fibre ottiche plastiche per telecomunicazioni su breve distanza

NOTE
Silvio Abrate
(Coordinatore PhotonLab - Istituto Superiore Mario Boella – Torino)
FIBRE OTTICHE PLASTICHE PER TELECOMUNICAZIONI
SU BREVE DISTANZA
(PLASTIC OPTICAL FIBERS -POF- FOR SHORT-DISTANCE COMMUNICATIONS)
S
bstract: in this paper we will describe how
1mm core Polymer Optical Fibers, made
of PMMA, despite their limited characteristics
with respect to glass fibers, can be a valuable alternative to copper cable for low-bit-rate and shortdistance applications.
1 Introduzione
non siano giustificate dalla domanda di traffico, e
pertanto si può pensare ad un tipo di fibre ottiche
a prestazioni ridotte ma che ne risolvano le problematiche di installazione.
In particolare, stanno guadagnando crescente
interesse in alcune nicchie di mercato (quali l’automazione industriale o il “car entertainment”
basato su protocollo MOST) fibre ottiche a profilo di indice a gradino (Step Index) realizzate in
Poli-Metil-Meta-Acrilato (PMMA) con un diametro
di core di 1mm, che d’ora in poi chiameremo POF
(Polymer Optical Fibres, da non confondere con
altri tipi di fibre plastiche, ad esempio con polimero perfluorinato oppure con profilo di indice di
rifrazione a variazione graduale).
Queste fibre mantengono i vantaggi tipici delle
fibre ottiche, come ad esempio l’intrinseca immunità da problemi di compatibilità elettromagnetica,
ed aggiungo alcune migliorie nei confronti delle
fibre ottiche in vetro:
ommario: In questo articolo descriveremo
come le fibre ottiche plastiche con core da
1mm e fatte in PMMA, a dispetto delle loro limitate caratteristiche rispetto alle fibre in vetro, siano
in grado di fornire una valida alternativa al cavo in
rame per applicazioni a bit-rate contenuti su brevi
distanze.
I costanti progressi nel mondo delle telecomunicazioni rendono spesso inadeguato, in termini di
prestazioni, il consueto e diffuso cavo in rame, che
la fa da padrone non solo in ambito di Local Area
Network, ma spesso anche nell’ultimo miglio (es.
ADSL); inoltre, i crescenti costi della materia prima
stessa suggeriscono di cercare mezzi alternativi
anche laddove le prestazioni dei cavi convenzionali siano sufficienti.
Le fibre ottiche in vetro sono un mezzo concepito per il trasporto di informazioni nelle grandi
dorsali (backbone), viste le loro prestazioni in termini di capacità di trasporto dati e distanza del collegamento rispetto a qualunque altro mezzo.
Attualmente, il costo del cavo in fibra ottica è
confrontabile con il convenzionale doppino in
rame, tuttavia l’installazione è complessa e richiede personale specializzato, tanto da stimare che il
costo per una installazione sia dovuto per oltre il
70% alla manodopera.
In seguito a tali considerazioni, è impensabile
ipotizzarne un utilizzo laddove le loro prestazioni
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A
- raggio di curvatura più ristretto;
- elevata resistenza meccanica;
- utilizzo luce visibile (rosso, verde, blu), con
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intrinseca sicurezza per la retina e prima
indicazione visiva di funzionamento;
- facilità di installazione e connettorizzazione
anche per personale non specializzato, con
conseguente riduzione dei relativi costi (con
possibilità di installazioni anche connectorless);
- possibilità di installazione negli esistenti condotti elettrici;
- elevata robustezza in ambienti ostili (es.
ambiente umido-salino).
Queste caratteristiche, da pagarsi in termini di
prestazioni come sarà evidenziato nel prossimo
paragrafo, le rendono di interesse per ambienti
domestici o comunque di Local Area Network,
oltre agli scenari di nicchia precedentemente indicati, ossia dove le prestazioni possono essere limitate, con un indubbio vantaggio in termini di facilità e costo di installazione.
