Fibra, perché?

La forte crescita di interesse per l’utilizzo delle tecnologie ottiche nelle comunicazioni  è dovuta ad una serie di fattori, ma, come normalmente avviene per tutte le tecnologie,  la spinta nasce prima di tutto dall’evoluzione dei bisogni dei Clienti (business e consumer). La Commissione Europea si è fatta promotrice di iniziative di ampia portata, finalizzate a promuovere la maturazione della “cultura Internet” e lo sviluppo della banda larga ed ultralarga necessario per soddisfare i bisogni attuali e futuri degli Europei, su un orizzonte temporale che traguarda il 2020. In questa introduzione al numero del Notiziario Tecnico, “a tutta fibra” vengono richiamate le motivazioni che hanno portato Operatori ed Istituzioni Nazionali e sovranazionali (in Europa come in altri continenti)  a riconoscere il ruolo centrale della fibra ottica per lo sviluppo della “Digital Life”.

 

Fibra per… i servizi

Di “quanta banda” c’è bisogno?  Questa domanda è, da sempre fondamentale per tutti i soggetti che operano nell’ecosistema delle telecomunicazioni. Le risposte sono cambiate molto nel corso degli anni.  A partire dalla fine degli anni ottanta la standardizzazione internazionale (CCITT ora ITU-T) iniziò a specificare servizi “broadband”, definiti dall’avere bit rate superiori al cosiddetto “accesso primario ISDN” (1,5 – 2 Mbps), ma ancora nel 2006 l’OECD (organizzazione mondiale per la cooperazione e lo sviluppo economico), raccogliendo dati sulle caratteristiche degli accessi nei vari Paesi del mondo,  qualificava “broadband”  gli accessi superiori a 256kbps.  Il piano nazionale per la larga banda degli Stati Uniti  del 2009 considerava “broadband”  accessi con velocità superiori al “dial-up” (che consente al massimo poche centinaia di kbps); solo nel 2015  la commissione federale  per le comunicazioni (FCC) ha votato [1] per definire il limite inferiore di “broadband” la velocità di 25Mbps (in download. Venendo all’Europa,  l’attuale piano della Commissione Europea per l’Agenda Digitale 2020 indica come “broadband” accessi a velocità compresa fra 144kbps e 30Mbps, mentre qualifica come “fast broadband” accessi a velocità compresa fra 30Mbps e 100Mbps; velocità superiori a 100Mbps sono definiti “ultra-fast broadband”.
Questi “numeri” che definiscono “quanta banda serva entro il 2020” sono molto importanti, perché sono alla base dei piani di sviluppo dei Paesi della Comunità Europea [2]; ma cerchiamo di analizzare “cosa ci sia dietro”, cioè  quali siano gli effettivi requisiti di banda posti dall’evoluzione dei servizi (limitandoci al caso degli utenti residenziali).
La capacità di banda complessiva richiesta per servire i bisogni di un’utenza residenziale  è determinata essenzialmente da:

  • requisiti delle singole applicazioni;
  • come è composto il mix di applicazioni/servizi richiesti “contemporaneamente” (tenendo presente che in un ambiente domestico possono essere simultaneamente attivi diversi terminali, utilizzati da diverse persone, ed anche dispositivi autonomi connessi in rete come ad es. i sistemi di monitoraggio o di controllo remoto).

La stima del fabbisogno complessivo varia moltissimo, a seconda delle ipotesi con cui sono costruiti i “casi di studio”. La letteratura è ricca di modelli, che danno indicazioni piuttosto eterogenee, ma concordano, sostanzialmente, sul fatto che la crescita di banda è dovuta principalmente alle applicazioni video.  Quali sono i requisiti per il video? Una buona risposta può essere trovata nei requisiti effettivi che un soggetto come Netflix (leader mondiale per la distribuzione di video su internet) ha identificato (Figura 1):  5Mbps sono adeguati  per tutti i video con qualità pari od inferiore al Full HD, mentre con 25Mbps anche video Ultra HD possono essere fruiti con il livello di qualità atteso. Questi requisiti possono essere confrontati con analisi  precedenti; ad es. nel 2009  la Information Technology & Innovation Foundation suggeriva 1,2-4Mbps per video HD, 5Mpbs per il video ad alta risoluzione, 10 Mbps per videosorveglianza domestica e 15Mpbs per la “telepresence” (video conferenza VHD “Very High Resolution HD Videoconferencing”). 

