6. ADSL 6.2 Tecnologia DSL 6.4 Modulazione DMT

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1 $'6/ 6. ADSL 6.2 Tecnologia DSL 6.4 Modulazione DMT $'6/ La tecnologia ADSL (Asym m etric Digital Subscriber Line ovvero linea digitale asim m etrica di abbonato ) consente la trasm issione dati ad alta velocità utilizzando, com e supporto, la com une linea telefonica basata sul doppino in ram e. Le applicazioni più im portanti sono il collegam ento ad internet ed il video on dem and (servizi video su richiesta). La trasm issione è asim m etrica perché la velocità di ricezione dei dati da parte dell utente è diversa da quella di trasm issione. I n particolare la prim a può variare da 640Kbps a 8Mbps e la seconda da 16 a 640Kbps. È una tecnologia che si è afferm ata, inizialm ente negli U.S.A, alla soglie del 2000 e deve l enorm e successo al basso costo e alla im m ediatezza della installazione poiché non richiede cablaggi aggiuntivi: è sufficiente la linea telefonica già esistente in ogni casa e posto di lavoro. I classici internet provider forniscono connettività ADSL all utente privato con velocità fino a 640 Kbps in ricezione e 256 Kbps in trasm issione. La m assim a velocità raggiungibile, in realtà, dipende dalla capacit à dei server e dallo stato di congestione della rete. A seconda del tipo di contratto stipulato il fornitore del servizio ADSL, oltre alle velocità di punta, può fornire la m inim a velocità garantita in download (ricezione) ed in upload (trasm issione). Per quanto concerne la m odalità di connessione, alcuni contratti tengono conto del tem po di collegam ento, della quantità di dati transitati oppure di un canone fisso m ensile senza lim itazione di tem po e del volum e di dati. Sono altresì possibili form e ibride di contratto. Per le piccole e m edie aziende con reti locali costituite da alcune decine di PC, il provider ADSL offre connettività a velocità di punta m aggiore e, soprattutto, una adeguata velocità m inim a garantita. L apparato attivo di rete è un adattatore ADSL in grado di estrarre i dati digitali in transito sulla linea telefonica e di trasm etterli, attraverso l interfaccia USB o la scheda di rete, al com puter e viceversa. Tale adattatore è, spesso, noto col term ine im proprio di m odem ADSL.

2 &RPSDWLELOLWjGDWLHIRQLDGHOO $'6/ La linea telefonica di un utente ADSL può trasportare sia dati che fonia. Se l utente sta usufruendo della ADSL oppure se l accesso ADSL è perm anente una eventuale telefonata ricevuta o effettuata sarà affetta da disturbi per la presenza della com ponente dati ADSL ad alta frequenza. Per elim inare tali disturbi si inserisce un filtro passa basso per ogni presa telefonica a cui collegare un telefono. Si m ostra in fig.33 il collegam ento delle varie com ponenti per assicurare una corretta connessione ad internet con ADSL ed una trasm issione fonica non disturbata. I filtri possono essere tripolari o RJ11 a seconda della presa telefonica a cui dovranno essere collegati. Ciascun filtro presenta, spesso, due uscite: una va al telefono o all apparecchiatura che intende utilizzare la norm ale linea telefonica tripolare o RJ11, l altra va al m odem ADSL in form ato RJ11. L uscita che va al m odem ADSL non è filtrata. Nell esem pio si suppone di disporre di un solo com puter e di utilizzare un m odem ADSL da collegare direttam ente alla presa telefonica. Se la presa telefonica a cui vogliam o collegare il m odem ADSL è già occupata (in figura è im pegnata dal fax tram ite il filtro) si utilizza l uscita del filtro denom inata ADSL. Le uscite ADSL degli altri due filtri non sono utilizzate. I l collegam ento tra il m odem ADSL e il PC può avvenire attraverso la porta USB o la scheda di rete a seconda dell interfaccia prevista sul m odem. Si m ostra in fig.34 lo schem a di principio di tale filtro. L uscita del filtro da applicare al m odem ADSL non attraversa alcun circuito filtrante: risulta collegato direttam ente alla presa telefonica.

