Che cosa potremmo fare con la larga banda offerta dalla fibra ottica?
In questi anni la fibra ottica si è andata diffondendo nel mercato residenziale con Corea del Sud e Giappone a fare da battistrada. In Italia Fastweb e Telecom Italia hanno fatto arrivare la fibra a migliaia di abitazioni e sono in fase di attuazione piani di cablatura per portare la fibra almeno al 50% delle abitazioni in Italia entro i prossimi 4/5 anni, tempi che potrebbero subire variazioni in dipendenza della reale domanda del mercato.
La domanda che spesso viene fatta quando presentiamo i progetti di cablatura è su cosa potremmo farci con tutta la banda promessa dalla fibra, 100 Mbps e oltre.
Se pensiamo che alla fine dello scorso secolo si trasmettevano informazioni a livello residenziale utilizzando dei dial up a 56 kbps mentre oggi siamo a 20 Mbps la differenza è enorme (400 volte). Se tale non sembra, provate a ragionare in termini di larghezza di strada: convertendo un kbps in un centimetro negli anni novanta la strada che arrivava a portarci le informazioni alla casa era un sentiero largo cinquanta(sei) centimetri. Oggi questa strada è larga 200 metri. Quella che offre la fibra va da un minimo di un km (di larghezza) a oltre 10 km (sempre in larghezza). C'è una bella differenza. La strada con cui ci arrivano le informazioni dalla centrale alla casa è ormai più grande della casa stessa, come vedremo concretamente tra poco.
Ma queste "strade" che portano in casa l'informazione sono come dei raccordi verso le autostrade, i transport network nazionali (backbone) e internazionali. Mentre la capacità a livello residenziale in questi ultimi 10 anni è aumentata di 400 volte la capacità a livello backbone è aumentata di 1000 volte e quella internazionale anche di più (nel 2000 la capacità acquistata dai clienti di Sparkle era intorno ai 30 Mbps, nel 2010 è stata di 2.400.000 Mbps, 80.000 volte di più).
Osservando questi numeri si sarebbe tentati di dire che la banda richiesta continuerà a crescere…all'infinito. In fondo non si dice sempre che "la storia insegna"? In realtà, fisici e matematici entrano in "crisi" appena sentono nominare l'infinito (Leopardi lo hanno completamente dimenticato) e ci dicono che tutto ha un limite. In effetti, l'enorme crescita cui abbiamo assistito di Internet e del traffico che questa genera sta arrivando, secondo alcuni osservatori ad un punto di flesso, punto in cui la crescita inizia a rallentare e che porterà in circa 30 anni a raggiungere un livellamento (certo molto più alto di quello attuale).
La crescita dipende da due fattori: il numero di utilizzatori e le modalità di utilizzo.
In questo articolo, essendo interessati alla larga banda dal punto di vista del singolo, vedremo di riflettere quindi sulle modalità di utilizzo piuttosto che sull'aumento del numero di utilizzatori.
Qual è la banda che siamo in grado di apprezzare?
Quello che riusciamo ad apprezzare dipende dalla percezione che abbiamo e questa dipende dal cervello, è un elemento cognitivo, non fisico.
Se il mio Mac risponde visualizzando la lettera che ho premuto sulla tastiera in 1 millisecondo o in 100 millisecondi la cosa mi è indifferente in quanto i miei sensi non sono in grado di apprezzare la differenza. Se, però, il mio eBook reader impiega due secondi, orrore, a voltar pagina per il tempo di refresh del sistema eInk, mi accorgo del ritardo e mi viene voglia di qualcosa che sia più veloce. Diverso, però, sarebbe se quell'eBook reader invece di voltare pagina (bello esteticamente in quanto riporta alla sensazione di sfogliare un libro) iniziasse a scrivere il testo come fosse una macchina da scrivere: in questo caso vedrei il testo apparire carattere dopo carattere, linea dopo linea e l'impressione sarebbe di una elevata velocità (questo non viene fatto perché non si può fare; il tempo di aggiornamento di una lettera equivale al tempo di aggiornamento dell'intera pagina per cui vedremmo apparire un carattere ogni due secondi…). L'elemento percettivo è importante. Una pagina di testo che ci appaia in un secondo, riga dopo riga, sembra velocissima; una pagina che contenga una foto visualizzata una striscia alla volta sembra apparire molto lentamente anche se il tempo effettivo di visualizzazione di entrambe le pagine è identico.
