Cavi e cablaggio strutturato

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1 Dispensa sui mezzi trasmissivi, pagine estratte dal testo Ambrosini, Maini, Perlasca Le telecomunicazioni, 2012 Tramontana Editore Cavi e cablaggio strutturato 1. Introduzione I mezzi trasmissivi sono i canali fisici nei quali l informazione, sotto forma di grandezza fisica, si propaga dal trasmettitore al ricevitore. I mezzi utilizzati si sono evoluti nel tempo con il miglioramento delle tecniche e delle tecnologie. Si pensi ai segnali luminosi a distanza usati da cinesi, indiani o greci nel 200 a. C. o ai messaggeri a cavallo nei servizi postali creati dai Tasso per Venezia e per lo Stato Pontificio nel Attualmente i mezzi più utilizzati sono i cavi metallici, le guide d onda, le fibre ottiche, il canale radio e il canale ottico ad infrarossi. I primi tre sono canali che guidano il segnale all interno di un supporto fisico, mentre negli ultimi il segnale si propaga nello spazio per cui servono opportuni apparati che consentono di ottimizzare l invio e la ricezione delle onde irradiate. Nella presente unità di lavoro si approfondirà lo studio delle linee di trasmissione metalliche, nelle successive il canale radio e le fibre ottiche. 2. Le linee di trasmissione Doppino intrecciato (Twisted Pair) Con il nome di linee di trasmissione si definiscono tutti le linee metalliche costituite generalmente da due conduttori attraverso i quali si propagano segnali di tensione e di corrente. I due mezzi maggiormente utilizzati sono il doppino intrecciato (twisted pair) ed il cavo coassiale. Il doppino (figura 1) è costituito da due fili metallici, ciascuno ricoperto da isolante, che vengono intrecciati per ridurre i disturbi dovuti ai campi elettromagnetici esterni. A causa dell intreccio, le correnti indotte sono alternativamente di verso opposto e quindi tendono ad annullarsi. Questo supporto è utilizzato nelle terminazioni d utente delle linee telefoniche, nei collegamenti tra terminali delle reti LAN (con eventuale schermatura aggiuntiva). Presenta i vantaggi di costi ridotti, della flessibilità e leggerezza che facilita il cablaggio. Lo svantaggio è dato dall elevata attenuazione soprattutto a medie ed alte frequenze e dalla sensibilità ai disturbi elettromagnetici. Inoltre poiché nei cavi sono presenti numerosi coppie di doppini intrecciati si ha un elevata interferenza reciproca tra segnali diversi inviati su doppini adiacenti (disturbo chiamato diafonia). Figura 1- Doppino intrecciato ed effetto delle correnti indotte. Cavo Coassiale Un miglioramento delle prestazioni si ha con il cavo coassiale (figura 2). Questo è costituito da due conduttori coassiali separati da materiale isolante, uno interno nel quale vi è presente il segnale ed uno esterno generalmente costituito da una calza metallica collegata a massa che ha la funzione di schermo elettromagnetico. Il segnale elettrico interno risulta protetto dai disturbi elettromagnetici presenti nell ambiente circostante così P.Maini Mezzi trasmissivi pag.1/16

2 come il segnale informativo non irradia all esterno del cavo e quindi non crea interferenze ad altri segnali. Figura 2- Cavo coassiale. Il costo superiore, la rigidezza del cavo e la maggiore precisione necessaria per le connettorizzazioni ne consigliano l uso solo per applicazioni nelle quali il doppino è inefficace: trasmissioni ad alta frequenza, collegamento tra strumenti di misura, acquisizione di segnali di debole intensità. 3. Cablaggio strutturato Finalità del cablaggio strutturato Il diffondersi delle reti locali di computer ha portato ad un utilizzo sempre maggiore di cavi per connettere computer, stampanti, modem, router, ecc. Le velocità di trasmissione dei dati è pari o superiore alle decine di Mbit/sec e le distanze tra i dispositivi superano qualche metro, per cui è necessario che le linee abbiano caratteristiche di bassa interferenza e di buon adattamento affinché la comunicazione tra i computer sia corretta. Dopo un periodo iniziale di deregulation è sorta l esigenza internazionale di definire regole condivise che stabilissero le caratteristiche dei mezzi e dei collegamenti tra apparati. E stato quindi chiamato cablaggio strutturato l insieme di norme che definiscono le specifiche per le connessioni di rete: le topologie di rete, gli elementi da usare per il cablaggio, i mezzi trasmissivi, le dorsali tra i piani, il cablaggio orizzontale nell area di lavoro, le regole di installazione, le sigle da dare ai cavi e la documentazione da tenere. Lo scopo delle norme è di garantire le prestazioni migliori del sistema di cablaggio della rete e di potere certificare la misurazione di queste. Un buon cablaggio strutturato deve permettere una facilità di installazione e di manutenzione, deve prevedere un riutilizzo della rete anche con dispositivi di livello superiore (in termini di velocità di trasmissione e di aumento delle postazioni collegate), deve assicurare un affidabilità e stabilità delle prestazioni nel tempo. Il termine strutturato deriva dal fatto che il principio su cui si basano le norme prevede un sistema di collegamenti gerarchici che da un punto centrale collega attraverso punti intermedi le postazioni dei singoli apparati (figura 8). P.Maini Mezzi trasmissivi pag.2/16

