra i picchi della stessa. Nelle telecomunicazioni si ragiona di distanze nell’ordine del miliardesimo di secondo.
Bande così elevate si utilizzano ad esempio per le connessioni intercontinentali in fibra ottica transitanti su cavi marini che trasportano decine di coppie di fibre ottiche, in ambito di rete d’accesso, ovverosia quella rete che connette la sede del cliente alla rete dell’ISP, si arriva a bande complessive di un qualche centinaia di Gigabit nel caso di interconnessioni di Data Center di Aziende alla rete Internet.

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