I limiti prestazionali
Questa facilità d’uso si paga tuttavia in termini
di prestazioni. Infatti, le attuali PMMA SI-POF sono
caratterizzate sia da perdite elevate (a causa del
materiale utilizzato: da 0.08dB/m a 0,2dB/m a
seconda della lunghezza d’onda), sia da una forte
dispersione intermodale che limita la banda disponibile (il numero di modi che si propagano in una
SI-POF standard a 650nm è stimato nell’ordine di
3 milioni).
Dal grafico in figura 1 si nota come, anche per
distanze brevi, la banda disponibile sia piuttosto
limitata: se già a 100m si ha una banda di soli
30MHz, a 400m la banda disponibile è di soli
9MHz.
Occorre dunque, per raggiungere prestazioni
interessanti utilizzando questo mezzo fisico, ricorrere a tecniche della telecomunicazioni e della teoria dell’informazione che non sono tipiche delle
comunicazioni ottiche perlomeno a breve distanza:
oltre all’utilizzo di codici a correzione d’errore
(FEC), si può pensare a formati di modulazione
multilivello invece che al convenzionale On-Off
Keying (in figura 2 si riporta il prodotto bit-rate
per distanza per vari formati di modulazione di
ampiezza), a tecniche di equalizzazione.
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Figura 1: banda elettrica disponibile per collegamenti POF di
varie lunghezze.
Attività sperimentali
Negli anni il gruppo di ricerca del laboratorio
PhotonLab dell’Istituto Superiore Mario Boella
(ISMB) si è concentrato sull’obbiettivo di estrarre
il massimo delle prestazioni dalle POF, prendendo
come riferimento il protocollo Ethernet, ossia
mirando ai bit rate tipici quali 10Mb/s, 100Mb/s,
1Gb/s sulle maggiori distanze possibili, e di seguito
si fa un rapido resoconto delle tecniche utilizzate
e dei risultati ottenuti.
Figura 2: rapporto distanza-bitrate. Sulla linea tratteggiata è
indicata la power penalty a seconda del numero di bit per
simbolo, sulla linea continua la corrispondente banda moda-
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NOTE
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(PLASTIC OPTICAL FIBERS (POF) FOR SHORT-DISTANCE COMMUNICATIONS)
Ethernet
Sebbene 10Mb/s possa sembrare un obiettivo
modesto, la connessione tipica non-business oggi
disponibile in Italia raramente giunge a queste prestazioni; inoltre, il primo operatore che ha introdotto il FTTH in Italia offre questo tipo di connessione con fibra ottica in vetro multimodo, con evidenti difficoltà di installazione dovuta alla delicatezza del cavo (in particolare, la risalita lungo le
canaline di un condominio pare comportare
parecchie rotture, al punto da limitare a 2 il numero di istallazioni giornaliere che una squadra è in
grado di effettuare.
Si stima che il 90% delle connessioni dal
Gigarouter all’apparato domestico sia incluso in
una distanza inferiore ai 300m).
Come evidente da figura 1, su una distanza di
400m la banda disponibile è di 9MHz, sufficiente
per una trasmissione convenzionale a due livelli; il
sistema è dunque evidentemente limitato in attenuazione prima che in banda. Per superare queste
limitazioni, il sistema è stato progettato secondo i
seguenti criteri:
- trasmissione nel verde, dove la POF ha il suo
minimo di attenuazione. LED verdi sono più
lenti di quelli nel rosso, tuttavia sufficienti
per trasmissioni a 10Mb/s in quanto l’unità
scelta ha banda di 35MHz, mentre il ricevitore ha banda di 25Mhz e amplificatore a
trans impedenza integrato;
- introduzione di codifica FEC del tipo
RS(1053, 959), che migliora il power budget
di 6dB;
- utilizzo di codifica di linea NRZ in sostituzione della Manchester utilizzata da
Ethernet, per ridurre la domanda di banda.