3 Struttura del cablaggio di rete Figura 8 Schema di cablaggio strutturato di un edificio. Figura 9 - Conduttore a trefoli (a) e a filo pieno (b). Area di lavoro Area di lavoro Area di lavoro Cablaggio orizzontale Cablaggio orizzontale Cablaggio orizzontale Sala Apparati Dorsale Sala Apparati Sala Apparati La rete viene suddivisa in aree di lavoro (working areas) dove si trovano le postazioni che sono collegate ad un armadio (telecommunications closet) o ad una sala apparati (telecommunications room). Queste ultime postazioni sono collegate tra loro o a stella o a catena mediante dorsali (backbones) realizzate con cavi in rame o fibre ottiche di qualità elevata per supportare le grandi quantità di dati che le diverse aree di lavoro si possono scambiare. Il collegamento tra le postazioni di lavoro e gli apparati di collegamento di ogni piano è generalmente a stella ed è chiamato cablaggio orizzontale (orizzontal wiring). La descrizione delle specifiche relative a tutti gli aspetti del cablaggio strutturato è rimandata a testi specifici 1, qui si trattano solo gli aspetti relativi ai cavi di collegamento. Questi possono essere doppini intrecciati, cavo coassiale o fibra ottica. La tipologia maggiormente utilizzata è il cavo a coppie di doppini intrecciati, i cavi coassiali sono ormai abbandonati in quanto i doppini schermati hanno ormai prestazione adeguate alle esigenze delle reti. Le fibre si usano solo per collegamenti a lunga distanza e con capacità di trasmissione dell ordine dei Gbit/sec. Il doppino intrecciato è facile da installare, economico e semplice da connettere. Il cavo standard è costituito da quattro coppie di doppini. Ogni conduttore può essere a filo pieno o a trefoli, cioè formato da fili più piccoli arrotolati (figura 9). Nel secondo caso diminuisce la conduttività ma migliora la flessibilità e la resistenza del filo nelle piegature delle condotte. Le norme prescrivono sezioni dei conduttori dell ordine di 0,4 0,6 mm, che corrispondono a circa AWG. L AWG (American Wire Gauge) è l unità di misura utilizzata in ambito internazionale per i conduttori metallici, la scala è geometrica a regressione con 39 valori nell intervallo da 0 AWG (corrispondente a 11,684 mm) a 36 AWG (corrispondente a 0,127 mm). Minore è il valore dell AWG maggiore è il diametro del conduttore che quindi ha una perdita inferiore. Come regola pratica si può ricordare che per ogni diminuzione di 6 AWG si ha circa il raddoppio del diametro del conduttore. Il cavo formato da doppini non schermati è chiamato UTP (Unshielded Twisted Pair). Per migliorare la protezione rispetto alle interferenze si possono schermare i cavi o con un sottile foglio metallico collegato ad un filo per la messa a terra, o con un calza metallica esterna. Nel primo caso il cavo è denominato FTP (Foiled Twisted Pair), nel 1 Ad esempio J. Trulove LAN Wiring, 2006 McGraw-Hill. P.Maini Mezzi trasmissivi pag.3/16

4 Figura 10- Cavo UTP (a): doppini intrecciati non schermati; cavo FTP (b): doppini intrecciati schermati da un foglio metallico: cavo S/FTP (c): coppie di doppini intrecciati ciascuna schermata da un foglio metallico e calza esterna di schermatura del cavo. Tabella 3 Classificazion e dei cavi seconda la norma EIA- 568-C. secondo STP (Shielded Twisted Pair). Per avere una schermatura superiore si prevede un foglio di schermatura per ogni coppia di doppini a queste scheramature se ne aggiunge una ulteriore per l intero cavo (S/FTP Shielded/ Foiled Twisted Pair o F/FTP Foiled/ Foiled Twisted Pair). In figura 10 alcuni esempi di questi cavi. Per facilitare la scelta dei cavi, questi vengono classificati in categorie crescenti determinate sulla base sia delle applicazioni che delle frequenze di trasmissione: la categoria 1 si riferisce ai cavi peggiori adatti unicamente alla telefonia analogica mentre la 7 (ancora in fase di proposta) si riferisce a cavi completamente schermati per reti a 10 Gbit/sec. La normativa di riferimento è la ANSI-TIA-EIA-568 che dal 1991 ha definito la Categoria 5 per le LAN a 100 Mbit/sec. Questi cavi sono ancora oggi quelli maggiormente diffusi nei cablaggi strutturati. L esigenza di collegamenti di rete a velocità sempre maggiore ha portato i comitati ha definire nel 1999 la categoria superiore categoria 5e e nel 2002 la nuova categoria 6 (TIA-568-B.2-1) con prestazioni ancora più severe per le interferenze e la diafonia. Nel 2006 viene emanata la nuova versione degli standard EIA-568-C che prescrive il cablaggio per reti a 10 Gbit/sec con supporti in doppino, fibra e coassiale. Quest ultima normativa riprende e riordina le definizioni delle categorie inferiori e delle applicazioni previste dagli standard precedenti. Al momento vi è anche una categoria 7, non ancora definitivamente approvata, che utilizza fibre ottiche o cavi schermati S/FTP o F/FTP. In tabella 3 sono riportate le categorie ridefinite dalla EIA-568-C. Classificazioni AWG Impedenza caratteristica Frequenza segnali Applicazioni Categoria Non specificata Audio, DC Altoparlanti, citofoni Categoria Non specificata fino a 1,5 MHz Telefonia analogica Categoria Ω ± 10% fino a 16 MHz 10BaseT, 4/16 Token-Ring Categoria Ω ± 10% fino a 20 MHz 10BaseT, 4/16 Token-Ring Categoria 5/5e Ω ± 10% fino a 100 MHz 100BaseTX, ATM, 1000BaseT Categoria Ω ± 10% fino a 200 MHz 1000BaseTX Categoria Ω ± 10% fino a 1,2 GHz 10GBase, multimediali (proposta) P.Maini Mezzi trasmissivi pag.4/16

