Rompere il collo di bottiglia della metropolitana

Nella cosiddetta spina dorsale del sistema di telecomunicazioni, i grossi tubi che trasportano dati attraverso i continenti, il nome del gioco è velocità pura ( vedere Costruire una spina dorsale migliore , ). Ma i dati che corrono attraverso la dorsale delle telecomunicazioni non possono svolgere la loro missione finché non vengono trasportati attraverso il circuito metropolitano, una complessa rete di cavi e interruttori che fornisce quei bit ad aziende, fabbriche, scuole e case. È lì che il flusso di informazioni si restringe a un relativo rivolo, perché l'anello della metropolitana è altrettanto intricato quanto il traffico dell'ora di punta del centro. Se vogliamo che la rivoluzione della banda larga diventi realtà, il collo di bottiglia metropolitano deve essere rotto.

Ma questo è un compito arduo. Gli aggiornamenti nel circuito metropolitano sono stati molto più lenti nell'avvento rispetto ai progressi nella dorsale. Le ragioni vanno dai vincoli di costo più severi alla burocrazia urbana alla presenza di un'infrastruttura di telecomunicazioni patchwork risalente agli anni '70 e '80. Ma la ricerca e lo sviluppo mirati specificamente all'anello della metropolitana stanno lentamente spingendo una varietà di soluzioni fuori dal laboratorio e sotto le strade. E se vogliamo davvero la banda larga, quelle correzioni dovrebbero funzionare meglio.

Questa storia faceva parte del nostro numero di giugno 2001

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Collegamento debole

Per comprendere la portata del collo di bottiglia, si consideri il posto della rete metropolitana nell'ecologia delle telecomunicazioni. Nella dorsale, le velocità di trasmissione sono misurate in trilioni di bit al secondo. Sul lato utente, le reti ad alta velocità funzionano a miliardi di bit al secondo (gigabit). Ma i sistemi metropolitani che collegano queste due reti ad alta velocità raggiungono solo milioni di bit al secondo (megabit). Questo è il collo di bottiglia, lamenta Steve Schilling, presidente delle reti di accesso a Nortel Networks. E questa restrizione del circuito metropolitano non è solo un problema per le aziende che gestiscono le reti. Le persone normali lo sperimentano come segnali di occupato della linea principale e browser Web in stallo.

Se stai cercando un colpevole qui, non toccare le compagnie telefoniche che gestiscono l'anello della metropolitana. Hanno pianificato con prudenza (almeno, così pensavano) una crescita costante delle comunicazioni vocali, che all'epoca erano il loro pane quotidiano. Poi loro, insieme a tutti gli altri, furono accecati dall'esplosione della Rete. Due o tre anni fa, abbiamo iniziato a riscontrare problemi di capacità nelle aree urbane, afferma Stuart Elby, che dirige lo sviluppo delle reti connesse a Internet presso Verizon, la compagnia telefonica che serve New York e New England. Velocità di 2,5 gigabit al secondo, sufficienti per gestire il traffico pesante generato dalla rete, sono comuni solo nel cuore delle grandi città come New York o Boston, dove Verizon gestisce un cavo in fibra ottica con 48 fili. Le velocità più tipiche del metro-loop vanno da 1,5 a 600 o giù di lì megabit al secondo.

E non c'è sosta in vista per le operazioni della metropolitana assediate. Stanno emergendo sempre più applicazioni man mano che si dispone di una maggiore larghezza di banda, afferma Claude Romans, analista della società di ricerche di mercato RHK di South San Francisco. Se la televisione digitale dovesse mai decollare, per esempio, potrebbe divorare enormi pezzi di larghezza di banda; ci vogliono 1,5 gigabit al secondo per trasmettere un singolo canale video ad alta definizione di qualità da studio (sebbene i consumatori vedranno solo una versione compressa da 20 megabit al secondo). Questo tipo di attacco di dati metterà in ginocchio l'anello della metropolitana senza significativi aggiornamenti tecnologici.

Il rallentamento della trasmissione attuale e futuro affligge entrambi i componenti principali della struttura hub-and-spoke della metropolitana. La porzione di accesso della rete, i traghetti a raggi, segnala i quartieri residenziali e i singoli edifici per uffici. Queste linee di accesso si collegano all'anello di raccolta, che trasporta i segnali in un'area metropolitana, collegando i centri di servizi delle compagnie telefoniche e altri importanti centri di traffico, come i fornitori di servizi Internet e le grandi università.

