R. Cusani, F. Cuomo: Telecomunicazioni Strato Fisico: Mezzi Trasmissivi, Marzo 2010

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1 1 9: Strato fisico: mezzi trasmissivi Mezzi trasmissivi 2 mezzi trasmissivi guidati: doppino e sue varianti cavo coassiale fibra ottica mezzi trasmissivi non guidati: ponti radio trasmissioni satellitari radiodiffusione infrarossi Ne vedremo le caratteristiche e le applicazioni più diffuse 1

2 Il doppino 3 Il doppino (o doppino intrecciato) è costituito da una coppia di fili di rame isolati separatamente La coppia di fili viene intrecciata, e costituisce una linea di comunicazione singola Solitamente si utilizzano fasci di doppini, che possono essere costituiti da qualche coppia fino a centinaia di coppie Il doppino è il mezzo più economico e più semplice da maneggiare Il doppino: caratteristiche 4 Utilizzato sia per trasmissioni analogiche che digitali Tra i mezzi guidati è quello più sensibile a: attenuazione del segnale sulla distanza: questo limita la distanza massima oltre la quale si richiede l inserimento di amplificatori o ripetitori; tipicamente è necessario inserire amplificatori ogni 4/5 Km, mentre per le trasmissioni digitali si deve far uso di ripetitori ogni 2/3 Km interferenza: una coppia di fili si comporta come una antenna; si limita il problema tramite l avvolgimento della coppia di fili in una specie di spirale; questo riduce la ricettività della antenna a segnali esterni diafonia: questo fenomeno viene combattuto utilizzando avvolgimenti di passo differente tra coppie adiacenti rumore impulsivo Per segnali analogici: larghezza di banda di circa 1 MHz Per segnali digitali: su brevissime distanze, fino a centinaia di Mbps 2

3 UTP (Unshielded Twisted Pair) 5 L ITU-T ha stabilito degli standard per la realizzazione dei doppini finalizzati alla trasmissione dati Gli standard prevedono cavi costituiti solitamente da quattro coppie di fili, isolati singolarmente ed avvolti in spire a due a due; non è prevista schermatura aggiuntiva (UTP: Unshielded Twisted Pair) Le differenze delle diverse categorie sono essenzialmente nella realiz-zazione degli avvolgimenti (più o meno frequenti); le categorie sono definite in base a capacità di banda entro distanze definite (100 m) UTP cat. 3: garantisce fino a 16 MHz di banda UTP cat. 4: fino a 20 MHz UTP cat. 5: fino a 100 MHz UTP (Unshielded Twisted Pair) 6 Esistono definizioni per standard più performanti (cat. 5e, cat. 6, cat. 7) I doppini UTP cat. 3 sono detti anche di qualità fonica, e sono utilizzati sia per la telefonia che per la trasmissione dati fino a 10 Mbps. I doppini UTP cat. 5/5e sono utilizzati nelle reti locali a velocità superiore (fino a 1 Gbps) 3

4 STP (Shielded Twisted Pair) 7 L ITU-T ha anche definito una standard per doppini dotati di schermatura, ottenuta avvolgendo l insieme di coppie con una calza conduttrice, in modo da ridurre la sensibilità a segnali esterni Questo standard si chiama STP (Shielded Twisted Pair) e viene utilizzato nella trasmissione dati sulle reti locali, come l UTP cat. 5. La migliore schermatura permette all STP di fornire a parità di attenuazione una banda più ampia (300 MHz) Pur avendo migliori prestazioni l STP è un cavo più rigido dell UTP, quindi di minore maneggevolezza, più costoso, ed è utilizzato solamente in ambienti in cui sono presenti forti sorgenti di disturbi elettromagnetici Applicazioni del doppino 8 Il doppino per le sue caratteristiche di maneggevolezza e di basso costo è molto diffuso per la telefonia (quasi tutte le connessioni del sistema telefonico nell ultimo tratto sono costituite da doppini) per le reti locali (il cablaggio degli edifici è generalmente realizzato tramite UTP o STP) Utilizzato sia per trasmissioni analogiche canale telefonico a 4 KHz, canali dati via modem o modem ADSL sia per trasmissioni digitali Ethernet (10 Mbps) FastEthernet (100 Mbps) Gigabit Ethernet (1 Gbps) altri protocolli (token ring, ) 4

