Nella tana del Bianconiglio con le lambda aliene

Non solo pacchetti: ecco i primi risultati della sperimentazione, in collaborazione con INRIM, per il trasporto attraverso la rete GARR di un segnale di tempo e frequenza

Per anni siamo stati abituati a pensare la rete come un’autostrada che trasporta enormi quantità di pacchetti di informazione, smistandoli alle loro varie destinazioni, in contrapposizione alla comunicazione a circuito tipica della comunicazione telefonica. Poi il mondo è nuovamente cambiato e la comunicazione a circuito è tornata di moda, grazie a un vero boom dei collegamenti end-to-end e in particolare dei lightpath. Ma la rete in fibra è ancora più flessibile di così e ci permette di trasportare altri tipi di informazione e insieme a INRIM, l’Istituto Nazionale di Metrologia, ne abbiamo sperimentato uno molto particolare: la diffusione di un segnale di sincronizzazione.

Quello della sincronizzazione del segnale di tempo e frequenza è un problema che si pone per tutte le applicazioni scientifiche e industriali per le quali è critica la misura del tempo con precisioni elevate. La ricerca italiana in questo settore è molto avanzata ed è una delle eccellenze a livello globale, anche grazie alla creazione - caso unico in Europa - di una infrastruttura metrologica in fibra dedicata, tra l’istituto metrologico nazionale INRIM e i grandi esperimenti e applicazioni che richiedono un riferimento in frequenza estremamente preciso. Si tratta di una dorsale realizzata da INRIM, con il supporto di GARR, nell’ambito del progetto LIFT che serve gli utenti di ricerca con le esigenze più avanzate in questo settore, tra cui alcuni istituti CNR, INAF, ASI, Alenia Space e Telespazio. Questa infrastruttura, i cui apparati sono ospitati in alcuni PoP è proprietaria e gestita in autonomia da INRIM ed è così accurata da essere utilizzata anche per la ricerca in metrologia.

Il suo limite è chiaramente la capillarità, per cui si può pensare di servire attraverso una soluzione del genere solamente gli utenti con esigenze molto forti. E da questa considerazione prende le mosse la nostra sperimentazione: una larga fetta dell’utenza di ricerca è caratterizzata da requisiti meno stringenti in termini di accuratezza del segnale di tempo e frequenza. Perché dunque non utilizzare la capillarità della rete GARR, a cui questi utenti sono già collegati, per portare il segnale a casa loro?

Chi ha tempo... lo porti a casa dell’utente

Con questa idea in mente abbiamo disegnato e realizzato negli ultimi 2 anni un'attività di sperimentazione, in collaborazione con INRIM e con la partecipazione di TOP-IX per la definizione di un servizio basato su protocollo White Rabbit per servizio di distribuzione di tempo e frequenza sulla rete GARR.

Abbiamo scelto White Rabbit, un protocollo per la trasmissione del segnale di sincronizzazione sviluppato dal CERN, che oltre ad offrire buone performance in termini di accuratezza, rispetto agli omologhi maggiormente diffusi e utilizzati nel mondo telco, è basato su un framework hardware e software aperto, sul quale sono stati realizzati vari sviluppi ad hoc e questi aspetti lo rendono più sperimentale e avanzato.

Abbiamo cominciato a testare questa tecnologia sugli apparati DWDM in laboratorio, per poi passare al field trial sulla rete di produzione, potendo disegnare tre diversi percorsi a livello geografico. Per la trasmissione del segnale di tempo e frequenza è possibile adottare approcci diversi. Noi ci siamo orientati fin dall’inizio sull’utilizzo delle lambda aliene, che sembra essere l’approccio più promettente in termini di performance. Nei field trial ci siamo attestati su accuratezze nell’ordine del nanosecondo, che appunto potrebbero essere quello che serve alle applicazioni scientifiche tipiche ad esempio nei laboratori di fisica, elettronica, robotica, in applicazioni di sensoristica e IoT e più in generale in tutte quelle situazioni dove oggi vengono utilizzati orologi atomici, che necessitano di essere calibrati. Tipicamente il processo di calibrazione viene fatto attraverso servizi che utilizzano il GPS, mentre sfruttando le potenzialità del servizio che stiamo ora sperimentando sarebbe possibile ottenere riferimento e calibrazione direttamente con segnale UTC-IT attraverso la fibra, quindi con una tecnologia aperta, stabile e più difficilmente offuscabile.