3 " )LJ±6FKHPDGLSULQFLSLRGHOILOWUR$'6/ Se, invece, si intende collegare ad internet, via ADSL, tutti i com puter di una rete locale si dovrà utilizzare un router ADSL piuttosto che un com une adattatore ADSL. I l router, infatti, com e è noto, detiene le funzioni di instradam ento per cui i dati che giungono da I nternet vengono instradati correttam ente sul com puter della rete locale che ne ha fatto richiesta. Gli apparecchi telefonici saranno collegati alla rete m ediante filtri com e visto nel caso precedente. Se il router ha un num ero di porte di uscita alm eno quanti sono i PC, il collegam ento router PC avviene attraverso il classico cavo di rete UTP cat.5 con connettore RJ-45, uno per ogni PC. Se, invece, il router ha un num ero di porte inferiore al num ero dei PC da servire, sarà necessario dotarsi di uno switch a cui collegare sia il router che ciascun PC. Si m ostra in fig.35 lo schem a di principio di un collegam ento ADSL per rete locale con la presenza di un router e di filtri da porre alle prese a cui si intendono collegare gli apparecchi telefonici.! " Se, infine, si ha una struttura che utilizza m olti apparecchi telefonici, piuttosto che utilizzare tanti filtri quanti sono gli apparecchi, si inserisce un particolare filtro, noto col term ine splitter. Lo splitter è necessario soprattutto quando l im pianto telefonico è dotato di centralini o sistem i di antifurto che si appoggiano alla linea telefonica. Lo splitter è costituito da un filtro passa-basso per la fonia ed un filtro passa-banda per i dati ADSL; entram bi i filtri sono sim m etrici per consentire la bidirezionalità della trasm issione vocale e della trasm issione dati senza interferenze. La funzione di passa-banda e non passa-alto perm ette di evitare disturbi ad alta frequenza che possono influenzare il traffico ADSL. Lo splitter è presente nell adattatore ADSL; in tal caso se i filtri sono passivi si ha il vantaggio che, anche in caso di non funzionam ento del m odem, viene garantita la com unicazione telefonica. Lo splitter, dunque, presenta due uscite: l uscita del filtro passa-basso va alle prese telefoniche o al centralino; l uscita del filtro passa-banda è inviata all adattatore ADSL o al router ADSL, a seconda delle esigenze dell utente. I l vantaggio dell uso dello splitter sta nel fatto che non è necessario dissem inare l am biente con tanti filtri. Lo svantaggio consiste nel fatto che lo splitter deve essere installato a m onte di tutte le prese telefoniche e per questo è necessario l intervento di un tecnico del gestore di telefonia. I n fig.36 si illustra il caso di utilizzo di uno splitter supponendo di dover fornire il collegam ento ADSL ad una rete locale e di essere dotati, quindi, di un router ADSL.

4 & # # # # % $ & 7HFQRORJLD'6/ La tecnologia DSL (Digital Subscriber Line) fa la sua com parsa negli anni 80 m a si afferm a con l avvento di I nternet intorno al Fanno parte della DSL le seguenti tecnologie: HDSL SDSL VDSL ADSL +'6/ = Hi bit rate DSL. È una tecnologia DSL che scam bia dati alla velocità costante di 2,048 Mbps in entram be le direzioni. Utilizza un solo doppino telefonico. 6'6/ = Sym m etric DSL. Presenta le stesse caratteristiche della precedente HDSL con la differenza che la velocità di trasferim ento dati in entram be le direzioni è di 768 Kbps. I noltre, e questo è un difetto, la distanza tra l utente ed il centro di com m utazione più vicino non deve superare i 3,3Km. Ciò non rende sem pre utilizzabile tale tecnologia. 9'6/ = Very high speed DSL. È la più recente tecnologia della fam iglia DSL. È asim m etrica e consente di raggiungere velocità da 13 a 52 Mbps in ricezione e da 1,5 a 6 Mbps in trasm issione. Anche per questa tecnologia l aspetto negativo è rappresentato dalla distanza tra l utenza ed il più vicino centro di com m utazione che non deve superare i 1500 m. I l doppino telefonico deve essere ritorto e tra la centrale di com m utazione e la rete telefonica generale il collegam ento deve essere in fibra ottica. 7HFQRORJLD$'6/ Tra le tecnologie DSL, la ADSL è quella che ha avuto più successo. Com e già detto è una tecnologia asim m etrica che, teoricam ente, perm ette di fornire, com e m assim a velocità di ricezione dati, un valore pari a 8 Mbps. I n pratica il fornitore di accessi ADSL garantisce una velocit à m assim a che va da 640 Kbps a 8 Mbps in funzione del contratto che si decide di stipulare. Utilizza il classico doppino telefonico in ram e ed è im plem entabile se la distanza tra l utente e la centrale di com m utazione più vicina è inferiore a 5Km. Per ottenere le elevate velocità di funzionam ento la trasm issione dati ADSL sfrutta bande di frequenza com pletam ente differenti rispetto a quelle