5 Alla fine del 1800 Guglielmo Marconi durante i suoi primi esperimenti sulla trasmissione senza fili scoprì che collegando all oscillatore di trasmissione un filo o un altro conduttore metallico poteva aumentare la distanza della trasmissione. Diede il nome di antenna al conduttore che veniva issato in alto, prendendo il nome da un termine marinaro che indicava un palo dell albero maestro. Le prime antenne marconiane (ancora visibili a Villa Grifone) erano cubi metallici issati su di un palo e collegati tramite un filo al trasmettitore. In successivi esperimenti usò antenne filiformi collegate ad aquiloni ( i draghi volanti ) per issarle a decine di metri di altezza rispetto alla terra. Il vuoto e le antenne Fig. 2- Propagazione di onde elettromagnetiche trasversali (TEM). 1. Le onde elettromagnetiche Si consideri un conduttore filiforme percorso da una corrente i(t) come in figura 1, per la legge di Ampere si origina un campo magnetico nel piano perpendicolare al conduttore: per la legge di Faraday la variazione di campo magnetico genera un campo elettrico concatenato ma perpendicolare al flusso magnetico. A sua volta la variazione di flusso di campo elettrico E genera un successivo campo magnetico H, che a sua volta produce un campo elettrico E, e così in successione. In questo modo si crea un onda che trasporta un campo elettrico ed un campo magnetico associato. L onda si propaga nello spazio dal conduttore verso l esterno. Fig. 1- Onde elettromagnetiche generate da un conduttore percorso da corrente. Le caratteristiche di queste onde elettromagnetiche (figura 2) è che i due campi sono perpendicolari tra loro e la direzione di propagazione è a sua volta perpendicolare ad entrambi: sono onde trasversali (TEM Transverse ElectroMagnetic waves). E H S Vettore di Poynting Se si esegue il prodotto vettoriale tra campo elettrico E e magnetico H si ottiene un terzo vettore S, chiamato vettore di Poynting, che fornisce tutte le informazioni principali sull onda: S E H 1 La direzione ed il verso di questo vettore indicano la propagazione nello spazio ed il valore del modulo è la densità di potenza elettromagnetica inviata, misurata in Watt/m 2 : S E H [W/m 2 ] 2 Queste onde, trasportando campi elettromagnetici, non necessitano di un mezzo composto da particelle, per cui si propagano sia nel vuoto che in mezzi densi, con opportune attenuazioni. Nel caso incontrino superfici metalliche, analogamente a quanto avviene per i cavi chiusi in corto-circuito, verranno totalmente riflesse con uno sfasamento del campo elettrico di 180. P.Maini Mezzi trasmissivi pag.5/16

6 Polarizzazione dell onda Velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche non necessitano di un mezzo fisico per propagarsi e la massima velocità di propagazione si ha Classificazione delle onde e.m. Tabella 1 Classificazione standard delle bande dei segnali ad onde elettromagnetiche. Come detto queste onde sono trasversali nel senso che i campi E ed H sono perpendicolari alla direzione di propagazione, La direzione del campo elettrico E indica la polarizzazione dell onda. Se il campo elettrico rimane sempre perpendicolare al suolo si dice che l onda è polarizzata verticalmente, se rimane parallelo al suolo polarizzata orizzontalmente, invece se durante la propagazione si ha la rotazione dei campi sempre nel piano perpendicolare alla direzione dell onda, questa è polarizzata ellitticamente o circolarmente. Le onde polarizzate circolarmente sono meno soggette a disturbi atmosferici e a quelli della ionosfera. La direzione di polarizzazione deriva dal verso del campo elettrico generato dal dispositivo di trasmissione, e quindi dalla geometria e dalle alimentazioni dello stesso. Affinché si abbia la massima ricezione occorre che anche il dispositivo ricevente abbia la stessa direzione di polarizzazione. Queste onde avendo la stessa natura della luce si propagano nello spazio alla sua stessa velocità c: 1 c0 c0 c 7 n r ove ε e μ sono la costante dielettrica e la permeabilità magnetica del mezzo attraversato; ε r e μ r costante dielettrica relativa e la permeabilità magnetica relativa del mezzo attraversato; n è l indice di rifrazione e c 0 la velocità della luce nel vuoto uguale a m/sec. Si noti che per mezzi diversi dal vuoto (in pratica anche per l aria) risulta n>0, pertanto la velocità di propagazione è massima nel vuoto (aria). Per segnali sinusoidali di frequenza f, i valori dei campi elettromagnetici si ripetono nello spazio ad ogni lunghezza d onda λ, data da r c 8 f Questo relazione è molto importante perché nelle radiocomunicazioni le onde vengono classificate sulla base delle frequenze e delle lunghezze d onde. La lunghezza d onda è inoltre un parametro fondamentale per la realizzazione delle antenne e per il calcolo della propagazione in aria dei segnali. Lo standard internazionale prevede bande di frequenze numerate con un valore N che definisce i limiti della banda da 0,3 10 N a 3 10 N. In tabella 1 sono riportate le bande per onde elettromagnetiche. Banda Frequenza λ Sigla Nome Applicazioni khz km VLF Very Low Frequencies Trasmissioni a bassa frequenza, radionavigazione, radiotelegrafia khz 10-1 km LF Low Frequencies Trasmissioni a onde lunghe, radiotelegrafia 6 0,3-3 MHz 1-0,1 km MF Medium Frequencies Trasmissioni a onde lunghe, radiodiffusione (AM) MHz m HF Very Low Frequencies Trasmissioni a onde corte, radiotelegrafia MHz 10-1 m VHF Very High Frequencies Radiodiffusione (FM), Radiotrasmissione TV 9 0,3-3 GHz 1-0,1 m UHF Ultra High Frequencies Radiotrasmissione TV, telefonia mobile GHz mm SHF Super High Frequencies Trasmissione satellitare, radar, ponti radio GHz 10-1 mm EHF Extremely High Frequencies Trasmissione tra satelliti, radar Per applicazioni ISM (Industrial, Scientific, Medical) sono riservate alcune bande per le quali non si richiede la licenza per l utilizzo. In tabella 3 sono riportate alcune di queste utilizzate nell uso comune. Tabella 3 Bande riservate ad applicazioni ISM. Frequenza Applicazioni 26,957 27,283 MHz Radioamatori di Banda Cittadina (CB) MHz , ZigBee 2,4 2,5 GHz Forni a microonde, Bluetooth, WiFi b, g, , ZigBee 5,725 5,875 GHz WiFi a P.Maini Mezzi trasmissivi pag.6/16