Introdurre la codifica FEC, che lavora su blocchi sincroni, ha richiesto un pesante lavoro di programmazione del livello 2, ossia del MAC, poiché è
stato necessario introdurre una sincronizzazione
nei pacchetti in arrivo poiché il protocollo
Ethernet è intrinsecamente asincrono: l’introduzione di blocchi tali da compensare i vuoti di trasmissione ha permesso di ottenere un flusso di
dati continuo all’ingresso del codificatore.
Tutte queste misure hanno permesso di ottenere un power budget dell’ordine dei 40dB.
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Fig. 3: occhio ricevuto dopo trasmissione su400, con connettore intermedio
In figura 3 è riportato il diagramma ad occhio
ricevuto dopo una trasmissione su 400m con un
connettore intermedio.
Il tutto è stato programmato su di una logica
FPGA, ed il sistema ha sperimentalmente dimostrato di essere in grado di superare una distanza
di 425m ([FastPOF]), largamente sufficiente per le
specifiche da operatore precedentemente indicate
(10Mb/s su 300m) e superiore ad ogni prestazione
ottenibile con il rame.
Fast Ethernet
100Mb/s è oggi la velocità maggiormente utilizzata sulla interfacce di rete dei PC: nonostante le
schede siano solitamente del tipo 10/100/1000, lo
stesso bus interno del PC non è in grado di fornire traffico a tale velocità. ISMB ha coordinato il
progetto europeo POF-ALL ([POFALL1]), il cui
obiettivo principale, ma non unico, era la trasmissione di uno stream 100Mb/s su una distanza di
300m utilizzando cavi POF.
In questo caso, capire se il sistema è limitato
prima in attenuazione o in banda non è immediato.
Dopo una lunga campagna di simulazione, ISMB
ha deciso di intraprendere le seguenti scelte tecniche:
- trasmissione nel verde, con la stessa optoelettronica utilizzata per la trasmissione
Ethernet;
- formato di modulazione multilivello 8-PAM;
- compensazione delle non-linearità del LED
(per trasmissioni multilivello è fondamenta-
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NOTE
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le avere linearità al trasmettitore);
- pre-equalizzazione al trasmettitore con un
filtro FIR a 20 prese, con funzione di trasferimento da compensare che ipotizza un collegamento medio di 200m;
- codifica FEC di tipo RS(255, 239);
- equalizzazione adattativa al ricevitore, con
filtro LMS (Least-Mean Square) e fase iniziale in modalità “blind”.
Il livello fisico così concepito è stato programmato su piattaforma FPGA, ed ha sperimentalmente dimostrato di riuscire a coprire una distanza
dell’ordine dei 275m ([POFALL2]).
Altri partner del progetto hanno dimostrato,
oltre a primordiali esperimenti a 1Gb/s, prestazioni quasi equivalenti utilizzando il formato di modulazione DMT ([POFALL3]), tipico delle comunicazioni su powerline.
Gigabit Ethernet
La trasmissione di 1Gb/s comporta tematiche
ancora differenti: il sistema è a questo punto severamente limitato in banda, ed anche dal punto di
vista optoelettronico non è semplice trovare componenti a basso costo (es. LED) sufficientemente
veloci; la scelta principale, a questo punto, è di spingere al massimo lo sforzo sull’equalizzazione (in
figura 4 è riportato il diagramma ad occhio ricevuto dopo una trasmissione ad 1Gb/s su 50m di fibra
plastica, utilizzando una sorgente RC-LED ma in
assenza di equalizzazione).
Il progetto europeo POF-PLUS ([POFPLUS1]),
coordinato da ISMB ed attualmente in corso, ha
come obiettivo principale, ma non unico, la trasmissione di 1Gb/s su distanze di 50m ed oltre.
Dopo una lunga campagna di simulazione, ISMB
è giunto alle seguenti scelte tecniche:
- trasmissione nel rosso, con l’utilizzo di sorgenti RC-LED (più veloci dei LED convenzionali, più robuste all’usura ed allo squilibrio modale rispetto ai VCSEL);
- convenzionale modulazione OOK a 2 livelli
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Figura 4: diagramma ad occhio ricevuto dopo trasmissione a
1Gb/s su 50m. La sorgente è un RC-LED a 650nm (rosso)
mentre in ricezione c’è un apparato da laboratorio Graviton
SPD-2.