5 Il cavo coassiale 9 Il cavo coassiale è costituito da un conduttore interno in rame, avvolto in un isolante di materiale plastico (dielettrico) attorno al quale è posto il conduttore esterno, costituito da una calza metallica, il tutto ricoperto da un rivestimento esterno isolante Il cavo coassiale (cont.) 10 La sua struttura permette un miglior isolamento elettromagnetico, quindi una minore sensibilità alle interferenze ed alla diafonia, ed una minore attenuazione del segnale sulla distanza (che pure rimane il maggior problema di questo mezzo) rispetto al doppino è capace di una larghezza di banda fino a 500 MHz Per questi motivi è molto diffuso per le connessioni a lunga distanza, per trasmissioni a larga banda Come il doppino necessita di amplificatori o ripetitori ogni qualche Km (più frequenti in caso di trasmissione digitale, in funzione del tasso trasmissivo) 5

6 Utilizzo del cavo coassiale 11 Esistono due tipi di cavo coassiale in base alle caratteristiche elettriche (che dipendono dalla geometria del cavo), utilizzati storicamente per scopi differenti: Cavo con impedenza a 75 Ω: usualmente utilizzato per la trasmissione analogica (distribuzione televisiva, TV via cavo, tratte di back-bone del sistema telefonico con multiplexing FDM); in multiplexing FDM può trasportare oltre canali vocali contemporanei Cavo a 50 Ω: solitamente utilizzato nella trasmissione digitale (per reti locali, come Ethernet, token bus, e nelle connessioni dati a livello geografico) Utilizzo del cavo coassiale 12 Lo standard Ethernet specifica due cavi differenti a 50 Ω : il cavo giallo, o cavo thick, più grosso e poco maneggevole, la cui lunghezza massima è 500 m, ed il cavo nero, o thin, più flessibile e che non può essere più lungo di circa 180 m. 6

7 Fibra ottica 13 Il cavo in fibra ottica è costituito da nucleo: sottile filo di sostanza vetrosa, generalmente silicio, molto fragile, attraverso il quale si propaga la luce mantello: sostanza che avvolge il nucleo con proprietà ottiche differenti dal nucleo guaina: sostanza plastica protettiva che avvolge il mantello, che protegge il cavo da umidità e deformazioni Fibra ottica 14 Le proprietà ottiche di nucleo e mantello sono tali che la luce introdotta nel nucleo con direzione opportuna non possa più uscire dal nucleo, ma venga riflessa in modo da viaggiare lungo il nucleo fino a destinazione I cavi per utilizzo breve possono essere a coppie di fibre; cavi per lunghe tratte possono invece contenere centinaia di fibre distinte 7

8 Trasmissione lungo la fibra: la rifrazione 15 Quando un raggio di luce passa da un mezzo ad un altro, subisce un cambio di direzione (rifrazione) L ampiezza dell angolo di rifrazione dipende dalle caratteristiche fisiche dei due mezzi Esiste un angolo di incidenza (angolo critico) oltre il quale il raggio viene completamente riflesso entro il mezzo più denso Fibre multimodali 16 Nelle fibre multimodali il nucleo ha uno spessore di circa 50 micron In queste condizioni la luce può avere diversi angoli di incidenza (diversi modi di propagazione) e percorrere traiettorie spezzate di lunghezza diversa; questa fibra si dice multimodale con indice a gradino Una categoria simile è la fibra in cui l indice di rifrazione nel nucleo non è costante, ma variabile; la luce percorre traiettorie curve, sempre con modi diversi in funzione dell angolo di incidenza (multimodale con indice graduato) e genera un impulso in uscita più stretto In entrambi i casi l impulso in ingresso subisce una distorsione temporale dovuta ai diversi modi di propagazione, e genera un segnale in uscita (nel dominio tempo) generalemente allargato rispetto al segnale in ingresso 8

9 Fibre multimodali 17 La larghezza dell impulso limita la velocità di trasmissione dati in quanto gli impulsi devono essere spaziati e separati temporalmente in ricezione per essere identificati Fibre monomodali 18 Nelle fibre monomodali il nucleo ha uno spessore di 8-10 micron Riducendo la dimensione del nucleo si riducono i modi di propagazione della luce; arrivando alle dimensioni di alcune lunghezza d onda, la luce si può propagare solo lungo il modo principale cioè quello ad incidenza longitudinale In questo caso l impulso di luce non subisce distorsione in uscita, e la fibra è capace di tassi trasmissivi e distanze maggiori 9