I progressi tecnologici stanno aiutando a liberare sia l'anello di raccolta che le linee di accesso. Anche le fibre ottiche, che già dominano l'anello di raccolta, stanno sostituendo sempre di più il rame residuo nelle linee di accesso, pavimentando i percorsi sterrati con un asfalto liscio e moderno. E le nuove tecnologie di trasmissione ottica stanno inserendo più dati nelle reti già esistenti.

Bit di imballaggio e lunghezze d'onda

Il sollevamento più pesante in un sistema metropolitano viene in genere effettuato dall'anello di raccolta, che corre lungo tutta la regione, fornendo accesso locale man mano che procede. Per superare il collo di bottiglia della larghezza di banda qui, gli ingegneri hanno due scelte fondamentali: possono aumentare la velocità in bit su un singolo raggio di luce che viaggia attraverso una fibra o possono moltiplicare la capacità utilizzando diverse lunghezze d'onda come vettori di informazioni. Nella seconda alternativa, nota come multiplexing a divisione di lunghezza d'onda, ciascuna fibra trasporta più fasci di luce di diversi colori, con un diverso segnale digitale codificato in ciascun raggio. Più lunghezze d'onda puoi impacchettare, più informazioni ti muovi. (Questi colori sono in realtà diverse tonalità di infrarossi e sono invisibili all'occhio.)

Entrambi gli approcci sono ora in fase di sperimentazione da parte delle società che gestiscono l'anello della metropolitana. Vari problemi tecnici rendono difficile aumentare il bit rate. Ma nell'incoraggiare i recenti sviluppi, due leader di reti ottiche, Ciena e Nortel Networks, hanno dimostrato una trasmissione a lunghezza d'onda singola di 40 gigabit al secondo su lunghezze di fibra tipiche di una rete metropolitana. Questo è un grande salto rispetto ai 2,5 gigabit al secondo a cui operano le reti metropolitane più veloci di oggi. Portare questa impresa di ricerca fuori dal laboratorio e sotto le strade, tuttavia, richiederà progressi nell'elettronica che manipola i segnali, poiché i chip standard non funzionano ancora così velocemente.

scavando dentro

Un giro intorno all'anello di raccolta della metropolitana mostra che è pieno di fibre; il rame è stato quasi bandito. Ma nelle linee di accesso ai margini della rete, i collegamenti che collegano l'anello alle case e alle aziende, la fibra coesiste ancora con la sua controparte vecchio stile. La fibra si fa sempre più strada nella rete di accesso ogni giorno, ma ha ancora molta strada da fare, afferma Brian McFadden, presidente delle reti fotoniche di Nortel Networks.

È comprensibile. Anche se la fibra è più economica da utilizzare e più stabile del rame, le aziende affermate non possono permettersi di strappare tutti i cavi installati contemporaneamente. La quantità di infrastrutture è enorme; anche cambiare una piccola percentuale all'anno è un investimento enorme, afferma Elby di Verizon. Ecco perché un consorzio di produttori di apparecchiature per telecomunicazioni e fornitori di servizi sta spingendo per sviluppare percorsi evolutivi per portare la fibra sempre più vicino alle case e agli uffici che utilizzano la rete.

La tecnologia chiave di questa evoluzione, chiamata rete ottica passiva, estende ulteriormente la portata della fibra ottica fino ai margini. Affinché questa tecnica funzioni, almeno un servizio in fibra deve essere già attivo; ma l'ottica passiva porta la fibra in parti della rete ora servite solo dal rame.

Ecco come funziona l'ottica passiva. Un trasmettitore in una struttura centrale genera un segnale ottico a una delle due velocità dati standard del sistema telefonico: 155 o 622 megabit al secondo. Questo segnale è un composito, che include informazioni per un massimo di 32 utenti. Un accoppiatore ottico passivo, che non richiede alimentazione elettrica, divide quindi questo segnale tra le fibre che si collegano direttamente agli utenti finali o ad altri punti di derivazione. L'apparecchiatura alla fine di ciascuna di queste fibre ordina i segnali, trasmettendo solo quelli destinati all'utente locale. Il trasmettitore centrale può riallocare la larghezza di banda tra i clienti quasi istantaneamente.

Per una compagnia telefonica, la rete ottica passiva offre un modo interessante per estendere la portata della fibra ottica con il minimo sforzo. Il design passivo mantiene bassi i costi di hardware, funzionamento e installazione. Inoltre, le apparecchiature sensibili necessarie per trasmettere, ricevere e reindirizzare i segnali ottici sono tenute al sicuro all'interno degli edifici alle estremità del sistema. E poiché la rete ottica passiva non richiede alimentazione elettrica tra i suoi punti terminali, richiede generalmente meno manutenzione rispetto alle reti basate su componenti attivi.