-
-
(il confronto con 4-PAM ed 8-PAM ha dimostrato, sulle distanze in gioco, che la richiesta
di linearità è tale da vanificare il vantaggio
del multilivello);
pre-enfasi al trasmettitore;
equalizzazione adattativa al ricevitore: filtro
di feed-forward (FFE) con 16 prese “fractionally spaced” (equivalenti dunque a 8 bit) e
filtro di feedback (DFE) con due prese. Si
utilizza l’algoritmo di equalizzazione del tipo
Minimun Square Error (MSE);
codifica di linea 64B/66B to 65B (IEEE 802.32008 clausola 74.7.4.3);
codifica FEC di tipo RS(255, 237).
Le velocità in gioco e le prestazioni delle FPGA
disponibili, hanno costretto a programmare il software secondo un parallelismo 4.
Durante il progetto sono stati implementati dei
sottolivelli PMD e PCS completi, ed una estesa
campagna di test, anche a livello rete, è stata effettuata.
Il sistema ha dimostrato ([POFPLUS2]) di funzionare su di una distanza di 50m fornendo un
consistente margine (6,5dB con ricevitore da laboratorio) tale da permettere di tenere in conto
invecchiamento dei componenti e perdite in eccesso dovute a condizioni difficili di installazione tipiche dell’ambiente domestico (es. elevato numero
di curve).
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Conclusioni
Le fibre ottiche in plastica stanno guadagnando
interesse per l’installazione in ambiente domestico, grazie alla loro facilità di installazione che dunque si adatta alla “consumer electron ics”. ETSI ha
recentemente pubblicato la specifica “TS 105 1751” per sistemi basati su POF, intitolata “Plastic
Optical Fiber System Specifications for 100Mbit/s
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and 1Gbit/s”, mentre una iniziativa del dicembre
2009 da parte dell’ente VDE-DKE intitolata WG
412.7.1 “Optical Data Transmission Over Plastic
Optical Fiber (POF)” sta cercando di definire specifiche maggiormente di dettaglio tecnologico.
ISMB ha sperimentalmente dimostrato le prestazioni richieste dalla specifica ETSI, e dunque che
le POF sono oramai mature per affacciarsi al mercato come soluzione consumer per la larga banda.
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Silvio Abrate
Riferimenti
[FastPOF]
D. Cardenas, A. Nespola, P. Spalla, S. Abrate, R. Gaudino, “A media converter prototype
for 10Mb/s Ethernet transmission over 425m of large core step index polymer optical
fiber”, IEEE Journal of Lightwave Technology, Dec. 2006
[POFALL1] www.ist-pof-all.org
[POFALL2] D. Cardenas, A. Nespola, S. Camatel, S. Abrate, R. Gaudino, “100Mb/s Ethernet transmis
sion over 275m of large core step index polymer optical fiber: results from the POFALL European project”, IEEE Journal of Lightwave Technology, Jul. 2009.
[POFALL3] I. Mollers, R. Gaudino, A. Nocivelli, H. Kragl, O. Ziemann, N.Weber,T. Koonen, C. Lezzi, A.
Bluschke, S. Randel, D. Jager, "Plastic Optical Fiber Technology for Reliable Home
Networking – Overview and Results of the EU Project POF-ALL", IEEE COMMUNI
CATIONS MAGAZINE, vol. 47 (8); p. 58-68, ISSN: 0163-6804
[POFPLUS1] www.ict-pof-plus.eu
[POFPLUS2] A. Nespola, S. Straullu, P. Savio, D. Zeolla, J. Ramirez Molina, S. Abrate, R. Gaudino, "A
New Physical Layer Capable of Record Gigabit Transmission over 1mm Step Index
Polymer Optical Fiber", IEEE Journal of Lightwave Technology, Digital Object Identifier
:10.1109/JLT.2010.2072491
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