7 Gli strati dell atmosfera terrestre Troposfera: fino a 12 km; i fenomeni meteorologici influiscono sulla propagazione. Stratosfera: tra 12 e 60 km; non influenza la propagazione. Ionosfera: da 60 e oltre 400 km; diffrazione sotto i 30 MHz. Fig. 3- Modalità di propagazione di onde elettromagnetiche nell atmosfera terrestre (a), zona del silenzio e distanza di skip(b). La propagazione nell atmosfera Idealmente nello spazio le onde si propagano in maniera rettilinea, mentre nell atmosfera terrestre la propagazione dipende sia dalla frequenza dei segnali sia dagli strati che attraversano. L atmosfera che circonda la terra può essere suddivisa in tre zone di seguito descritte. La troposfera dal suolo fino a circa km, nella quale le onde elettromagnetiche sono influenzate dai fenomeni meteorologici; La stratosfera compresa tra i 12 e i 60 km, con bassa densità gassosa e quindi senza grande influenza nella propagazione; La ionosfera che si estende dai 60 km ad oltre i 400 km di altezza; vi è una forte presenza di cariche libere, ioni ed elettroni, determinate dalle radiazioni ultraviolette del sole. La densità delle cariche non è omogenea ma varia con l altezza e con l irraggiamento solare, per cui le sue caratteristiche mutano di giorno e di notte. In questo strato le onde elettromagnetiche di frequenza inferiore a circa 30 MHz subiscono sia una curvatura delle traiettorie per effetti di diffrazione sia la riflessione totale che le rimanda verso la superficie terrestre. Per frequenze superiori le onde non vengono deviate ma si propagano attraverso i vari strati della ionosfera in maniera rettilinea, con debole attenuazione da parte delle cariche libere. a) b) Tipologie di onde e.m, in atmosfera Angolo limite: con un angolo di incidenza inferiore non c è riflessione. Distanza di skip: distanza minima di ricezione tramite onda riflessa. A causa di queste interazioni con l atmosfera e con la superficie terrestre le onde elettromagnetiche possono propagarsi in diversi modi (figura 3). Si hanno le onde dirette quando i due punti di trasmissione e di ricezione sono in visibilità, la propagazione può essere rettilinea o curvilinea dovuta alla rifrazione dell aria. Le onde di superficie invece sono onde che seguono la curvatura del suolo terrestre e sono soggette a diffrazione, attenuazione e riflessioni dipendenti dalla natura e forma delle superficie terrestre. Le onde spaziali invece sono le onde dirette verso la ionosfera che vengono poi riflesse da questa sulla superficie terrestre. La riflessione avviene se l angolo di incidenza della radiazione supera un valore limite (detto angolo limite), per cui per avere riflessione occorre che la direzione dell onda verso la ionosfera sia sufficientemente inclinata. A causa di questo fenomeno vi è una zona, detta zona del silenzio, all interno della quale non è possibile ricevere nessun tipo di onda, a meno di avere un antenna sufficientemente alta (come mostrato in figura 3b). La distanza minima di ricezione dell onda riflessa spaziale che limita la zona del silenzio è detta distanza di skip. 2. Le antenne I dispositivi che permettono di irradiare le onde elettromagnetiche nello spazio sono le antenne. Gli stessi dispositivi sono in grado di intercettare le onde e trasformare i campi elettromagneti in segnali elettrici. P.Maini Mezzi trasmissivi pag.7/16