Una tecnologia dark-horse che si è recentemente unita alla rete metropolitana, chiamata Gigabit Ethernet, aumenta ulteriormente la velocità. Questi sistemi utilizzano le fibre per trasmettere informazioni nel formato Ethernet comunemente utilizzato per le reti di computer degli uffici. Le loro velocità di trasmissione dati di un gigabit al secondo lasciano nella polvere le altre tecnologie delle linee di accesso. Un gigabit è 1.000 megabit; La trasmissione in gigabit al secondo, ad esempio, eliminerebbe l'intero contenuto di un CD in meno di un secondo.

In una Gigabit Ethernet, una singola pipeline in fibra va a un punto di commutazione centrale. Questo aggregatore Ethernet, come viene chiamato, distribuisce segnali fino a 200 fibre. Ogni fibra in uscita, come la fibra in ingresso, può trasportare fino a un gigabit al secondo per brevi raffiche, ma la velocità di uscita totale non può superare l'ingresso. Un box aggregatore delle dimensioni di una cabina telefonica può servire più di 200 abitazioni in un raggio fino a 10 chilometri. Questo è ben oltre la portata delle linee degli abbonati digitali o del DSL, il servizio della compagnia telefonica che fornisce connessioni a banda larga tramite cavo in rame.

Gigabit Ethernet può funzionare come una soluzione economica per le compagnie telefoniche per la fornitura di accesso a banda larga. Ecco perché un consorzio senza scopo di lucro di società e università con sede a Ottawa, in Ontario, chiamato Canarie, sta promuovendo la tecnologia per le connessioni a banda larga alle scuole a corto di liquidità. Negli Stati Uniti, la startup con sede a Veradale, WA, World Wide Packets, ha sviluppato una propria versione della tecnologia per le telecomunicazioni rurali. Sta testando sul campo un sistema a Ephrata, WA, per il distretto di pubblica utilità della contea di Grant.

Dieta ricca di fibre

Il semplice inserimento di più fibra nella rete metropolitana non risolverà tutti i problemi che emergono nelle aree urbane. I sistemi odierni si basano su un mix a volte imbarazzante di tecnologia elettronica e ottica. Piccoli laser lanciano fasci di luce contenenti dati nelle fibre ottiche. All'altra estremità, la luce colpisce un fotosensore, che converte i flash di accensione e spegnimento in un segnale elettrico che gli interruttori elettronici indirizzano alla sua corretta destinazione. Tale commutazione elettronica funziona bene alle modeste velocità di 2,5 gigabit al secondo che sono ora nell'uso comune della metropolitana.

Ma inizia ad aumentare la velocità dei dati e i circuiti elettronici hanno difficoltà a tenere il passo con il potenziale delle reti ottiche. La soluzione: interruttori completamente ottici che reindirizzano i segnali luminosi senza convertirli in elettroni. Maggiore è il bit rate, maggiore è il vantaggio completamente ottico. In effetti, quando si arriva a 40 gigabit al secondo, non c'è alternativa alla commutazione completamente ottica, afferma Lawrence Gasman, presidente di Communications Industry Researchers.

Raggiungere un sistema metropolitano completamente ottico non sarà tuttavia semplice, perché richiederà la costruzione di nuove reti. Per le compagnie telefoniche consolidate, l'onere potrebbe non essere schiacciante, dal momento che la maggior parte dei cavi urbani sotterranei esistenti viene infilata in condotti interrati e le compagnie telefoniche possono spesso estrarre i vecchi cavi e inserirne di nuovi, come hanno fatto quando hanno sostituito i cavi in ​​rame con i cavi in ​​fibra nel anni '80. Le nuove aziende, d'altra parte, devono costruire nuove reti complete. Una di queste società, Metromedia Fiber Network, prevede di espandersi oltre la sua base di New York City e di installare quasi sei milioni di chilometri di fibra in 67 città del Nord America e dell'Europa entro il 2004.

Ma che stiano realizzando reti completamente nuove o cercando di modificare i sistemi esistenti per migliorarne le prestazioni, i costruttori e gli operatori dei circuiti metropolitani che uniscono le popolazioni di abitazioni più concentrate stanno svolgendo un compito cruciale. La dorsale e le reti aziendali che fiancheggiano l'anello metropolitano diventano ogni anno più veloci. Se il collo di bottiglia della metropolitana non viene superato, la banda larga rimarrà poco più di un'idea intelligente che alcuni tecnici avevano una volta.

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