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l'esperimento

Time-as-a-Service: la prossima frontiera dei servizi su fibra

Si apre la possibilità di utilizzare tecniche di trasmissione coerente su fibra ottica per confrontare e trasferire orologi ottici primari, raggiungendo livelli di efficienza senza precedenti. Ci lavorano Garr e Inrim. Vediamo i vantaggi e lo stato dei lavori

19 Feb 2018

Davide Calonico

primo ricercatore INRIM

Massimo Carboni

Chief Technical Officer GARR


Si è spesso affermato che il futuro della rete è multiservizio e questo diventa sempre più vero con l’evolversi delle tecnologie e delle modalità di utilizzo. L’aspetto più innovativo di questa tendenza è che comincia a diventare possibile non solo veicolare una pluralità di servizi sul livello di trasporto, ma anche utilizzare le fibre direttamente per molteplici applicazioni. Un esempio è stato realizzato nell’ambito della collaborazione tra la rete della ricerca GARR e l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) per il trasferimento di un segnale di tempo, che pone le basi per la realizzazione di un servizio innovativo che potrà rivelarsi molto utile sia nell’ambito della comunità scientifica che in quello industriale.

Sono molte infatti le applicazioni che necessitano di una precisa definizione del tempo, in campi che spaziano dalla finanza alla fisica, dalle telecomunicazioni all’energia.

Il tempo viene definito attraverso orologi atomici e distribuito in remoto per mezzo di onde elettromagnetiche, in modo da non dover spostare gli orologi campione. In particolare, finora sono state utilizzate onde radio, ponti radio e satellite come mezzi trasmissivi. Trasmettere il segnale di tempo è anche necessario per ottenere il tempo universale attraverso il confronto di più orologi.

Il tempo come servizio: cos’è e a chi serve

Mentre la generazione precedente di orologi, capace di una precisione dell’ordine di 10-16, utilizzava la tecnologia delle microonde, gli attuali orologi ottici, che arrivano a precisioni di 10-18, si servono del laser. Questo apre alla possibilità di utilizzare tecniche di trasmissione coerente su fibra ottica per confrontare e trasferire orologi ottici primari, raggiungendo livelli di efficienza senza precedenti. Di fatto, poiché i satelliti non riescono a trasferire l’accuratezza degli orologi di ultima generazione, la fibra diventa poi non solo il modo migliore, ma l’unico modo per effettuare questo trasferimento. Di qui l’ipotesi di una collaborazione tra GARR e INRIM che mettesse insieme competenze infrastrutturali e metrologiche per utilizzare la fibra ottica nella trasmissione del segnale di tempo e frequenza, nata in modo abbastanza casuale con l’incontro ad un convegno nel 2008.

In un primo momento, abbiamo realizzato una sperimentazione su scala cittadina, a Torino; in seguito è venuto il collegamento dedicato Torino-Firenze, recentemente esteso fino a Matera. Oggi, anche grazie a questa esperienza, i tempi stanno cambiando e crediamo che in 2-3 anni sarà possibile uscire con una vera e propria piattaforma nazionale per distribuire il tempo come servizio.

Il tema principale si sposta così dagli orologi di ultima generazione alla loro disseminazione ad altri laboratori, ma anche al mondo dell’industria, in particolare per due tipi di applicazione: la sincronizzazione e la certificazione o time stamping. Per entrambe si può osservare che sia le aspettative in termini di prestazioni che la disponibilità a pagare da parte degli utenti stanno aumentando e sta dunque maturando un mercato potenziale per un servizio costoso realizzare in casa e che richiede competenze specialistiche.

Time-as-a-Service sulla fibra: la sfida tecnologica

Per arrivare al Time-as-a-service, la sfida è duplice. Da un lato, occorre rispondere alle richieste che vengono dagli utenti, in particolare in settori come aerospazio, telecomunicazioni, tarature, smartgrid, finanza e e-commerce, che hanno sempre più bisogno di riferimenti di tempo e frequenza ad alta precisione; dall’altro, è necessario creare capillarità, in modo da offrire a università ed enti di ricerca un servizio allo stato dell’arte, affidabile ed economicamente sostenibile, con un elevato SLA (almeno pari a quello della connettività).