8 Le tipologie e le forme delle antenne dipendono sia dalle lunghezze d onda dei campi elettromagnetici che si vogliono trasmettere e ricevere sia dalle prestazioni richieste dal collegamento. Fig. 4- Antenna a dipolo hertziano. La più semplice antenna può essere costituita da un tratto di linea terminata in circuito aperto (figura 4). Se i due conduttori sono vicini nella linea si hanno onde di tensione e di corrente sia dirette che riflesse, secondo quanto trattato nella precedente unità di lavoro. Se invece si aprono i due conduttori di 90, le onde di corrente e tensione generano onde di campi magnetici ed elettrici che si propagano dal generatore verso lo spazio circostante. Le onde generate si diffondono in tutto lo spazio con conseguente riduzione della densità di potenza irradiata nell allontanarsi dall antenna. Se viceversa la medesima antenna è investita da un flusso di onde elettromagnetiche, nei conduttori si indurranno segnali di corrente e di tensione proporzionali alla potenza dei campi magnetici ed elettrici ricevuti. Non solo teoria 10B.1 L antenna parabolica L antenna a riflettore parabolico, o semplicemente antenna parabolica (in figura quella in uso presso il centro spaziale del Fucino, presso Avezzano (AQ)) è una delle antenne più utilizzate per la trasmissione delle microonde. La sua caratteristica è di avere una superficie conduttiva di forma parabolica che, per le proprietà geometriche, riflette nel suo fuoco tutte le onde parallele al suo asse o al contrario riflette tutte le onde emesse dal fuoco nella direzione parallela all asse. Utilizzata in ricezione questa proprietà permette di convogliare nel punto focale tutte le onde provenienti da grande distanza che possono considerarsi parallele all asse. In trasmissione, invece, consente di convogliare le onde emesse dal fuoco secondo una sola direzione, quindi di generare un fascio parallelo e rettilineo. Perciò l antenna è molto direttiva e dotata di un elevato guadagno, per questi motivi è utilizzata per le trasmissioni satellitari dove, a causa delle distanze, le attenuazioni da spazio libero sono elevate. P.Maini Mezzi trasmissivi pag.8/16

9 . LE RETI E I DISPOSITIVI WIRELESS 1. Reti WLAN Abbastanza presto, nello sviluppo delle reti telematiche e di Internet, si è posto il problema di garantire accesso alle reti dati da parte di postazioni mobili, o comunque di connessioni che non richiedessero cablaggio fisico, costoso e complicato specie se da effettuare in strutture ed edifici preesistenti. E' così nata la tecnologia WLAN, acronimo per Wireless Local Area Network, rete locale senza fili. In realtà sotto l'acronimo WLAN si raggruppano tipologie diverse: Le reti Wireless: per liberarsi della schiavitù dei cavi Le WLAN propriamente dette, a livello di abitazione, singolo edificio o spazio pubblico limitato (locali pubblici, scuole, aziende, centri commerciali) Le PAN (Personal Area Network, rete personale), che connettono oggetti di solito usati da un singolo utente su brevi distanze (accessori wireless e computer, auricolari e sistemi audio.) Le WAN wireless (wireless Wide Area Network, reti senza fili su vasta area), che coprono sostanzialmente centri urbani. Vedremo rapidamente tre tipi di reti wireless oggi particolarmente diffusi: La WIFI, che è una WLAN propriamente detta, ma che oggi si sta evolvendo in WAN. Il Bluetooth, che è la PAN più diffusa. Lo standard ZIGBEE, WLAN/PAN pensata in particolare per applicazioni di telecontrollo e domotica. 2. WIFI I PC in rete sulle onde radio Il WIFI (qualcosa come Wireless Fidelity, un calco sulla sigla hifi) è una tecnica utilizzata sostanzialmente in due modi: 1. Per connettere in wireless dispositivi (in genere computer, ma oggi anche smart phones) a una rete fissa tramite un Access Point (Figura 1) - o a Internet - tramite un Router, cioè un dispositivo in grado di ridirezionare su Internet i pacchetti dati scambiati via WiFi. 2. Per connettere direttamente fra loro dispositivi, come console giochi multiplayer, sottosistemi di impianti audio e in generale apparati di elettronica consumer, ed è la cosiddetta modalità WiFi ad hoc. P.Maini Mezzi trasmissivi pag.9/16

10 Figura 1 Accesso a una rete attraverso il WiFi Il WiMax Il WiMax (standard IEEE , con diversi sottostandard) è una sorta di WiFi potenziato. E' stato concepito soprattutto per offrire un'alternativa al cavo o alla ADSL nella copertura dell'"ultimo miglio", cioè nella connessione delle reti WLAN e di Internet all'utente finale. Tendenzialmente è destinato a sostituire il WiFi nelle reti urbane, e a supportare servizi VoIP e IPTV (Voice over Internet Protocol, Internet Protocol TeleVision), cioè di telefonia e televisione via Internet. A differenza del WiFi, incorpora sistemi per mantenere la sincronizzazione fra stazione fissa e terminali mobili, per cui è un candidato a sostituire le reti di telefonia cellulare GSM e CDMA. Lo attuale utilizza una banda da 10 a 66 GHz, in tecnica OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale), arriva a 70 Mbit/s e supporta connessioni punto multipunto (P-MP) e multipunto multipunto (MP- MP o MESH, "a maglia") 3. BLUETOOTH Il BlueToorh: un re vichingo per collegare la nostra elettronica personale Il Bluetooth è una tecnologia radio per comunicazioni a breve distanza fra apparati fissi o mobili. Il suo ambito di applicazione è principalmente quello del Personal Area Networking (PAN), cioè l'interconnessione di apparati utilizzati da una singola persona (PC, stampante, cellulare, sistemi audio, auricolari, ma anche apparati elettromedicali). E' stato lanciato dalla svedese Ericcson, e la sua origine nordica si sente nel nome: Bluetooth, Blåtand/Blåtann in antico norreno, significa dente blu, soprannome del re vichingo Harald 1 che nel sec. X unificò Danimarca e Norvegia. Lo stesso logo del Bluetooth richiama le rune dell'alfabeto vichingo. Il limite di velocità è intorno a 1 Mbit/s; la portata dipende dalla classe del dispositivo: circa 100 m per la classe 1, 10 m per la 2, poco più di 1 m per la 3. Chip Bluetooth possono essere direttamente incorporati in dispositivi fissi o mobili, oppure in "pennette" da connettere via USB a un PC (Figura 4). P.Maini Mezzi trasmissivi pag.10/16