In questo senso credo si possa affermare che nel momento in cui la banda disponibile equivale a quella che noi possiamo ricevere ed elaborare abbiamo raggiunto il limite.
Quanta banda riusciamo a percepire? Grossolanamente è possibile fare una stima.
I nostri occhi hanno una risoluzione equivalente di circa 8Mpixel, ne abbiamo due e quindi siamo in grado di ricevere una banda intorno ai 100 Mbps (16 Mpixel significa 8 volte la definizione di un televisore HD la cui trasmissione con le tecnologie di oggi comporta circa 10-16 Mbps, moltiplicati per 8 ecco che arriviamo a 100 Mbps). Tuttavia i nostri occhi non stanno mai fermi e con i loro movimenti (saccadici) scansionano un quadro visivo molto maggiore e questo è quello che il nostro cervello vede. Quindi, a livello cerebrale possiamo dire di essere in grado di acquisire una banda intorno ai 400 Mbps.
Il senso del tatto, con analoghi ragionamenti, arriva a "consumare" quasi 100 Mbps. Udito, olfatto, gusto e senso del self non arrivano, tutti insieme, neppure ad un Mbps.
Possiamo quindi dire, grossolanamente, che una banda di 500 Mbps rappresenta il limite di quello che possiamo percepire (in realtà questa banda può essere ridotta di un 50% senza che uno si accorga della differenza grazie a piccoli trucchi).
Se, quindi, avessimo disponibile una rete che ci offre 500 Mbps questa sarebbe equivalente, dal nostro punto di vista, ad una che ne offra 50 Gbps.
Questo è un primo risultato interessante.
Come facciamo a stimare la "banda" di un nostro senso?
In questo articolo si forniscono numeri per paragonare la banda che una rete è in grado di trasportare con quella che i nostri sensi sono in grado di acquisire e il nostro cervello di apprezzare. È chiaro a tutti che i nostri occhi non hanno dei pixel al loro interno, come invece accade per il sensore di una macchina fotografica. Come per questo, però, le strutture biologiche, nel caso dell'occhio la retina, hanno dei limiti fisici di risoluzione, cioè della quantità di dettaglio che sono in grado di percepire. Nel caso del sensore di una macchina fotografica il massimo numero di dettagli percepibili è proprio dato dal numero di pixel che questa ha e dalla loro sensibilità alla luce (in prima approssimazione), nel caso dell'occhio questo dipende dal numero di coni e bastoncelli, rispettivamente 6-7 milioni e 110-120 milioni. I primi hanno la sensibilità ai colori (rosso, verde e blu), i secondi hanno una maggiore capacità di operare in condizioni di minore intensità luminosa (ecco come mai di notte i colori scompaiono e tutto sembra toni di grigio). Per identificare un punto sono sufficienti le informazioni provenienti da un singolo cono ( quindi possiamo identificare 6-7 milioni di punti) mentre occorre aggregare le informazioni di 100 bastoncelli per identificare un punto (quindi i 100+ milioni di bastoncelli permettono di identificare 1 milione di punti). Complessivamente, quindi, possiamo dire che un singolo occhio ha una risoluzione intorno agli 8 milioni di pixel. Se il suo campo visivo è formato da un mosaico composto da oltre 8 milioni di pixel il nostro occhio non sarà in grado di percepirli come punti distinti ma vedrà un continuo.
Avendo determinato la risoluzione equivalente dell'occhio e sapendo quale è la latenza dell'immagine (il tempo massimo che deve intercorrere da una immagine alla successiva perché non venga percepita una sequenza di fotogrammi ma un flusso continuo come un video) si può calcolare la banda equivalente tenendo conto dei sistemi che utilizziamo per visualizzare gli 8 Mpixel, e cioè la codifica MPEG: tra i 100 e i 200 Mbps, considerando che abbiamo due occhi e che questi percepiscono due immagini leggermente diverse (questa stima tiene quindi in conto anche una visualizzazione 3D a massima qualità possibile).
I convertitori di banda: da quella offerta dalla fibra a quella percepita dai ns sensi
I bit che scorrono nella rete sono…invisibili ai nostri sensi. Per poterli percepire occorre avere dei trasduttori e questi si chiamano schermi, altoparlanti, aromatizzatori, accelerometri ecc. ecc. Siccome abbiamo visto che la stragrande maggioranza della banda che percepiamo è legata al senso della vista possiamo considerare l'evoluzione dei sistemi di visualizzazione per stimare con buona approssimazione quale sia la banda che può essere effettivamente fruita in un certo istante.