5 utilizzate per la linea telefonica analogica. Grazie a ciò è possibile far coesistere sulla stessa linea sia la telefonata tradizionale effettuata o ricevuta che il traffico di dati. Per evitare di ricevere disturbi dovuti ai segnali di frequenza più elevata della ADSL, è necessario inserire un filtro tra la presa e gli apparecchi telefonici. La fonia copre la banda da 0 a 4KHz m entre l ADSL copre una banda di am piezza m aggiore che dipende dal tipo di abbonam ento sottoscritto dall utente e che inizia dal valore di frequenza di KHz. )LJ±6SHWWURGLIUHTXHQ]DGLXQDOLQHDWHOHIRQLFDFRQ$'6/ I sistem i di m odulazione usati nell ADSL sono due: DMT (Discrete Multi Tone) e CAP (Carrierless Am plitude / Phase Modulation). La m odulazione CAP, sviluppata nei laboratori AT&T, è una variante della QAM che m odula la fase e l am piezza di una portante in 64 m odi diversi. Per m igliorare il rapporto S/ N si utilizza la codifica Trellis e Viterbi. Nel prossim o sottoparagrafo si parlerà della m odulazione DMT. 0RGXOD]LRQH'07 La m odulazione DMT, riconosciuta sia com e standard ANSI (T1.413) che com e standard ETSI, consiste nel suddividere la banda disponibile in un alto num ero di sottocanali di uguale dim ensione. La banda di 1104KHz viene suddivisa in 256 sottocanali ciascuno di am piezza di banda pari a KHz. I prim i 6 sottocanali vengono im piegati per la fonia. I n realtà ogni sottocanale ha un am piezza effettiva di 4KHz. La differenza da KHz viene considerata com e banda di guardia per evitare che i sottocanali possano sovrapporsi, dopo l azione dei filtri non ideali, con inevitabili interferenze che provocherebbero errori di com unicazione. L allocazione spettrale dei sottocanali avviene con la tecnica FDM (Frequency Division Modulation). Nelle norm ali realizzazioni si destinano 32 sottocanali per l upload (dall utente all I SP) e 218 sottocanali per il download (dall I SP all utente). I 32 sottocanali per l upload sono allocati a partire dalla frequenza KHz e term inano alla frequenza KHz. I nfatti l am piezza della banda per l upload vale:

6 = 138KHz Per il teorem a di Shannon, la m assim a velocità in bit al secondo supponendo un rapporto segnale rum ore: S/ N = 35dB, vale: I 218 sottocanali per il download sono allocati a partire dalla frequenza KHz e term inano a 1104KHz. La differenza, pari a KHz si ricava dalla form ula: = KHz Anche in questo caso è possibile calcolare la m assim a velocità in bit al secondo applicando la form ula di Shannon: Ogni sottocanale DMT subisce una m odulazione QAM (Quadrature Am plitude Modulation). Ricapitolando, in un m odem ADSL DMT si hanno 256 sottocanali così suddivisi: 6 per la fonia, 32 per l upload e 218 per il download. Si può pensare che un m odem ADSL sia costituito da 256 m odem in parallelo che m odulano le inform azioni da trasm ettere su 256 diverse frequenze portanti distanti tra di loro di KHz. I l m odem è realizzato in m odo da trasm ettere, per ogni sottocanale, da 2 a 15 bit al periodo in funzione del rapporto S/ N. Più questo è basso m eno è il num ero di bit/ periodo che il m odulatore DMT genera. Questo è il com prom esso che si deve accettare se non si vogliono elevati tassi di errore di trasm issione. Per il trasporto dei dati si utilizzano solo 4KHz dei KHz disponibili per ogni sottocanale e la m assim a velocità di trasferim ento dei dati in un sottocanale vale: 15 4KHz = 60 Kbps. La m assim a velocità di trasm issione teorica dell ADSL è, pertanto: upload: = 1920 Kbps download: = Kbps I lim iti teorici di Shannon che tengono conto del rapporto S/ N esam inati in precedenza sono, in proporzione, lievem ente inferiori a quelli ora calcolati. I m odem ADSL, che possono lavorare alla velocità m assim a di 60Kbps per sottocanale, adattano autom aticam ente la velocit à di funzionam ento ai diversi rapporti S/ N delle varie frequenze della banda ADSL. Nel caso di elevato rum ore all interno di un sottocanale, questo può essere disabilitato dal m odem Trasm ettitori e ricevitori DMT I l trasm ettitore DMT presente nell adattatore ADSL dell utente riceve bit in form a seriale dall interfaccia USB o Ethernet del com puter. I l prim o stadio del trasm ettitore DMT è costituito da un convertitore serie - parallelo che si può assim ilare ad un registro a scorrim ento di tipo SI - PO (Serial I nput - Parallel Output). Seguono 32 blocchi in parallelo ciascuno costituito da un opportuno codificatore che pilota un m odulatore con una propria frequenza del

7 sottocanale. Un circuito som m atore, infine, invia il risultato nella linea telefonica. Grazie alla presenza dello splitter esterno o interno all adattatore ADSL è possibile aggiungere contem poraneam ente anche la banda della fonia. Si m ostra in fig.38 lo schem a a blocchi sem plificato del trasm ettitore DMT che utilizza la tecnica FDM. )LJ±6FKHPDDEORFFKLGHOWUDVPHWWLWRUH'07/HXVFLWHGHLPRGXODWRULGHLYDULVRWWRFDQDOLYHQJRQRWUDORURVRPPDWHHGLQYLDWH QHOODOLQHDWHOHIRQLFD I l ricevitore DMT, presente nell adattatore ADSL dell utente, opera in m odo opposto: contiene tanti dem odulatori quanti sono i sottocanali di download (218) più quelli riservati alla fonia (6): l uscita di ciascun dem odulatore relativo ai sottocanali di download di dati viene decodificata ed inviata in un convertitore parallelo serie (ad esem pio un registro a scorrim ento PI SO) la cui uscita è trasm essa al PC dell utente via interfaccia USB o interfaccia Ethernet. '6/$0 I l DSLAM (DSL Access Multiplexer) è un dispositivo, presente nella centrale di com m utazione, che ha il com pito di gestire gli accessi e di instradare le richieste verso i canali che le possono soddisfare. I n un DSLAM, oltre ai dati diretti ad internet, possono transitare tutte le altre com unicazioni a larga banda. Esso si può pensare costituito da tanti m odem ADSL collegati in parallelo. All interno del DSLAM è presente uno splitter col com pito di suddividere le frequenze dirette alla fonia tradizionale e quelle relative alla trasm issione dati. I l DSLAM si occupa, inoltre, di instradare pacchetti I P verso la rete di tipo ATM (Asyncronous Transfer Mode). ATM rappresenta un protocollo a com m utazione di pacchetto ed orientato alla connessione per la trasm issione dati che fram m enta i dati in pacchetti, chiam ati FHOOH, di lunghezza 53byte di cui 5 di intestazione e 48 di dati veri e propri. I dati ADSL che viaggiano col protocollo PPP (Point to Point Protocol), dovendo transitare nella rete ATM vengono incapsulati nelle celle ATM ottenendo pacchetti denom inati PPPoA ovvero PPP over ATM. Se i dati PPP passano prim a in una rete Ethernet e poi nella rete ATM si realizza un doppio incapsulam ento: il prim o avviene in un pacchetto Ethernet ed il secondo in pacchetto ATM. I n questo caso si parla di PPPoE ovvero PPP over

