Lucidi delle lezioni del corso di SERVIZI DI TELECOMUNICAZIONI

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1 TELEFONIA FISSA Storia delle Reti Telefoniche IL TELEFONO 1849: Primi esperimenti di Antonio Meucci : Telegrafo Parlante di Meucci 1876: Deposito del brevetto di Alexander Bell 1878: : Prima telefonata interurbana in Italia, tra Ufficio Telegrafico o del Quirinale ed Ufficio Telegrafico di Tivoli 1881: : Inizio del servizio pubblico in Italia con il Capitolato per le concessioni del servizio telefonico all interno delle città e loro sobborghi 1887: 72 Società Concessionarie con utenti Marco Baldi (DIBET) 2 1

2 Storia delle Reti Telefoniche Fine 800 primi 900: trasmissione analogica commutazione manuale (operatore che sposta spinotti ) architettura non gerarchica Anni 20 e 30: introduzione delle reti gerarchiche di lunga distanza introduzione dei primi commutatori semi-automatici (con operatore) Marco Baldi (DIBET) 3 Storia delle Reti Telefoniche Anni 40 e 50: autocommutatori elettromeccanici prima teleselezione Anni 60: introduzione della trasmissione numerica PCM (Pulse Code Modulation) primo commutatore elettronico (USA 65) Marco Baldi (DIBET) 4 2

3 Storia delle Reti Telefoniche Anni 70: diffusione delle reti PCM introduzione dei sistemi di segnalazione a canale comune (SS7) Anni 80: completamento (??) della IDN (Integrated( Digital Network) definizione e prime installazioni di ISDN (Integrated Services Digital Network) diffusione delle reti cellulari analogiche Marco Baldi (DIBET) 5 Storia delle Reti Telefoniche Anni 90: diffusione (??) di ISDN introduzione delle reti intelligenti definizione della Broadband-ISDN (ATM) diffusione delle reti cellulari numeriche : trasporto della voce su reti a pacchetto reti cellulari a commutazione di pacchetto (GPRS) e larga banda (UMTS) Marco Baldi (DIBET) 6 3

4 Rete Telefonica Tradizionale plain old telephone service (POTS( POTS) ) o public switched telephone network (PSTN( PSTN) In un sistema telefonico, si potrebbe pensare di collegare tutti con tutti. Allo scopo, se i terminali sono N,, il numero di collegamenti necessari è: N (N-1)/2 Ad esempio, per collegare 100 terminali occorrono ben 4950 collegamenti. Marco Baldi (DIBET) 7 Rete Telefonica Tradizionale Nel caso di comunicazioni telefoniche, soltanto il 15% circa degli utenti utilizza il sistema contemporaneamente Si utilizzano perciò appositi dispositivi che connettono solo gli utenti simultaneamente attivi. Il numero di connessioni necessarie si riduce a N. La lunghezza complessiva delle connessioni risulta minimizzata. Tali dispositivi possono essere manuali o automatici. Marco Baldi (DIBET) 8 4

5 Misura del traffico Agner Krarup Erlang ( ): 1929): Analisi conversazioni telefoniche statistica delle "The Theory of Probabilities and Telephone Conversations" (1909): modellizzazione del traffico telefonico casuale tramite distribuzione statistica di Poisson Erlang: Unità di misura del traffico telefonico, coincidente col numero medio di chiamate contemporanee Esempi: un ufficio con due operatori che sono sempre occupati genera 2 Erlang di traffico un canale radio occupato per 30 min ogni ora trasporta 0.5 Erlang di traffico Marco Baldi (DIBET) 9 Misura del traffico (2) Tasso medio di nuove chiamate per unità di tempo: λ Durata media delle chiamate: h Traffico medio: A = λh Erlang La misura di traffico serve a stabilire se la rete è correttamente dimensionata per il servizio che deve offrire Marco Baldi (DIBET) 10 5

6 Grado di servizio Il Grado di Servizio (GoS) è il rapporto tra il numero di chiamate bloccate ed il numero di chiamate totali GoS = Nr. Chiamate Bloccate / Nr. Chiamate Totali Esso rappresenta una stima della probabilità di successo che ha un utente che tenta di accedere alla rete Le formule B e C di Erlang servono a prevedere il GoS sulla base di modelli statistici Esse si basano sul modello di processo statistico noto come processo nascita-morte morte Marco Baldi (DIBET) 11 Formula B di Erlang Ipotesi: Numero infinito di sorgenti di traffico (utenti) N collegamenti disponibili Tasso di arrivo delle chiamate costante e pari a λ Durata media delle chiamate pari a h (traffico medio A = λh) Se tutti gli N collegamenti sono in uso,, la chiamata in arrivo viene rifiutata (blocco) Il rifiuto della chiamata è istantaneo (durata nulla) B(N, A) = probabilità di blocco con N collegamenti e traffico A La formula si può calcolare in modo ricorsivo considerando che: B(0, A) 1 AB( N 1, A) BNA (, ) N AB( N 1, A) In forma compatta: BNA (, ) N A N! i N A i! Marco Baldi (DIBET) i