Oggi i migliori schermi mass market sono quelli HD con 1920 per 1080 righe, cioè 2 Mpixel. Ad una risoluzione di 2 Mpixel corrisponde una banda massima per il trasporto di 16 Mbps (in realtà la maggior parte dei broadcaster utilizza sistemi di compressione che praticamente dimezzano questa banda con una riduzione di qualità non eccessiva, ma percepibile). Sono già disponibili in Giappone schermi 4k, con una risoluzione di 8 Mpixel (equivalente al ns occhio) e per questi la banda per il trasporto sale a circa 70 Mbps (anche qui accettando una piccola riduzione di qualità possiamo dimezzarla). Per risoluzioni maggiori, 8k cioè 32 Mpixel equivalenti a quello che il nostro cervello percepisce occorrerebbero 150 Mbps ma per questi schermi occorre aspettare la prossima decade.
La visione 3D raddoppierebbe la richiesta di banda ma con le tecnologie attuali, anche quelle più sofisticate, l'effetto 3D viene ottenuto alternando i quadri e quindi lasciando immutata la quantità complessiva di informazioni trasmesse.
I sistemi olografici sono ancora di là da venire e per tutta questa decade non si prevede diventino un prodotto mass market.
Pensando ad un ambiente domestico in cui si abbia una fruizione in parallelo su più schermi e tenendo conto di fattori di distribuzione statistica dei consumi di banda siamo comunque ben sotto i 100 Mbps oggi, e sotto i 500 Mbps in questa decade per abitazione, ipotizzando oggi una fruizione contemporanea di 2 canali HD, nel 2015 2 canali HD e uno Super HD e nel 2020 di 2 HD, 2 Super HD e 1 Ultra HD. A tendere, sembra ragionevole ipotizzare una banda di 2 Gbps per casa in un contesto in cui gli schermi diventano soluzioni architettoniche di arredamento. Ci si colloca però intorno al 2030 quando saranno diffusi schermi a parete basati su nanotecnologie con prezzi paragonabili a materiali per edilizia.
Sempre in questa finestra temporale diventa realistico immaginare la diffusione di smart material nei tessuti e nei vestiti che consentano di trasmettere sensazioni in grado di stimolare il tatto. Questo porterebbe a una ulteriore richiesta di banda intorno ai 100 Mbps, come abbiamo visto.
Un discorso parallelo va fatto per l'evoluzione nella densità dei pixel sugli schermi in quanto questa avrà un forte impatto sulla richiesta di banda sul mobile. Già oggi siamo arrivati a schermi (come l'iPhone 4 con tecnologia Retina Display) con una definizione di oltre 300 punti al pollice, superiore alla capacità di risoluzione del nostro occhio. Con i futuri schermi in tecnologia NED, Nano Emissive Display, si potrà arrivare a definizioni di 1000 punti al pollice. Questo accoppiato a sistemi di lenti (tipo quelle brevettate da Philips basate su liquidi a rifrattività variabile) permetterà di vedere lo schermo di un telefonino ingrandito, dando l'impressione di essere di fronte ad uno schermo da 20 pollici. Ovviamente la banda richiesta salirà al livello di quella richiesta da un laptop. Peraltro la diffusione dei tablet, ormai iniziata, aumenta la richiesta di banda in mobilità.
Suggestioni per utilizzo della banda
Se ci fossimo chiesti cinque anni fa cosa sarebbe possibile fare introducendo un giroscopio in un telefonino credo che ben pochi sarebbero arrivati a compilare una lista con più di dieci servizi. Oggi esistono decine di migliaia di servizi che sfruttano l'accelerometro, da quello che trasforma il telefonino in una livella a quello che stima il numero di calorie consumate nella giornata a quello che suggerisce il dosaggio di insulina per i diabetici all'altro che rileva la qualità di guida dell'auto.
Questa premessa è necessaria per dire che la risposta alla domanda è da intendersi più in termini di suggestioni che non in termini fattuali e certamente non è da considerare in termini esaustivi. Gli scenari presentati sono stati sviluppati con tecniche di brainstorming a Future Centre e sono illustrate dagli autori sul sito. Siete invitati a contribuire alla discussione.