11 a) b) Figura 4 Dispositivi Bluetooth: un auricolare wireless (a) e un adattatore con interfaccia USB (b) 4. ZIGBEE ZigBee: uno gnomo per la casa del futuro Lo standard ZigBee si differenzia dal WiFi e dal Bluetooth principalmente per le sue finalità. Più che per trasmettere dati o suoni, è concepito per il telecontrollo e il monitoraggio ambientale, in particolare per applicazioni di domotica (Figura 6) e in più in generale di Intelligent Building ("edilizia intelligente"). In questo senso, l'accento non è posto sulla velocità di trasmissione, quanto sull'affidabilità, costanza del collegamento, consumi ridotti. In particolare, i dispositivi ZigBee hanno la capacità di autoorganizzarsi, configurandosi automaticamente in reti a maglia (wireless mesh), in cui i vari nodi possono passarsi "a staffetta" i messaggi (routing Multi-Hop, instradamento a salto multiplo), permettendo così di raggiungere portate molto più grandi di quelle del singolo dispositivo. Figura 6 Lo ZigBee nella domotica Facendo il verso al Bluetooth, anche l'origine del nome ZigBee è da ricercare nella mitologia nordica: sarebbe un troll (una sorta di gnomo della tradizione norvegese) benevolo verso gli umani, una sorta di protettore delle case, che aiuta le massaie nei lavori domestici. Per la verità la tecnologia deriva da un progetto nato negli anni novanta del secolo scorso in un'ottica molto memo "buonista": il governo USA aveva bisogno di una rete di sensori a basso costo e grande autonomia per controllare le centinaia di chilometri del confine desertico con il Messico, contro l'immigrazione clandestina. P.Maini Mezzi trasmissivi pag.11/16

12 Fibre ottiche 1. Introduzione La trasmissione di messaggi luminosi, come descritto nell unità di apprendimento 1, è stata una delle prime modalità di comunicazione a distanza, utilizzata fin dall antichità. In genere si sfruttava l aria e la visibilità degli uomini (magari forniti di lenti e successivamente di cannocchiali) per l invio di simboli e messaggi. Solo verso la fine dell 800 sono noti i primi esperimenti di invio della luce mediante guide trasparenti che convogliassero i raggi luminosi. Nel 1950 negli Stati Uniti ed in Inghilterra nascono le prime fibre ottiche per l utilizzo in medicina per endoscopia. I vantaggi delle fibre ottiche Figura 1 Grafico dell attenuazione in funzione della frequenza dei principali cavi utilizzati in telecomunicazioni. I vantaggi dell utilizzo delle fibre come mezzo trasmissivo, rispetto a cavi e ai collegamenti senza fili, sono molteplici. Derivano sia dalla natura del segnale luminoso che trasporta l informazione sia dalla struttura stessa della fibra. Il primo vantaggio è la bassa attenuazione del mezzo trasmissivo, anche per alte frequenze: le fibre attuali hanno attenuazione di 0,2 db/km indipendentemente dalla frequenza di invio dei segnali, permettendo così collegamenti per centinaia di chilometri senza apparati intermedi di rigenerazione. Il segnale luminoso inviato in fibra è per sua natura di frequenza alta (dai Gigahertz ai Terahertz), gli impulsi ottici possono quindi essere inviati a frequenze elevate, permettendo la trasmissione di grandi quantità di dati senza influire sull attenuazione del canale trasmissivo (gli attuali sistemi di trasmissione digitali ad alta velocità hanno una frequenza di trasmissione di 40 Gbit/sec). Attenuazione (db/km) Cavo telefonico Doppino per alta frequenza Cavo coassiale Fibra ottica multimodo gradedindex Fibra ottica monomodo Frequenza (Hz) Inconvenienti Inoltre la fibra è costituita da materiale dielettrico trasparente (vetro, plastica, quarzo) che la rende immune ai disturbi elettromagnetici, pertanto si riduce la probabilità di ricevere in modo errato i dati, aumentando la qualità delle comunicazioni. I sistemi di comunicazione in fibra ottica non generano campi elettromagnetici e non si ha il fenomeno dell inquinamento elettromagnetico che sia le grosse antenne, sia i sistemi wireless domestici generano, con potenziali rischi per la salute. Un ulteriore vantaggio è dato dal materiale che rende i cavi ottici molto più leggeri e di dimensioni ridotte rispetto ai tradizionali cavi in rame, ciò semplifica e riduce i costi di installazione e di cablaggio dei sistemi di comunicazione. Infine essendo la comunicazione attraverso una guida chiusa, non vi è il rischio di interferenze tra fibre adiacenti né pericoli di intercettazione dei segnali mediante apparati collocati lungo il collegamento. A questi vantaggi vanno contrapposti i maggiori costi rispetto ai mezzi tradizionali, soprattutto per gli apparati optoelettronici di trasmissione, di rigenerazione, di ricezione. Anche l installazione richiede macchinari particolari per avere alti livelli di precisione nelle connessioni e nella posa dei collegamenti. P.Maini Mezzi trasmissivi pag.12/16