7 Formula C di Erlang Stesse ipotesi della formula B Ma, quando tutti gli N collegamenti sono occupati,, la chiamata viene posta in attesa anziché rifiutata Durata delle attese (lunghezza delle code) infinita P w = probabilità che una chiamata venga posta in attesa P ( N, A) w i N N 1 i 0 N A N N! N A A A N i! N! N A La formula C di Erlang può essere usata per dimensionare il numero di addetti presso un call center al fine di minimizzare la probabilità che l utente venga posto in attesa Marco Baldi (DIBET) 13 Modelli di Reti Telefoniche RETE MONOCENTRICA RETE POLICENTRICA, NON GERARCHICA TERMINALE D UTENTE CENTRALE URBANA RETE DI GIUNZIONE CENTRALI URBANE LINEA D UTENTE E una rete a a stella o radiale semplice. Le linee d utente d costituiscono, nel loro insieme, la rete di distribuzione. La rete comprende diverse centrali urbane, ciascuna con una propria rete di distribuzione. Ogni centrale è collegata alle altre mediante linee di giunzione che costituiscono la rete di giunzione. Marco Baldi (DIBET) 14 7

8 Modelli di Reti Telefoniche RETI POLICENTRICHE MULTILIVELLO (GERARCHICHE) Per consentire i collegamenti a lunga distanza le centrali urbane e sono collegate a centrali di livello superiore che hanno la funzione di instradare le comunicazioni verso le destinazioni richieste. RETE A MAGLIA RETE DI COMUNICAZIONE A GRANDE DISTANZA, O DI TRASPORTO CENTRALE DI TRANSITO RETI AD ANELLO RETE DI ACCESSO CENTRALE URBANA STADI DI LINEA Le centrali urbane collegate tra loro ad anello costituiscono, insieme agli stadi di linea ed alle reti di distribuzione, la rete di accesso Le centrali urbane sono collegate, direttamente o attraverso una centrale urbana di livello superiore, alle centrali di transito della rete di trasporto Marco Baldi (DIBET) 15 Rete di Accesso e di Trasporto Tecnicamente una centrale telefonica può essere: Stadio di Linea(SL) Stadio di Gruppo Urbano (SGU) Stadio di Gruppo di Transito (SGT) Marco Baldi (DIBET) 16 8

9 Rete Italiana (anno 2000) Gli stadi di linea (SL) sono connessi allo Stadio di Gruppo Urbano (SGU) tramite fibre ottiche o ponti radio, con capacità che dipendono dal numero e dal tipo di utenti e almeno pari a 155 Mbps. Gli SGU sono connessi agli Stadi di Gruppo di Transito (SGT) tramite fibre ottiche. Ogni fibra può portare da 622 a 2500 Mbps. Gli SGT sono connessi ai tre gate internazionali (Milano, Roma, Palermo) che, a loro volta, sono connessi a centri intercontinentali (Per gli USA esso è in Olanda). Il traffico è trasportato oltre l Oceano l Atlantico da fibre con capacità di 40 Gbps (equivalenti a canali telefonici). In Italia esistono circa 9000 SL, mentre SGU e SGT sono rispettivamente 650 e 61. Marco Baldi (DIBET) 17 Rete Italiana (anno 2000) Da ogni stadio di linea partono cavi da 2400 coppie (doppini) che vanno agli armadi di concentrazione, solitamente posti in strada. Dagli armadi di concentrazione partono cavi da 60 coppie fino alle torrette (alte 1 metro circa e situate in strada). Dalle torrette partono 6 grossi cavi da 10 doppini ciascuno che arrivano sotto casa dell'utente in una scatola detta in gergo chiostrina. Essa contiene 10 collegamenti composti da due morsetti a cui viene collegato il cavo telefonico dell'utente. Il cavo termina, presso la sede dell'utente, con una presa tripolare o RJ11. Marco Baldi (DIBET) 18 9

10 Segnalazione La gestione di tutte le funzioni realizzate da una rete a commutazione di circuito richiede lo scambio di informazioni relative alla gestione stessa Lo scambio di tali messaggi necessari al corretto funzionamento della rete si chiama SEGNALAZIONE Esistono due tipi di segnalazione: di UTENTE (tra utente e rete) di RETE (tra nodi distinti della rete) Marco Baldi (DIBET) 19 Segnalazione di Rete Segnalazione Associata al Canale (CAS( CAS) Le informazioni di controllo viaggiano sullo stesso mezzo trasmissivo del segnale vocale. La segnalazione può avvenire: In Banda Fonica Fuori Banda Fonica Segnalazione a Canale Comune (CCS( CCS) Le informazioni di controllo viaggiano su un canale unico e differente da quello del segnale vocale Marco Baldi (DIBET) 20 10