 

Figura 1 - Requisiti di velocità per i servizi Video, secondo le raccomandazioni di Netflix (https://help.netflix.com/en/node/306)

Ipotizzando che  in una abitazione si assista contemporaneamente, su Internet, a più video, e che nello stesso momento vengano utilizzati PC, tablet ed altri dispositivi,  si  può stimare “quanto larga” dovrà essere, complessivamente, la banda. Ad esempio, un dettagliato studio commissionato nel 2014 dal Governo Australiano per definire il piano nazionale per il National Broadband Network,  analizzando molte differenti casistiche (in termini di composizione dei nuclei familiari, “propensione all’ utilizzo dei servizi on-line”, tipologia di dispositivi,  fattori di contemporaneità, livelli di qualità, andamento dei parametri nel tempo), ha  concluso che nel 2023 la domanda di capacità downstream arriverà in qualche caso a 80-90Mpbs, mantenendosi inferiore a 25Mbps per la grande maggioranza dei casi. Queste valutazioni appaiono  in linea con  numerosi altri studi [3]; ad esempio Analysys Mason e Stanford University, analizzando l’evoluzione dei dispositivi video  e delle tecniche di compressione, unitamente ai trend della domanda,  ritengono che nel “medio-lungo” periodo, con la diffusione di video e televisori 4k, la richiesta di banda video per utenza residenziale arriverà a 50Mbps, mentre solo nel “lungo-lunghissimo” periodo la possibile diffusione di standard video 8k (UHD),  potrà spingere il requisito di banda a 350 Mbps.
In effetti,  queste stime appaiono coerenti con le rilevazioni sul reale attuale “consumo di banda” anche nei Paesi più avanzati al mondo. Ad esempio,  l’ultimo rapporto sullo “Stato di Internet” pubblicato da Akamai, relativo al primo trimestre 2016 (comprendente utenti residenziali e business)  mostra come in Europa soltanto in Romania siano stati rilevate velocita “di picco” superiori ad 80 Mbps (in download) [4], mentre in nessun Paese la velocità media arriva a 22Mbps.
Ci si può attendere che nel lungo-lunghissimo termine la richiesta di banda crescerà ulteriormente, ma una stima corretta “quando”, “quanto” e “in quali casi” non è semplice. Sono stati fatti modelli basati su osservazioni empiriche circa i tassi di crescita della banda negli anni; nel 1998 Jakob Nielsen propose un modello, secondo cui la banda in accesso (per gli accessi a maggior velocità) cresce del 50% ogni anno, corrispondente ad un aumento di 57 volte ogni dieci anni.  La società di analisi Tech4i2 , che  realizza studi anche per la Commissione Europea, nel 2015 ha  pubblicato un’analisi che conferma, per gli anni passati,  la “legge di Nielsen”, con qualche aggiustamento al ribasso. Tuttavia ci sono molti dubbi che questo trend possa continuare  inalterato; ad esempio,  Nielsen predirebbe, per il 2030, 80 Gbps, che però potrebbero essere riempiti solo, ad esempio, da 246 flussi simultanei di video di qualità così alta da richiedere 325 Mbps ciascuno.   Obiettivi estremamente sfidanti (con velocità di picco di sino a 10Gbps) sono stati considerati, per scenari futuri, sui tavoli internazionali che lavorano alla definizione del 5G. Un punto su cui sembra esserci un certo consenso, è che la  richiesta di velocità crescenti potrà essere trainata  dalla diffusione di applicazioni estremamente innovative di realtà virtuale e realtà aumentata  [vedi link].
A fronte di modelli e stime troppo incerti per derivare orientamenti concreti circa i possibili scenari evolutivi della domanda di banda, la Commissione Europea a fine 2015 ha effettuato una consultazione pubblica, per raccogliere le previsioni circa i futuri requisiti di banda da parte delle persone e delle aziende; i primi risultati resi disponibili indicano, per l’accesso fisso, che quasi la metà (45,9%)  dei rispondenti ritiene adeguata oggi una velocità di download fra i 30 ed i 100Mbps, mentre dal 2025 la velocità auspicata (dal 58,5% dei rispondenti)  sarà superiore ad 1 Gbps. Lo scenario “1 Gbps” è certamente  raggiungibile con l’evoluzione tecnologica; già oggi, ad esempio TIM, sta conducendo sperimentazioni in campo  in diverse città (fra cui Perugia, Milano, Catania, Torino, Bari), in cui alcuni clienti privati possono sperimentare l’ultra-internet fino a 1 Gbps in download e 100 Mbps in upload. Se la tecnologia è disponibile, non è ancora chiaro quale sarà l’effettiva evoluzione della domanda (come ricordato sopra, oggi nei Paesi più evoluti al mondo si rileva una velocità di picco  dell’ ordine di 100Mbps).  Per questo, i piani concreti per la realizzazione della banda ultralarga in Europa  sono  stati concepiti il linea con gli obiettivi della Agenda Digitale 2020: 30 Mbps  disponibili per tutti i cittadini,  ed almeno il 50% delle abitazioni connesse a velocità pari o superiori a 100Mbps al 2020.
Sono oggi disponibili diverse tecnologie ed architetture di rete in grado di garantire queste velocità, come riconosciuto anche dalla Commissione Europea  che ha definito gli obiettivi della Agenda Digitale 2020. Fra le soluzioni più diffuse in Europa ci sono molte varianti di soluzioni ibride  fibra+rame [5], oltre che soluzioni basate sul “cavo CATV” o sulla fibra sino all’edificio;  quindi, in sintesi, la prima risposta alla domanda “perché la fibra” è l’adeguatezza delle soluzioni che utilizzano la fibra ottica (almeno per una tratta del percorso dalla centrale all’ utente) per  soddisfare l’evoluzione dei requisiti di banda  di cittadini ed imprese. Questa risposta è anche data dal Piano Strategico Nazionale per la banda ultralarga [6], concepito per portare l’Italia in linea con gli obiettivi che si è data l’ Europa.