13 La costituzione della fibra ottica 2. La luce La luce è composta da onde elettromagnetiche della stessa natura di quelle utilizzate nelle trasmissioni radio, esaminate nell unità di lavoro precedente. Ciò che caratterizza la radiazione luminosa è la lunghezza d onda λ che è molto minore di quella delle onde radio: la luce visibile ha valori che vanno da circa 400_nm per il colore viola a circa 700 nm per il colore rosso; la luce invisibile all occhio umano si ha al di sotto del colore viola (i raggi ultravioletti) e al di sopra del colore rosso (i raggi infrarossi). Tabella 1 Parametri delle radiazioni luminose. Radiazione luminosa Lunghezza d onda λ (nm) Frequenza (Hz) Energia del fotone (J) Ultravioletto < 400 > viola Spettro visibile blu verde giallo arancione rosso Infrarosso > 750 < Figura 2 Riflessione e rifrazione in ottica geometrica. Quando un raggio luminoso passa da un mezzo ad un altro avente diverso indice di rifrazione n avvengono due fenomeni: una riflessione perché una parte della luce viene riflessa e rimane all interno del primo mezzo ed una rifrazione perché la rimanente parte della luce penetra nel secondo mezzo con un angolo diverso da quello di provenienza. Come illustrato in fig. 2, un raggio luminoso, chiamato raggio incidente, proveniente da un mezzo n 1, incontra la superficie di separazione dal mezzo di indice di modulazione n 2 nel punto P. Da questo punto si originano due raggi, quello riflesso che rimane nel primo mezzo e quello rifratto che penetra nel secondo mezzo cambiando la direzione di propagazione. Definendo gli angoli rispetto alla normale alla superficie, si chiama θ 1 l angolo incidente, θ 3 l angolo del raggio riflesso e θ 2 l angolo del raggio rifratto. Le leggi dell ottica geometrica affermano che l angolo di riflessione è identico all angolo incidente: La relazione tra gli angoli incidente e rifratto è data dalla legge di Snell: n 1 sin 1 n2 sin 2 5 Figura 3 Fenomeno della riflessione totale: angolo di incidenza θ 1 <θ lim (a), angolo di incidenza θ 1 =θ lim (b) e angolo di incidenza θ 1 >θ lim (c). La riflessione totale Angolo limite: angolo di incidenza oltre il quale non si ha più rifrazione. Se l angolo incidente supera l angolo limite (fig3 c)), dovendo l angolo rifratto superare l angolo retto, non vi è più rifrazione ed il segnale luminoso si mantiene completamente all interno del mezzo da cui proviene. Questo fenomeno, chiamato riflessione totale, avviene se si verificano due condizioni: l indice di rifrazione del mezzo da cui proviene il raggio luminoso è maggiore del mezzo verso cui incide e l angolo di incidenza è superiore all angolo limite ricavato mediante la 8. P.Maini Mezzi trasmissivi pag.13/16

14 3. La fibra ottica La fibra ottica è una sottilissima fibra realizzata da materiali trasparenti alla radiazione luminosa: vetro, quarzo o plastica. E formata da due strati concentrici, quello più interno chiamato core (nucleo) e quello più esterno chiamato cladding (mantello). Vi sono poi rivestimenti esterni di protezione che costituiscono il jacket. Il core ha un indice di rifrazione di poco superiore a quello del cladding, quindi se il raggio luminoso proveniente dal core incide sulla superficie di separazione del cladding con un angolo superiore all angolo limite si ha la riflessione totale, per cui il raggio continua a propagarsi per continue riflessioni rimanendo all interno della fibra, senza avere perdite di energia per rifrazione (figura 4). Figura 4 Propagazione del segnale nella fibra ottica. Il diametro della sezione del core ha valori compresi tra circa 5 e 100 μm, mentre quello del cladding ha valori compresi tra 80 e 140 μm. E quindi necessario che all esterno vi siano robusti rivestimenti per evitare la rottura del filamento e nel caso di cavi ottici contenenti più fibre sono previste protezioni metalliche esterne che rendono il cavo più resistente nelle operazioni di installazione. Come mostrato in figura 5 affinché si abbia la riflessione totale, il segnale luminoso deve essere inviato nel core con un angolo di incidenza θ i sufficientemente piccolo, in modo che l angolo corrispondente sulla superficie core-cladding superi l angolo limite. Figura 5 Cono di accettazione del segnale in fibra ottica. Si definisce come cono di accettazione l angolo solido entro cui devono essere inviati i raggi per la propagazione all interno della fibra ottica. Questo è delimitato dall angolo di accettazione θ a corrispondente al raggio che raggiunge all interno l angolo limite θ lim. 4. Le caratteristiche della fibra Le fibre possono essere classificate in base al materiale con cui sono fabbricate. Fibre con il core ed il cladding in vetro: sono le più utilizzate, il vetro usato è purissimo, molto trasparente realizzato in biossido di silicio o in quarzo fuso. Il vetro puro viene successivamente drogato con impurezze, quali germanio o fosforo, per avere gli indici di rifrazione desiderati. Altre impurezze residue, dovute al processo di fabbricazione determinano l attenuazione della fibra. Fibre PCD (Plastic clad silica): hanno il core in vetro e il cladding in plastica. Le prestazioni sono buone anche se inferiori alle fibre in vetro. Fibre plastiche: hanno sia il core che il cladding in plastica. Pur limitate in frequenza e in perdite, sono usate per il basso costo e la facilità di utilizzo. In particolare per collegamenti corti dove il collegamento deve essere protetto da disturbi elettromagnetici e da eventuali intercettazioni del segnale. P.Maini Mezzi trasmissivi pag.14/16