8 Ethernet. )LJ±$UFKLWHWWXUDWUDLGLYHUVLDWWRULQHOFROOHJDPHQWR$'6/2JQLOLQHDFKHVLDWWHVWDVXO'6/$0SUHVHQWDXQRVSOLWWHUQRQYLVLELOH LQILJXUDODFXLXVFLWDLQIRQLDVLGLULJHYHUVRODUHWHWHOHIRQLFDFRPPXWDWDPHQWUHO XVFLWDGDWLGHOORVSOLWWHUDWWUDYHUVRLO'6/$0VL GLULJHYHUVRODUHWH$70 $OWUHFDUDWWHULVWLFKHGHOO $'6/ Lo standard ANSI T1.413 denota col term ine ATU-R (ADSL Transceiver Unit Rem ote term inal end) l insiem e delle apparecchiature alloggiate presso l utente, cioè l adattatore ADSL e lo splitter, e col term ine ATU-C (ADSL Transceiver Unit Central office end) l adattatore ADSL e lo splitter posti presso la centrale dei servizi telefonici. La banda vocale destinata alla fonia, attraverso lo splitter della centrale, raggiunge il com m utatore PSTN e quindi continua ad essere una trasm issione a FRPPXWD]LRQHGLFLUFXLWR con tutti i problem i relativi alla com m utazione del segnale. I sottocanali ADSL, sia quelli per il download che per l upload, term inano nel DSLAM che rappresenta un nodo di accesso che consente di considerare la trasm issione dati com e una linea dedicata con una data larghezza di banda. Tali segnali, non passando attraverso i com m utatori

9 analogici, evitano problem i di sovraccarico dei centralini di com m utazione. Per questo m otivo si è pensato di trasm ettere fonia con la tecnica ADSL in m odo da ridurre i problem i della com m utazione telefonica. Questa tecnica è nota com e 9RLFH RYHU '6/ (VoDSL) ed è probabile che ben presto tenderà gradualm ente a sostituire la telefonia tradizionale a com m utazione di circuito. I n tal m odo le nostre telefonate saranno realizzate con pacchetti di dati I P, a FRPPXWD]LRQHGLSDFFKHWWR, che cercheranno il percorso più congeniale sulla rete I nternet per raggiungere il destinatario. La conversazione sarà costituita da diversi fram m enti (pacchetti) autonom i (perché contengono tutte le inform azioni per raggiungere il destinatario: indirizzo I P, num ero di sequenza, ecc.) che seguiranno percorsi differenti e raggiungeranno il destinatario secondo la corretta sequenza. Diverso è il discorso del 9LGHR RYHU '6/ (VoDSL). I problem i fondam entali sono la qualit à dell im m agine ed il basso fram e-rate (num ero di im m agini al secondo). La trasm issione video richiede una banda di 5-6Mbps per il trasporto di video com presso nel form ato MPEG-2 di buona qualità. I l lim ite di velocità dell ADSL, com e è noto, è di 8Mbps ed a tutt oggi (2005) nessun I SP fornisce all utenza banda ADSL superiore a 2Mbps. I l video su cavo, pertanto, potrà essere offerto da quelle com pagnie telem atiche aventi centrali proprie in fibra ottica che si avvalgono di tecniche trasm issive più veloci. La m assim a velocità dell ADSL dipende da una serie di fattori; i più im portanti sono il tipo di cavo in ram e utilizzato, la distanza tra i m odem ed il tipo di m odulazione. Nella seguente tabella 7 si m ostra la m assim a velocit à di trasm issione dell ADSL in funzione della distanza tra il m odem utente e quello in centrale per due tipi di cavo in ram e: 24 AWG e 26 AWG. 7DE $:*.P $:*.P YHORFLWjGL YHORFLWjGL GRZQORDG0ESV XSORDG.ESV ADSL 6.2 Tecnologia DSL 6.4 Modulazione DMT a cura del prof. Giuseppe Spalierno, docent e di Elet t ronica - ultim a versione febbraio 2005

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