11 Segnalazione di Utente La segnalazione di utente si può suddividere in: Segnali di supervisione o di linea usati per la richiesta/notifica di instaurazione o rilascio di una chiamata (sgancio ed aggancio del telefono) Segnali di indirizzo o di registro contenenti l'identificativo del chiamato (numero) Toni ed annunci udibili dall'utente e relativi allo stato della chiamata Marco Baldi (DIBET) 21 Segnalazione Inter-Nodo Associata al Canale Forma più semplice di segnalazione di rete Serve quando una chiamata coinvolge utenti attestati su nodi di accesso differenti Trasferisce direttamente nella rete i segnali dovuti agli utenti (supervisione, indirizzo, toni) I sistemi di questo tipo (CAS) sono essenzialmente tre: No.5,, usato per collegamenti lunghi, intercontinentali e satellitari analogici. Permette a m giunzioni di condividere n portanti trasmissive tramite la tecnica TASI (Time Assignment Speech Interpolation) ) per l'assegnazione dinamica delle portanti alle singole giunzioni tramite soppressione del silenzio R1 ed R2,, usati per collegamenti regionali, il primo in Nord America, il secondo in Europa, Sud America, Asia ed Australia Marco Baldi (DIBET) 22 11

12 Segnalazione Inter-Nodo a Canale Comune Forma evoluta di segnalazione di rete che si va sostituendo alla precedente Apposita "Rete di Segnalazione" composta da: Signalling Point (SP( SP): nodi di origine e di destinazione dei messaggi di segnalazione Signalling Transfer Point (STP( STP): nodi di transito dei messaggi di segnalazione Signalling Links (SL): collegamenti fra nodi, siano essi di origine, destinazione o transito I messaggi di segnalazione sono generati dalle centrali di commutazione telefonica, pertanto i nodi SP coincidono con nodi della rete servita Tipologie di reti di segnalazione: Rete associata: : esiste un SL per ogni fascio di giunzioni della rete servita Rete quasi-associata associata Rete non-associata associata: : esistono SL solo tra SP e STP Marco Baldi (DIBET) 23 Reti di Segnalazione Associate e Non Associate Rete Associata Rete Non Associata collegamenti voce collegamenti segnalazione commutatori segnalazione commutatori voce Marco Baldi (DIBET) 24 12

13 Piano di Utente Marco Baldi (DIBET) 25 Piano di Controllo Marco Baldi (DIBET) 26 13

14 Il Sistema di Segnalazione N. 7 (SS#7) E' il sistema di segnalazione più diffuso al mondo E' di tipo "a" a canale comune numerico" " (tutti i collegamenti sono numerici a 64 kbps) Ha capacità di controllo delle condizioni di carico della rete Realizza un trasferimento affidabile dei messaggi di segnalazione La rete di segnalazione funziona a commutazione di pacchetto con pacchetti di dimensione massima pari a 560 bit Architettura protocollare "a" a strati" Marco Baldi (DIBET) 27 Architettura di SS#7 MTP (Message Transfer Part) trasferisce i messaggi generati dai livelli superiori: MTP-1: : si interfaccia col mezzo trasmissivo MTP-2: : gestisce il trasferimento delle trame tra SP con recupero degli i errori MTP-3: : instrada i messaggi di segnalazione secondo tabelle di routing TUP (Telephone User Part): gestisce le chiamate selezionando passo-passo le giunzioni internodo, ormai superato da ISDNUP ISDNUP (ISDN User Part): implementa le procedure per impegnare, gestire e rilasciare i circuiti di tronco per le chiamate vocali e dati SCCP (Signalling Connection Control Part): trasferisce messaggi non relativi alla gestione di giunzioni foniche. Insieme ai 3 livelli MTP costituisce il NSP (Network Service Part) TCAP (Transaction Capabilities Application Part): supporta il trasferimento di messaggi relativi alla fornitura di nuovi servizi attraverso SCCP (numeri verdi ) Marco Baldi (DIBET) 28 14

15 Architettura di SS#7 Marco Baldi (DIBET) 29 La Rete Intelligente Nuovi Servizi Numeri verdi e rete 800 Centralizzazione dei servizi Convergenza fonia/dati/mobilita` Il termine Rete Intellgente (RI) si riferisce alla possibilita` di fornire servizi supplementari ad elevato valore aggiunto RI definisce una architettura di segnalazione incrementale rispetto a SS#7 E` basata sulla centralizzazione dei servizi in nodi appositi esterni rispetto ai piani di utente e di controllo della rete Marco Baldi (DIBET) 30 15