15 Figura 6 Fibra multimodale stepindex (a), multimodale gradedindex (b) e monomodale (c). 50 m 125 m r n cladding n n core cladding core cladding a) fibra multimodale step-index r n cladding cladding 50 m 125 m r n n core n cladding core cladding b) fibra multimodale graded-index 5 m 125 m n n core cladding core c) fibra monomodale cladding Nel caso di fibre multimodali, l impulso ottico inviato in fibra viene suddiviso secondo i vari modi, ognuno trasporta una parte della potenza ottica, alla fine della fibra la sovrapposizione dei diversi modi permette di ottenere l impulso di uscita. 3. Il cablaggio strutturato in fibra ottica Le fibre utilizzate nel cablaggio strutturato Per le connessioni delle reti, sia locali che geografiche, si utilizzano le apposite normative del cablaggio strutturato, che comprendono sezioni dedicate ai collegamenti ottici. Le norme specificano le caratteristiche delle fibre e dei componenti (connettori giunti, LED, LASER, ecc.) e le modalità di installazione e di misura delle prestazioni della rete. Inizialmente la progettazione delle reti locali (LAN) prevedeva l utilizzo della fibra solo per lunghe dorsali per supportare le grandi quantità di dati, successivamente la necessità di connettere stazioni di lavoro a reti WAN e MAN ha portato a definire reti ad elevata velocità (chiamate Gigabit Ethernet) dove la fibra viene impiegata anche nel cablaggio orizzontale. Rimandando al testo già citato 2 nell unità di lavoro 10A per il dettaglio sulle specifiche del cablaggio ottico, qui si illustrano le caratteristiche principali delle fibre prescritte. Le fibre sono di tre tipi: multimodo graded index 62,5/125, multimodo graded index 50/125 e monomodo 4 o 8/125. Le prime due fibre sono utilizzate in prima e seconda finestra mentre la fibra monomodo può operare in seconda e terza finestra. In tabella 3 sono riportate i parametri principali di queste fibre. Tabella 3 Caratteristiche delle fibre standard per il cablaggio strutturato. Tipo di fibra Multimodo graded index Dimensioni core/cladding (μm) 62,5/125 50/125 Monomodo 4-10/125 Lunghezza d onda operativa (nm) Attenuazione (db/km) Prodotto banda-lunghezza (MHz km) 850 3, , , , , ,4 - Si specificano inoltre due tipi di cavo ottico: quello aderente (tight) in cui le fibre sono ben serrate nella guaina e quello lasco (loose) dove la fibra all interno della protezione esterna è libera di assorbire eventuali dilatazioni termiche del cavo. Il primo viene usato negli interni o nelle linee verticali, il secondo nei collegamenti esterni tra edifici separati. Inoltre i cavi devono avere guaina in materiale LSZH (Low smoke zero halogen), a bassa emissione di fumi tossici, e possono essere protetti esternamente da armature metalliche 2 J. Trulove LAN Wiring, 2006 McGraw-Hill P.Maini Mezzi trasmissivi pag.15/16

16 Gli standard secondo la IEEE 802.3z Tabella 5 Standard dei collegamento ottico per reti LAN secondo lo standard IEEE 802.3z. Figura 14 Distanza previste dalle norme IEEE 802.3ab e 802.3z per la rete Gigabit Ethernet. antiroditori per evitare rotture da parte di topi. Si specifica poi che il cavo per dorsali deve contenere almeno sei singole fibre. Le norme TIA-EIA-568-C e le successive IEEE 802.3z prescrivono le caratteristiche delle reti con dorsali ottiche, indicando le fibre da utilizzare e le distanze minime garantite (tabella 5). Le distanze dipendono dalla frequenza della rete, dal tipo di fibra e dalla finestra in cui si lavora: queste ultime vengono riconosciute dalle sigle SX, corrispondente a short wavelenght cioè la prima finestra a 850 nm; LX, corrispondente a long wavelenght cioè la seconda finestra a 1350 nm; SLX, corrispondente a super long wavelenght e ELX corrispondente a extra long wavelenght cioè la terza finestra a 1550 nm. Tipologia di rete Velocità di trasmissione Tipo di fibra Distanza minima della dorsale in fibra 10 Base FL 10 Mbit/sec Multimodo (OM1) 2 Km 100 Base FX 100 Mbit/sec Multimodo (OM1) 400m 100 Base SX 100 Mbit/sec Multimodo (OM1) 300 m 1000 Base SX 1 Gbit/sec Multimodo (OM2) m 1000 Base LX 1 Gbit/sec Multimodo (OM2) m Monomodo (OS1) 5 Km 1000 Base SLX 1 Gbit/sec Monomodo (OS1) 10 Km Le reti Ethernet Gigabit mantengono la possibilità di utilizzare cavi in rame di categoria 5 per la 1000 Base e di categoria 7 per la 10GBase. In questo caso i costi del cablaggio sono molto inferiori, ma anche le distanze tra le stazioni sono decisamente minori di quelle consentite dal mezzo ottico. Un confronto tra le distanze consentite dagli standard per la rete Gigabit Ethernet è riportata in figura 14, dove è anche indicata la tipologia del mezzo trasmissivo. Nel giugno 2002 si è approvata la definizione della rete Ethernet a 10 Gbit/sec (10-GBE) progettata per la migrazione delle reti LAN a reti WAN (Wide Area Network) e MAN (Metropolitan Area Network), per consentire scambi di grandi quantità di dati anche lungo dorsali di 40 km. P.Maini Mezzi trasmissivi pag.16/16