Oltre i servizi
Questa carrellata su alcuni possibili servizi che per esistere hanno bisogno della larghissima banda, di quella cioè fornita dalla fibra, ha avuto uno scopo puramente illustrativo.
Non giustifica quindi di per sé l'investimento di risorse che comporta il passaggio ad una struttura in fibra anche perché questi servizi, se pur avessero successo aumenterebbero i ricavi di chi vende schermi e telecamere ma aumenterebbe di poco gli introiti di un Operatore.
In fondo, molti dei servizi che nasceranno grazie alla banda ultra larga saranno over the top e genereranno utili a terzi e solo marginalmente all'Operatore.
È su quel "grazie" che occorre ragionare, anche se velocemente in quanto a questo varrebbe la pena di dedicare un intero numero del Notiziario Tecnico.
Grazie alla infrastruttura in fibra i costi della comunicazione scenderanno ulteriormente anche per l'aumento di densità del wireless che permetterà ad una molteplicità di oggetti di entrare a far parte del sistema delle comunicazioni. Questo decremento dei costi e l'aumento dell'efficacia delle telecomunicazioni porteranno ad una reingegnerizzazione dei processi analoga a quella che abbiamo vissuto negli anni 80/90 in cui le potenzialità offerte dalla elaborazione dati sono state tradotte in efficacia andando a cambiare i processi produttivi, distributivi e di gestione del cliente. Una analoga rivoluzione sarà resa possibile dalla infrastruttura in fibra ed è questa rivoluzione, che se attuata, porterà da un lato a una efficienza e a benefici a livello della struttura economica e sociale e dall'altro ad incrementare gli introiti delle Società di Telecomunicazioni. E il futuro vedrà Società di Telecomunicazioni che gestiranno la connettività non solo a livello fisico (wireline e wireless) ma anche quella tra informazioni, tra servizi e tra ambienti e processi.
È su questi strati alti che si giocherà il futuro degli Operatori di oggi.
I numeri ci sono tutti: il mercato TLC in Italia, per fare un esempio che ci riguarda da vicino, vale circa 40 mld di euro all'anno. Il PIL vale circa di 1600 mld.
Una infrastruttura che porti efficienza anche solo del 10% (ed è una ipotesi quanto mai minimalista se si pensa che negli anni 80/90 l'efficienza introdotta nei sistemi dalla loro informatizzazione è andata dal 20 al 40%) libera 160 mld di euro all'anno, 4 volte il fatturato di tutto il settore delle TLC. Numeri su cui riflettere e che devono darci un grande ottimismo e una grande determinazione per fare nostro (parte di) quel futuro.
Non ci siamo solo noi…
Il ragionamento fatto in questo articolo ha tralasciato completamente l'utilizzo delle infrastrutture di comunicazione da parte di altri soggetti … non umani.
Già oggi questo porta ad una sottostima: si pensi ai 6 milioni e più di telecamere di sorveglianza attive in Inghilterra, il che significa un 10% rispetto ai cittadini inglesi. Queste sono “accese” 24 ore al giorno mentre una persona è connessa per circa 5 ore (televisione, Internet, telefono…) e quindi pur tenendo conto che la banda di ciascuna è contenuta (in genere risoluzione limitata e bianco e nero) siamo ad un traffico paragonabile quantitativamente a quello generato dalle persone.
In prospettiva sembra ragionevole ritenere che ci sarà un'equivalenza tra numero di persone e numero di telecamere in termini di traffico (se ne ipotizzano ad esempio una per ogni auto) in quanto molte di queste saranno utilizzate in locale e non genereranno quindi traffico verso la rete.
Meno rilevanti in termini di traffico, ma significativi in termini di transazione gestite dalla rete, saranno i sensori. Già oggi sono decine i sensori presenti nelle abitazioni anche se questi in genere non sono collegati alla rete. Nei prossimi anni ci si attende che il numero di sensori cresca in modo esponenziale e soprattutto che una buona percentuale di questi inizi ad essere collegato via rete. Il progetto CENSE di HP, un sistema nervoso per la Terra, immagina mille miliardi di sensori presenti a fine decade e di questi un centesimo saranno collegati in rete, il che significa 10 miliardi di sensori rispetto a 7,5 miliardi di persone al 2020.