16 La Rete Intelligente La RI e` basata su standard ITU-T T che garantiscono l interoperabilita` ` delle RI di operatori diversi, anche a livello internazionale L introduzione deve essere incrementale sulle reti esistenti ed e` stata divisa in Capability Sets Il fine ultimo e` l integrazione l funzionale delle reti specializzate nella UPT (Universal Personal Telecommunications) CS1: : Approvato nel 92 e rivisto nel 95, definisce il protocollo applicativo per l implemetazionel di rete intelligente, Intelligent Network Application Part (INAP), e le prime funzioni da supportare CS2: : Definito tra il 94 ed il 98 mira alla gestione della mobilita` e dei servizi a larga banda CS3: : In fase di definizione... Marco Baldi (DIBET) 31 La Rete Intelligente CS1 Numero Verde Selezione abbreviata Completamento della chiamata su occupato Reinstradamento delle chiamate Addebiti al chiamato e su carta telefonica Televoto Reti Private Virtuali Numero personale Marco Baldi (DIBET) 32 16

17 La Rete Intelligente CS2 Gestione avanzata della mobilita (es. instradamento programmato in funzione dell ora) Interoperabilita` dei servizi Supporto della gestione di rete Indipendenza del numero dall instradamento Autenticazione e registrazione dell utente indipendentemente dal terminale usato... Marco Baldi (DIBET) 33 La Rete Intelligente CS3 Completa separazione del servizio dalla rete di trasporto Profilo di utente memorizzato dalla rete (modificabile e context dependent ) Integrazione completa tra RI, rete a larga banda e reti cellulari Convergenza telefonia-internet internet... Marco Baldi (DIBET) 34 17

18 La Rete Intelligente Architettura SMP data base SCP SCP data base SMP SSP SSP: Service Switching Point SCP: Service Control Point SMP: Service Managing Point SSP SSP INAP links Marco Baldi (DIBET) 35 La Rete Intelligente Funzionamento SSP e` associato alla centrale locale, in sua assenza RI non puo` funzionare Il servizio RI e` riconosciuto in base al numero (es. numero verde) oppure in base a segnalazione successiva (es. 5 per richiamata su occupato) SCP ed SMP (+basi( dati) possono essere centralizzati in un unico punto oppure distribuiti a seconda dei servizi Marco Baldi (DIBET) 36 18

19 Codifica Vocale Campionamento e Quantizzazione ampiezza tempo Marco Baldi (DIBET) 37 Codifica Vocale Pulse Amplitude Modulation (PAM) Marco Baldi (DIBET) 38 19

20 Codifica Vocale Pulse Code Modulation (PCM) Marco Baldi (DIBET) 39 Decodifica Vocale LPF Marco Baldi (DIBET) 40 20

21 Codifica Vocale - Parametri Harry Nyquist,, matematico della Bell, derivò nel 1933 la relazione secondo cui una forma d'onda deve essere campionata ad una frequenza di campionamento almeno doppia della sua larghezza di banda se si vuole ricostruirla fedelmente senza incorrere nel fenomeno dell'aliasing L'informazione portata dalla a voce umana, sebbene questa possa assumere frequenze comprese tra 50 e Hz, è per il 99% contenuta nella banda compresa tra 300 e 3400 Hz. 4 khz è la dimensione della banda audio nei canali telefonici analogici In accordo con il teorema di Nyquist,, la frequenza di campionamento è stata fissata a 8 khz La codifica PCM avviene su 8 bit (256 livelli) Ne risulta una frequenza di cifra pari a 64 kbps per un singolo canale telefonico digitale Marco Baldi (DIBET) 41 Codifica Vocale PCM e Quantizzazione 256 livelli 127 positivi negativi + 2 nulli I 256 livelli sono suddivisi in 8 bande dette chords, ciascuna suddivisa in 16 steps Marco Baldi (DIBET) 42 21

22 Codifica Vocale Quantizzazione Lineare Intervalli di valori del segnale di pari ampiezza sono codificati sempre con lo stesso numero di livelli Marco Baldi (DIBET) 43 Codifica Vocale Quantizzazione Logaritmica Companding Uso di COMP(ression ression) ) (exp( exp)ander Marco Baldi (DIBET) 44 22

23 Codifica Vocale Tecniche Tecniche più evolute permettono di ridurre la frequenza di cifra necessaria per il segnale telefonico numerico Standard G.711 Codifica Pcm Banda segnale vocale 64 Kbps Banda IP 80 Kbps 5,6 Kbps 16,27 Kbps 6,4 Kbps 17,07 Kbps G.726 Adpcm 32 Kbps 48 Kbps G.728 Ld-Celp 16 Kbps 32 Kbps G.729(A) Cs-Acelp 8 Kbps 24 Kbps Marco Baldi (DIBET) 45 23