 

Fibra per… il mobile

Le soluzioni che utilizzano la fibra ottica, con diversi mix di rame e fibra, non servono solo per gli “accessi fissi”. Un “terminale mobile”, di qualunque tipologia e generazione, utilizza un “accesso radio” per essere connesso con un’antenna della rete mobile, ma l’antenna deve essere connessa con una “stazione radio”, la quale a sua volta deve avere un collegamento (“backhauling”) con la “core network” mobile, che realizza svariate funzioni relative al trattamento del traffico e dei servizi; questi collegamenti sono tipicamente realizzati in fibra (in alternativa, quando la fibra non è ancora disponibile, si utilizzano ponti radio). Le reti mobili hanno visto un rapido sviluppo a partire dai primi anni ’90, attraverso quattro fasi principali: analogico, 2G–GSM, 3G–UMTS e 4G–LTE, diventata commerciale alla fine del 2012 e  continuamente arricchita da varie funzionalità “LTE Advanced”  che ne hanno ulteriormente incrementato le prestazioni;  oggi è possibile raggiungere la velocità di 300 Mbit/s in downlink ed è stata recentemente dimostrata in campo anche la possibilità di raggiungere i 75 Mbit/s in uplink. La prossima frontiera è rappresentata dal 5G, che si pone obiettivi estremamente sfidanti. Col crescere della velocità offerta dagli accessi mobili, sono necessariamente aumentati i requisiti di capacità del “backhauling”.  In letteratura sono disponibili numerosi studi che stimano la crescita dei requisiti di banda per il backhauling delle reti mobili. Un parametro importante è la valutazione della “densità di traffico dati mobile” (cioè quanti Mbps devono essere trattati contemporaneamente dagli accessi mobili in una determinata area). Ad esempio, Analysys Mason ha stimato valori di oltre 12 Gbps/km2  al 2020; studi precedenti ipotizzano, per alcuni casi, densità di traffico mobile di quasi 70 Gbps/km2 . Progetti internazionali relativi alle future reti mobili 5G, arrivano a prospettare densità di traffico di centinaia di Gbps/km2.  In questi scenari, in cui l’accesso mobile  potrà essere realizzato con architetture avanzate e “small cells”, la fibra diventa indispensabile per trasportare l’ingente quantità di traffico che, complessivamente, interessa una determinata area servita dalle antenne della rete mobile [7].

Fibra per… il PIL !