Parte di questi sensori saranno simbiotici con il nostro corpo, in grado di rilevare piccole variazioni al nostro “funzionamento” in modo da segnalare anomalie al nostro medico. Verso fine decade, inoltre, lo sviluppo della genetica porterà ad una scheda sanitaria che contiene il nostro DNA ed un certo numero di medicine sarà sviluppato ad hoc sulla base del DNA di ciascuno. Questo richiederà sistemi di monitoraggio (tramite sensori embedded nella medicina stessa) che dialogano con centri di controllo per determinarne efficacia e posologia.
In generale possiamo dire che nel settore della comunicazione tra sensori e in generale tra macchine attraverso una rete non si pongono particolari problemi di banda (questi sono legati sostanzialmente alla trasmissione di video). Esistono ovviamente eccezioni come ad esempio il trasferimento delle gigantesche quantità di dati prodotte dall'LHD (Large Hadron Collider al Cern che produce qualche TB al giorno) ma queste sono risolte con sistemi ad hoc (fibre dedicate, reti di ricerca quali GEANT in Europa o GENI in USA, in corso di evoluzione per gestire Tbps di traffico).
Le nuove Reti
Come rispondono gli Operatori a queste domande che arrivano dall'esterno, ai nuovi terminali in grado di utilizzare bande dell'ordine dei 10 Mbps e di una diffusione capillare del mobile che in alcuni paesi diventa anche il principale sistema di accesso ad Internet?
Ovviamente con un inserimento di nuove tecnologie, fibre e radio, nelle loro reti che nel tempo porteranno ad una quasi totale sostituzione delle attuali reti in rame e sistemi radio a bassa capacità.
Ci sono molte discussioni su quale possa essere la migliore architettura per una rete di nuova generazione nell'accesso e parte di questi ragionamenti sono influenzati dal tipo di prodotti disponibili. Dal punto di vista di un Operatore è ovvio che i grandi investimenti da effettuarsi debbano per prima cosa garantire che la domanda dei prossimi 10-20 sia soddisfabile dalla infrastruttura che si va a costruire.
Nel momento in cui questo è vero entrano in gioco altri parametri, quali il costo realizzativo, il costo di gestione, la flessibilità che offre…
Ora, un'analisi della domanda potenziale porta ad una conclusione interessante e cioè che a livello servizi residenziali qualunque infrastruttura in fibra è a prova di futuro. Questo spinge quindi un Operatore a focalizzare l'attenzione sui costi realizzativi e su quelli di gestione.
Tenendo conto di questi la scelta architetturale cade sulle GPON e sulle loro evoluzioni (sistemi multiLamba). E questo è quello che sta accadendo in gran parte delle realizzazioni in corso.
La GPON, Gigabit Passive Optical Network riduce l'ingombro in centrale (in quanto una singola attestazione di fibra serve 64/128 terminazioni-abitazioni) e riduce anche il consumo energetico (questo dipende in buona parte dal numero di terminazioni e quindi nel caso di GPON in centrale occorre alimentare un'unica terminazione per servire 64/128 clienti). Inoltre a livello di distribuzione è sufficiente trovare spazio per una singola fibra piuttosto che a un centinaio e questo permette di utilizzare sistemi di minitrincea, un solco inferiore a dieci centimetri al posto di uno di mezzo metro.
Se oggi la GPON fornisce una banda di 2,5 Gbps a metà 2011 fornirà 10 Gbps per poi salire nel 2015 a 40 Gbps e a superare i 100 negli anni successivi. Con queste capacità si riesce a fornire una banda di 100 Mbps (statisticamente parlando) per cliente e nel tempo a garantirla, cosa che si renderà necessaria man mano che i clienti utilizzeranno in modo più intenso la connettività. In questo incremento di capacità non occorre sostituire la fibra, quella che si posa oggi andrà bene anche tra venti anni, ma solo le terminazioni, un pezzetto simile ad una presa che potrà essere spedito a casa dei clienti per una sostituzione autonoma, così come oggi si cambia una lampadina.
Per fine decade si prevede una fornitura di un Gbps a cliente e questo, come abbiamo visto, eccede la richiesta di banda “digeribile” dalla singola persona (500 Mbps) e anche, statisticamente parlando, quella di una abitazione.
È quindi un sistema a prova di futuro.
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