Un altro aspetto da non sottovalutare sono gli standard.  Non a caso abbiamo scelto un protocollo, Precise Time Protocol White Rabbit (PTP-WT), nato in un contesto di ricerca, adattato dalla metrologia per l’utilizzo su scala geografica e oggi in procinto di standardizzazione. Su di esso si basa anche il progetto europeo WRITE (White Rabbit Industrial Timing Enhancement) in partenza a breve, dedicato alla trasmissione di tempo e frequenza per l’industria.

L’orizzonte temporale per questa nuova fase di integrazione, sperimentazione e realizzazione è due anni, tre al massimo per arrivare ad un servizio funzionante su rete GARR.

Nell’ambito di WRITE prevediamo di migliorare sia nelle prestazioni che nell’integrazione nei processi industriali. Infatti, i livelli di precisione sarebbero già sufficienti a rispondere alle esigenze della maggior parte delle applicazioni, quindi il problema non è tanto incrementare ulteriormente le prestazioni, quanto garantire la stabilità del servizio, che almeno in alcuni settori applicativi deve essere altamente disponibile. Anche con questa limitazione in mente, il livello di readiness per realizzare un servizio su infrastruttura proprietaria sarebbe comunque già notevole.

La nuova sperimentazione servirà a dare risposta a due ordini di problemi.

  • In primo luogo, andremo a definire cosa vuol dire realizzare una rete time-designed rispetto alle richieste sempre crescenti di performance più accurate/ di timing da ambiti vari con diversi requisiti di precisione. Questo è un obiettivo di lungo periodo, il cui risultato finale sarà la realizzazione di una rete nuova, in cui includere servizi anche molto diversi dalla logica del trasporto IP e per la quale non abbiamo un modello preesistente, né metriche di riferimento mutuabili tout court.
  • L’altro grande quesito è come far interoperare questi nuovi protocolli con ciò che già esiste, che significa spostare il problema dal livello dell’infrastruttura fisica e ottica a quello dei protocolli di misura. Questo è un obiettivo più di breve periodo ed è quello che renderà possibile arrivare presto ad un vero servizio.

Dal punto di vista della tecnologia, quella utilizzata per trasmettere il segnale di tempo e frequenza su fibra è una tecnica a due vie: infatti il ritardo fisiologico sulla fibra va compensato attraverso un protocollo che risponde. La difficoltà consiste nel fatto che, per la compensazione è necessario che il ritardo (one-way delay) sia uguale sulle vie di andata e di ritorno, una caratteristica tutt’altro che garantita nel mondo reale, specialmente con questi livelli di precisione. Vi sono infatti tutta una serie di dettagli legati all’infrastruttura fisica (tanto per fare un esempio, il numero di bobine di compensazione cromatica presenti sulla linea di andata e di ritorno) che possono incidere sul ritardo. La soluzione più sicura per minimizzare il problema è dunque utilizzare la stessa fibra in modo bidirezionale: una caratteristica che già di per sé rende questa applicazione qualcosa di atipico nel mondo delle reti.

Un primo approccio per affrontare il problema della compensazione è conoscere tutti i minimi dettagli dell’infrastruttura, che quindi di necessità deve essere proprietaria, e tenerne conto nel calcolo del ritardo. È una soluzione che può essere sufficiente se si deve trasmettere tempo e frequenza a un numero limitato di sedi, ma non scala se quello che si vuole ottenere è un servizio capillare, di necessità caratterizzato da una trasmissione in ambiente multidominio, o se occorre poter riconfigurare la rete in caso di necessità. Per rispondere a questi problemi è necessario lavorare su calcolo e compensazione del ritardo a livello di protocollo.

Il ritardo non è l’unico fattore da tenere in considerazione nel progettare una rete time-oriented: un altro punto critico sono le sue fluttuazioni, dal momento che anche un minimo jitter può andare a compromettere questi livelli di precisione. Anche qui è necessario lavorare su dei correttivi a livello di protocollo.