…quel che è decisamente... pervasivo e duraturo nel tempo è l’indotto che la banda ultralarga è capace di creare sia per le imprese, aumentandone la produttività, sia per i cittadini, aumentandone il reddito pro-capite attraverso il miglioramento della produttività domestica e della qualità della vita”.
Questa affermazione è riportata nel documento che descrive la Strategia italiana per la banda ultralarga, predisposto dalla Presidenza del Consiglio, insieme al Ministero dello Sviluppo Economico, all’Agenzia per l’Italia Digitale e all’Agenzia per la Coesione; su questo documento è stato basato il Piano Nazionale  per la banda ultralarga.
In effetti, la relazione fra larga banda e PIL è  stata  da tempo oggetto di studi  e ricerche internazionali; le analisi si differenziano per i modelli, ipotesi di lavoro e per gli specifici risultati quantitativi, ma sono concordi nel sostenere che c’è una correlazione positiva  fra lo sviluppo della banda larga ed ultralarga e la crescita del Prodotto Interno Lordo (PIL) di un Paese. A livello internazionale, già nel 2012 uno studio dell’ ITU  sintetizzava risultati di lavori precedenti e stimava gli effetti potenziali sulla crescita del PIL nei diversi Paesi del mondo. Un documento commissionato dalla Banca Mondiale per il World Development Report 2016, confronta i più accreditati studi disponibili  (segnalandone anche i limiti ed i campi di applicabilità);  la Figura 2 riporta  le stime dell’impatto sul PIL dovute ad una crescita del 10% di alcuni servizi.

 

Figura 2 – Stima degli impatti sul PIL dovuti ad una crescita del 10% di diverse tipologie di servizi

Per quanto riguarda in particolare l’Europa, la Commissione Europea, nel definire gli obiettivi della Agenda Digitale, ha indicato un incremento del PIL dell’ordine di 1%-1,5%,  come conseguenza di un aumento della penetrazione della banda larga pari al 10%.  Il beneficio complessivo (nel periodo 2014-2020)  ottenibile per l’Europa  dallo sviluppo della banda larga era stato  valutato fra  200 e 600 miliardi di Euro  (con un rapporto benefici/costi fra 2,7:1 e 2,9:1). Un recente studio italiano ha evidenziato come investimenti nelle reti ultra broadband del nostro Paese hanno impatto positivo su tutti i comparti di mercato, analizzando in dettaglio gli effetti su PIL ed occupazione; i benefici maggiori sono stati stimati per i settori che già utilizzano servizi  di ICT, fra cui immobiliare, manifatturiero, intermediazione finanziaria, servizi alle imprese, trasporti e comunicazioni. L’entità dei benefici, per ciascun settore, dipende da molteplici fattori, ma ormai nessuno, incluso il nostro Governo, mette in dubbio che la larga banda “fa bene” al PIL; … e dal momento che la fibra “fa bene “ alla larga banda, ecco che possiamo dare per acquisito un altro importante driver per lo sviluppo della fibra ottica:  la crescita del PIL !

 

Conclusioni

Per garantire i livelli di qualità (QoE - Quality of Experience) richiesti dagli end-users, e per favorire lo sviluppo del PIL, serve dunque “la fibra”, nelle sue diverse declinazioni FTTC, FTTdp, FTTB, FTTH, backhauling  delle stazioni radio mobili. Tuttavia, la fibra non basta. I flussi di traffico IP che partono ed arrivano sui terminali d’utente fissi e mobili devono essere “aggregati” nei diversi livelli di rete, trattati per garantire che i parametri prestazionali siano adeguati e fatti pervenire alla giusta destinazione in pochi millisecondi.  Tutto questo, in presenza di un’inarrestabile crescita del traffico in tutto il mondo. Il volume di traffico mondiale nel periodo 2015-2020, con una crescita annua del 22% (tasso annuo di crescita composto), supererà i 2 “zettabyte” l’anno ( 2 triliardi di byte), e l’ 80-90% del traffico sarà video (stime Cisco).
Le reti devono continuamente evolvere in tutte le loro parti, non solo nell’ accesso in fibra. Un aspetto particolarmente importante è che la qualità richiesta ad esempio da applicazioni video ad alta ed altissima risoluzione non dipende solo dalla “velocità di trasmissione” (bit-rate”) della linea di accesso, ma anche dalla velocità effettiva di fruizione ad esempio di uno streaming video, che di per sé è una grandezza diversa e  sempre inferiore al “bit-rate” della linea di accesso (fissa o mobile).   Analizzando i valori di throughput e di bit-rate in diversi Paesi, si scopre (vedi studio in  Ciccarella G., “Bit-Rate” and “Application Performance” in UltraBroadBand Networks, 10º Fiberness Pieve di Teco, Giugno 2014)  che nelle aree in cui lo sviluppo della larga banda in accesso è più avanzato (e quindi i bit-rate sono più alti), il rapporto fra throughput e bit-rate è più basso. Pertanto non è possibile migliorare la qualità percepita a livello applicativo soltanto facendo crescere la banda degli accessi fissi e mobili o la capacità della rete, ma è necessario  adottare soluzioni concepite per il miglioramento della QoE (CDN, Transparent Cache, WEB accelerators …) che:

  • incrementano il throughput riducendo latenza e perdita di pacchetti, poiché avvicinano i contenuti agli utenti finali, attraverso la replicazione di contenuti  (Piattaforme di Caching:  “Transparent Caching” e “Content Delivery Network”);
  • riducono il download time migliorando lo scambio di informazioni tra sito WEB ed i terminali dell’ utente finale (ad es. attraverso tecniche di Protocol Optimization, utilizzate nelle piattaforme per Web Acceleration).

Nel complesso processo di trasformazione delle reti, con adozione di paradigmi innovativi basati sulla virtualizzazione ed il Cloud, l’integrazione di molteplici accessi e tipologie di device, la capacità di lanciare nuovi servizi con tempi adeguati alle richieste del mercato, la fibra ha in ogni caso un posto d’onore.

La Redazione del Notiziario Tecnico

 

Note

  1. La decisione FCC ha suscitato accesi dibattiti e polemiche negli USA; ad esempio la NCTA  (National Cable & Telecommunications Association) si era formalmente opposta, chiedendo di mantenere la “soglia” precedente per il broadband, fissata a 4Mbps, e ricordando che neppure per il video ad altissima  qualità sono necessari 25Mbps. http://www.theverge.com/2015/1/29/7932653/fcc-changed-definition-broadband-25mbps
  2. Per approfondimenti sugli obiettivi dell’ Agenda Digitale Europea e sul percorso di avvicinamento dei vari Paesi, si rimanda ad altri articoli di questo numero del Notiziario Tecnico
  3. Il citato studio ITIF stimava in 90Mbps il requisito di banda “nel futuro” di una abitazione in cui siano contemporaneamente attivi  due streams HDTV, una sessione di videoconferenza ad alta definizione, una sessione di video-learning , console di gioco on-line,  oltre a dispositivi per la sicurezza e la telesorveglianza.
  4. Punte superiori a 100Mbps di velocità di picco in download si registrano solo a Singapore, HongKong,  in Indonesia e nella Corea del Sud.
  5. Una breve descrizione delle diverse soluzioni fibra+rame adottate da TIM  è riportata in: http://www.telecomitalia.com/tit/it/innovazione/rete/banda-ultra-larga.html. Per approfondimenti si rimanda ad altri articoli in questo numero del Notiziario Tecnico.
  6. Il Piano  evidenzia l’importanza di utilizzare opportunamente le diverse soluzioni tecnologie basate sulla fibra; la fibra, secondo quanto espressamente indicato dal Piano, generalmente viene dispiegata inizialmente nella tratta di rete primaria (FTTC - Fiber To The Cabinet), per poi essere estesa nella tratta secondaria fino alla prossimità degli edifici (FTTB – Fiber To The Building,  e FTTdp – Fiber To The distribution point) ed, eventualmente, fino all’interno delle unità immobiliari (FTTH – Fiber To The Home). la rete secondaria italiana presenta delle caratteristiche che la rendono di particolare interesse per le soluzioni FTTC data la lunghezza media dei sub-loop questa caratteristica, che ad oggi è stata sfruttata dagli operatori privati per realizzare soluzioni FTTC con tecnologia VDSL2, potrà essere sfruttata per realizzare soluzioni FTTC con nuove tecnologie che permettono di raggiungere in alcuni casi velocità in download nell’ordine dei 100 Mbps.
  7. La fibra è anche necessaria per i collegamenti denominati “fronthauling”,  previsti in alcune architetture di rete di accesso mobile, in cui alcune funzioni della “stazione radio” vengono remotizzate -  http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1684-ran4
 

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