Risultati promettenti

I field trial hanno dimostrato che è possibile con questo approccio avere un’incertezza al di sotto del nanosecondo, un livello di precisione anche più elevato di quello richiesto dalla maggioranza delle applicazioni, che rappresenta senza dubbio un risultato estremamente interessante e promettente. L’obiettivo dei field trial, però, non era soltanto valutare i risultati del nostro approccio, ma anche evidenziare potenziali difficoltà. Si tratta infatti di una applicazione ancora agli inizi e ci sono diversi aspetti che vanno ancora migliorati, ad esempio sotto il versante del monitoring dove ci sono ancora degli sviluppi da fare. La maggiore criticità per il servizio com’è concepito ora è però l’unidirezionalità della trasmissione: dobbiamo collegare due nodi con una coppia di fibre e, poiché White Rabbit presuppone la simmetria del canale, dobbiamo compensare le due fibre che trasmettono il segnale nei due versi. La trasmissione del segnale di tempo è estremamente sensibile anche a piccole difformità, ad esempio differenze di pochi centimetri nella lunghezza delle due fibre, rendendo necessaria una nuova calibrazione con un riferimento esterno ogni volta che si apportino modifiche all’infrastruttura: una soluzione dunque quella unidirezionale più dispendiosa in termini di energie e che presenta evidenti limiti soprattutto se pensiamo a potenziali guasti o interventi sulla rete.

Nuova rete, nuove opportunità

Anche se non abbiamo posto nessun tipo di requisito relativo a White Rabbit per il progetto di rete di GARR-T, con la transizione alla nuova infrastruttura, che avverrà nel corso del prossimo anno, si apriranno nuove possibilità per migliorare il disegno di questo servizio.

LIFT

la dorsale metrologica ultraprecisa di INRIM

A partire dal 2005, grazie anche al lavoro svolto da diversi progetti europei come NEAT-FT, OFTEN e CLONETS, INRIM è stato coinvolto nella realizzazione di una rete ottica europea dedicata alla metrologia. Parallelamente, con il progetto LIFT ha realizzato una dorsale nazionale per la distribuzione del segnale di tempo e frequenza a una serie di infrastrutture di ricerca caratterizzate da elevati requisiti in termini metrologici.

L’infrastruttura di dorsale, chiamata quantum backbone, copre attualmente in fibra una distanza di circa 1800 km e trasmette un segnale ottico di riferimento in frequenza con una incertezza al livello di 1E-18 all’Istituto di Radioastronomia di Medicina (BO), allo European Laboratory for Non Linear Spectroscopy (LENS) di Sesto Fiorentino (FI) e si estende per portare il servizio alla Galileo Precise Time Facility, localizzata nella piana del Fucino e all’Istituto di Geodesia di Matera. La dorsale di LIFT è il primo caso in Europa in cui si porta un segnale di frequenza di questo livello di accuratezza con una fibra ottica fino alla sede utente: l’infrastruttura europea si limita infatti a connettere istituti che si occupano di ricerca metrologica.

L’adozione di un modello di rete parzialmente disaggregato e di una piattaforma di tipo Open Line System infatti offrirà migliori opportunità di integrazione di segnali di vario genere, come quello di sincronizzazione, all’interno della rete e molto probabilmente consentirà di operare delle semplificazioni, in particolare nel senso di realizzare il trasporto su un’unica fibra, eliminando tutte le complessità a livello operativo introdotte dalla monodirezionalità della trasmissione.

Nell’attesa stiamo arruolando i primi beta user in modo da poter ottenere ulteriori validazioni e, perché no, indicazioni su ulteriori feature e miglioramenti che si vorrebbero vedere realizzati, ma anche per sondare l’utilità e l’interesse di un servizio di diffusione di tempo e frequenza all’interno della comunità GARR.