Un altro problema da studiare è quello della distribuzione multipunto: nel modello che vogliamo ottenere, la disseminazione di tempo e frequenza non viene fatta punto-punto ma dal nodo di distribuzione si raggiungono i client che ne fanno richiesta. Questa non è una novità assoluta, ad esempio esiste la piattaforma tecnologica PTP, ma il servizio di cui parliamo vuole superarla decisamente in termini di precisione.

Chi “compra” il tempo e quanto è disposto a spendere?

Il valore aggiunto del servizio a cui stiamo pensando dipende dal tipo di applicazioni per cui si necessita di tempo e frequenza, dal loro numero e dal grado di precisione richiesto. In ogni caso parte dell’appeal è dato dal fatto di avere un servizio chiavi in mano: per comprenderne l’interesse potenziale, bisogna sapere che per ottenere in casa prestazioni comparabili è necessario acquistare un orologio atomico “commerciale”, il cui valore arriva anche a superare i 100.000 euro, a seconda delle prestazioni di cui si ha bisogno. Perché la sincronizzazione sia accurata, questo strumento va poi mantenuto in condizioni ambientali specifiche e ritarato periodicamente.

Si aggiunga inoltre che se la sincronizzazione si può fare in casa, il time stamping può essere rilasciato solo da un certificatore accreditato, o accreditarsi a propria volta.

La cosa interessante dal punto di vista della realizzazione di un servizio, soprattutto se pensiamo di andare oltre alla sola comunità della ricerca, è il fatto che il carrier può vendere il servizio, come intermediario ma anche accreditarsi a sua volta: possiamo quindi dire che la garantibilità, la riferibilità e la certificazione terza sono tutti elementi che potenzialmente sono in grado di generare business in questo nuovo settore.

Una certificazione costa qualche migliaio di euro l’anno, ma il servizio che abbiamo in mente offrirebbe altre feature e quindi molti utenti potrebbero essere disposti a spendere qualcosa in più. La nostra pietra di paragone sono i sistemi GPS, per la loro economicità ed ubiquità, che però rispetto ad un sistema basato su rete fissa hanno una serie di limiti, in particolare elevato rischio di spoofing e jamming del segnale.

Se non si vuole restare confinati al mondo della ricerca, è importante capire se il mercato business sia pronto e interessato a un servizio di questo tipo. GARR infatti è un carrier sui generis, specifico per l’accademia, ma se si mira a un servizio da offrire in ambito industriale vi è la necessità di coinvolgere i carrier commerciali. Dai primi riscontri, è sicuro l’interesse di almeno un operatore e del Consorzio TOP-IX (che oggi è pioniere e distribuisce il tempo certificato di INRIM al distretto finanziario di Milano per le operazioni di borsa, usando un collegamento in fibra ottica dedicato: l’obiettivo è guardare alla capillarizzazione di questo tipo di servizi) e crediamo che altri seguiranno, a maggior ragione se presteremo la giusta attenzione al trasferimento tecnologico – un aspetto sempre in primo piano nell’esperienza sia di GARR che di INRIM.

Se quello che accade nel resto d’Europa è un’indicazione, ad avvalorare questa tesi ci sono alcuni grandi operatori che si stanno già muovendo in questo senso con delle sperimentazioni e uno che addirittura sta realizzando in casa la propria infrastruttura per la sincronizzazione.

L’interesse economico di Time-as-a-Service, realizzabile a livello nazionale o anche continentale, è legato anche alle ricadute che può avere a livello industriale. Oggi l’Europa è leader nel settore metrologico e questa leadership potrebbe essere sfruttata a livello di industria, realizzando a più basso costo le produzioni che già facciamo con una migliore gestione del tempo; ottenendo un time-to-market migliore per i nostri prodotti; rendendo più efficienti le reti elettriche con la sincronizzazione; potendo contare su misurazioni più veloci; e garantendo livelli di timing molto più efficaci per tecnologie specifiche che sono altamente sensibili agli aspetti di tempo, come ad esempio il 5G. Un aspetto specialmente interessante è che tutti questi aspetti hanno un senso nel momento in cui si va a puntare su una produzione localizzata in Europa e ad alta tecnologia, che potremmo vedere come il futuro della nostra industria.