10 Led e laser 19 Il segnale luminoso viene generato in due modi differenti: tramite LED (Light Emitting Diode): più economico, adatto per trasmissioni a tratta corta su fibre multimodali ed a basso tasso trasmissivo tramite diodi ad emissione laser: molto più costoso, adatto per trasmissioni ad alto tasso trasmissivo o per lunghe distanze, più sensibile al calore Lunghezze d onda 20 L assorbimento del segnale sulla distanza dipende dalla lunghezza d onda utilizzata Ci sono tre bande dove l assorbimento ha risposta piatta in frequenza e bassa, utilizzate per la trasmissione: 850 nm, 1300 nm e 1550 nm 10

11 Caratteristiche delle fibre ottiche 21 La fibra ottica è un ottimo mezzo per la trasmissione dati: banda trasmissiva: si aggira intorno ai 30 THz (30000 GHz), sfruttabile tramite WDM; la tecnologia attuale permette tassi trasmissivi fino a 10 Gbps su singola lambda, ma in laboratorio si raggiungono tassi maggiori a breve distanza dimensione e peso: le fibre sono molto più sottili e leggere dei cavi in rame (problema non indifferente sia per i cablaggi nelle tubature cittadine, sia per la stesura di cavi multipli a lunga distanza, anche transoceanici) attenuazione ridotta: la fibra garantisce una attenuazione significativamente inferiore al rame: questo permette l utilizzo di ripetitori solo ogni qualche decina di Km o oltre a seconda della tecnologia utilizzata (laser e fibre monomodali sono più efficienti) Utilizzo della fibra ottica 22 La fibra ottica ha soppiantato il cavo coassiale per le connessioni a larga banda trasmissiva ed a lunga distanza Già da tempo utilizzata nelle reti locali per le trasmissioni ad elevato tasso trasmissivo ( Mbps) a distanze che il rame non riesce a raggiungere Ultimamente in incremento il suo utilizzo verso le case dei privati per sostituire il rame in vista di servizi on demand via cavo (TV, cinema, giochi, musica, internet, telefonia, videofonia, ) che richiederanno sempre più banda 11

12 Mezzi non guidati 23 La trasmissione di dati viene spesso realizzata utilizzando la trasmissione di onde elettromagnetiche nell aria o nello spazio Si hanno due diverse regioni dello spettro con differenti a causa delle differenti proprietà della trasmissione: radiodiffusione: trasmissione di onde in una banda compresa tra il KHz ed il GHz; in questa regione le onde si propagano in modo diffusivo, ed è utilizzata generalmente in modalità unidirezionale per le trasmissioni radio o televisive microonde: nella regione compresa tra 1 e 40 GHz la propagazione delle onde elettromagnetiche è abbastanza direzionale (o direzionabile con antenne paraboliche), e viene utilizzata per trasmissioni punto-punto in ponte radio, o trasmissioni satellitari punto-punto o broadcast Lo spettro elettromagnetico 24 12

13 Radiodiffusione 25 La radiodiffusione viene utilizzata generalmente per la trasmissione analogica di segnali radio-televisivi in modalità broadcast Utilizza due tecniche trasmissive differenti in funzione delle frequenze: fino al MHz (VLF, LF ed MF) il segnale si propaga seguendo la curvatura terrestre ed attraversa bene gli ostacoli: una stazione trasmittente può essere ricevuta fino a 1000 Km di distanza; oltre l attenuazione (proporzionale all inverso del quadrato della distanza) diviene eccessiva Radiodiffusione 26 nella regione dal MHz al GHz (HF, VHF e UHF) il segnale viene assorbito dalla superficie della terra, ma viene riflesso molto bene dalla ionosfera; i segnali vengono quindi inviati verso il cielo raggiungono la stazione ricevente dopo la riflessione 13

14 Trasmissione via ponte radio 27 La banda delle microonde (1-40 GHz) permette di utilizzare antenne paraboliche di dimensioni maneggevoli (fino a qualche metro di diametro) per poter collimare e dare direzione all emissione Si può quindi realizzare una comunicazione punto-punto tra sorgente e destinazione con allineamento ottico delle antenne: la trasmissione è rettilinea, ed è indispensabile la visibilità tra le antenne Questa tecnica di trasmissione va in competizione con le linee in coassiale e via fibra ottica per le lunghe distanze, quando l alternativa con mezzo guidato risulta troppo costosa o impossibile per motivi morfologici per le brevi distanze (ad esempio per connettere due palazzi vicini di una stessa compagnia) come alternativa alla stesura di una fibra, per evitare le complicazioni connesse alle autorizzazioni Ponti radio (cont.) 28 Utilizzando diverse stazioni ripetitrici si riescono a coprire distanze elevate (svariate centinaia di Km); una singola tratta può coprire in condizioni favorevoli fino a qualche centinaia di Km Aspetti caratteristici della trasmissione in questa banda di frequenza: l attenuazione con la distanza, che segue la relazione 4πd L = 10 log λ ed è superiore a quella del coassiale, che cresce col logaritmo della distanza, ed è anche funzione crescente con la frequenza l attenuazione dovuta alla interferenza (da altre stazioni, da riflessioni della stessa trasmissione) attenuazione da pioggia o umidità, fortemente crescente con la frequenza 2 d B 14

15 Ponti radio (cont.) 29 Data la dipendenza dell attenuazione dalla distanza, per le tratte lunghe si utilizzano generalmente due bande di frequenza: 2-6 GHz e GHz Le connessioni a breve distanza possono utilizzare le frequenze più alte (fino a 40 GHz) per le quali si hanno i vantaggi: antenne più piccole fascio più collimato (quindi minore necessità di potenza) minori problemi di interferenza per lo scarso utilizzo di trasmissioni in quella regione di frequenza Utilizzo dei ponti radio 30 Generalmente utilizzati per trasmissioni analogiche (fonia, televisione) o digitali (per reti private o utilizzate dalle compagnie telefoniche fornitrici di servizi) Le diverse bande di frequenza sono suddivise in canali di diversa larghezza (non uniformi nei diversi paesi), con canali tra i 7 MHz (a 2 GHz) ed i 220 MHz (a 18 GHz), e tassi trasmissivi che vanno dai 12 ai 274 Mbps (in funzione della banda disponibile e del livello di modulazione utilizzato, solitamente QAM-x) 15

16 Trasmissioni satellitari 31 Il satellite si comporta come stazione ripetitrice del segnale Il segnale viene inviato dalla stazione terrestre al satellite (uplink), che lo rimanda a terra verso la stazione o le stazioni riceventi (downlink), generalmente utilizzando frequenze differenti Un satellite opera su più bande di frequenza, in FDM; i singoli canali si chiamano transponder (canali tra 15 e 500 MHz di banda) Sui canali il satellite può fare TDM per gestire diverse comunicazioni Le bande utilizzate sono quelle tra 1 e 10 GHz sopra l attenuazione atmosferica è troppo grande sotto ci sono interferenze ed assorbimento dalla ionosfera Il sovraffollamento delle frequenze spinge attualmente verso l utilizzo di bande a frequenza superiore, nonostante che i problemi di attenuazione atmosferica divengano sempre più importanti Satelliti 32 GEO (Geostationary Earth Orbit): satelliti a Km di quota in orbita equatoriale, che appaiono in posizione fissa nel cielo questi satelliti sono adatti alla trasmissione dati in quanto il puntamento delle antenne è fisso per motivi di interferenza i satelliti vengono distanziati di due gradi, quindi si possono avere al massimo 180 satelliti la trasmissione dati deve tenere conto del ritardo di propagazione del segnale, che è pari a 0.25 secondi (inefficienti i protocolli con controllo degli errori e ritrasmissione dei pacchetti) MEO (Medium Earth Orbit): satelliti a Km di quota, con 6 ore di periodo dell orbita inadatti per la trasmissione dati esempio: i satelliti del GPS (Global Positioning System) 16

17 Satelliti 33 LEO (Low Earth Orbit): tra 750 e 1500 Km di quota molto veloci nel transito, ma vicini, quindi si ha poco ritardo e si richiede poca potenza in trasmissione esempi: Iridium (per fonia, fax, dati, navigazione), Globalstar. 17

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