La rete fissa 5. Le centrali di commutazione

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1 La rete fissa 5 Le centrali di commutazione

2 Schema di principio di una rete telefonica Rete di segnalazione a canale comune Collegamento di segnalazione Interfaccia DTE/DCE Punto di trasferimento della segnalazione Elaboratore di controllo DTE D CE Stadio di utente Autocommutatore locale Linee di giunzione Autocommutatore di transito

3 La commutazione La commutazione è l insieme delle attività che svolge una rete di telecomunicazione per connettere tra di loro due o più utenti, nel momento che la connessione è richiesta, e di disconnetterli nel momento che la disconnessione è richiesta. Le centrali di commutazione ed i nodi di segnalazione sono i dispositivi della rete che realizzano le funzioni di commutazione.

4 Concentrazione Le principali operazioni della commutazione Nella centrale di origine, la chiamata è trasferita dalla linea dell utente chiamante A ad uno dei canali nelle giunzioni di uscita verso la centrale dell utente B. Distribuzione Nella sezione interna della rete, viene impegnato, fisicamente e per tutta la durata della comunicazione nella rete di giunzione tra le centrali un percorso verso la centrale dell utente chiamato Espansione Nella centrale di destinazione, la chiamata è trasferita dal percorso di rete alla linea dell utente B chiamato

5 Commutazione: le operazioni principali Espansione Concentrazione Distribuzione

6 In una rete telefonica esistono due tipi di centrali le centrali locali e le centrali di transito.

7 Le centrali locali hanno gli utenti direttamente connessi ad esse attraverso la rete di accesso. Le centrali di transito hanno solo connessioni ad altre centrali che possono essere a loro volta o di transito o locali. Le centrali locali concentrano, distribuiscono e espandono i canali fonici. Le centrali di transito si limitano a distribuirli.

8 Le centrali locali Ogni centrale locale ha una sua area di responsabiltà (serving area). Tutti gli utenti appartenente ad una serving area sono connessi alla centrale responsabile di quella area. Molte chiamate in una serving area sono per utenti della stessa area e quindi la centrale si limita a fare una connessione interna tra un canale fonico di ingresso ed uno di uscita. Nel caso in cui l utente chiamato è fuori della serving area la centrale fa partire il processo di instradamento (routing).

9 Le funzioni fondamentali di una centrale locale Le funzionalità fondamentali di una centrale locale non sono cambiate sostanzialmente nel tempo. Una centrale analogica manuale aveva le stesse funzioni di base di una moderna centrale.

10 Una centrale manuale - Dispositivi di ingresso uscita dei canali fonici - meccanismi di interconnessione - meccanismi di generazione e di rivelamento di segnali - meccanismi di supervisione di stati - meccanismi di ricezione di informazioni, - meccanismi di trasmissione di informazioni. - La funzionalità di gestione operativa della chiamata che avveniva tramite una o più operatrici, che utilizzavano a tal scopo i meccanismi di cui sopra.

11 Le centrali digitali

12 Schema a blocchi semplificato di una centrale digitale SSS : Subscriber SubSystem GSS:Group Switching Subsystem TSS : Trunk and Signalling Subsystem ESS: Extend module Subsystem CSS:Common chanell signalling Subsystem SUS : Subscriber Service subsystem CHS: Charging Subsystem OMS: Operation & Maintenance Subsystem SCS : Supervisor & Control Subsystem TCS : Traffic Control Subsystem Central processor APZ

13 Subscriber Switching Subsystem Il sottosistema SSS gestisce gli ingressi e le uscite alla centrale degli utenti dell area di servizio della centrale stessa. Nelle moderne centrali sono previsti tre tipi di interfaccia verso gli utenti (LSM Local Subscriber module): GSS -Pots : per utenti analogici -BA : per utenti ISDN Basic Access (2B+D) -PRA : per utenti ISDN Primary access

14 Subscriber Switching Subsystem Gli LSM-BA e LSM PRA ricevano i segnali già digitali, li rigenerano con le modalità tipiche dei ripetitori digitali, e attraverso un processo di concentrazione li multiplano su su una trama E1 interna e sincrona con il clock di centrale. Gli LSM-Pots, generano invece la trama E1 a partire direttamente dai segnali analogici di ingresso. I 128 ingressi analogici di un modulo LSM sono concentrati sui 32 time slot di un link interno. GSS

15 Subscriber Switching Subsystem Gli LSM-Pots forniscono tutte le funzionalità necessarie all attacco di utente analogico. Tali funzioni sono di solito riassunte dall acronimo BORSCHT: Battery (alimentazione); Overvoltage protection (protezione da sovratensioni) Ringing (generazione del segnale di chiamata) Supervisory (supervisione della linea) Coding (codifica del segnale vocale) Hybrid (passaggio da 2 a 4 fili) Testing (accesso per prove sulla linea). GSS

16 Subscriber Switching Subsystem LSM Pots codifica del segnale vocale GSS

17 Subscriber Switching Subsystem KDR sono i ricevitori della segnalazione multifrequenza di utente. Tone sender sono i generatori dei differenti toni di avviso necessari durante una chiamata GSS Entrambi sono connessi agli LSM tramite il commutatore di gruppo su base chiamata e quindi sono dispositivi in pool

18 Trunk and Signaling subsystem Il sottosistema TSS gestisce i collegamenti verso e da altre centrali attraverso gli ET (Exchange terminal). Fanno parte dello stesso sottosistema anche il pool di EC ( Echo Canceller ) utilizzati sulle le tratte molto lunghe dove il ritardo può provocare un eco fastidioso. I TRA (Transcoder) sono invece dispositivi utilizzati quando sui link viaggiano codifiche diverse dal PCM GSS

19 Trunk and Signaling subsystem ET

20 Trunk and Signaling subsystem ET Negli ET i flussi entranti vengono allineati al clock della centrale. Il processo di sincronismo è una del funzionalità più critiche della commutazione. L ideale sarebbe che tutto il mondo della telefonia lavorasse con la stessa temporizzazione, un solo clock per tutta la rete. Ogni centrale con il suo clock al Cesio e tutti i clock al Cesio con la stessa frequenza nominale ( differenza massima fra i clock ). La soluzione è chiaramente improponibile da un punto di vista economico.

21 Trunk and Signaling subsystem ET Nella realtà la differenza della temporizzazione tra le varie centrali e mantenuta in limiti accettabili, attraverso un processo di sincronismo dei clock delle varie centrali ad un clock di riferimento, che a fine catena fa riferimento ad un clock al Cesio e le differenza di fase residue fra flussi entranti e clock di centrale per quanto possibile assorbite da buffer elastici.

22 Sincronizzazione di rete Per ottenere sufficiente stabilità e accuratezza del clock in ogni nodo della rete, si fa uno di circuiti PLL ad altissimo Q che estraggono la frequenza di clock da un flusso dati o da un tono proveniente da un nodo di riferimento, che fa parte di quella che viene chiamata la rete di sincronizzazione. In Europa nelle reti di sincronizzazione attuali i clock sono divisi gerarchicamente in 3 tipologie che si differenziano per qualità e funzioni offerte: -PRC (Primary Reference Clock) che producono un cronosegnale di altissima precisione e stabilità e che costituiscono le fonti primarie di distribuzione. -SSU (Syncronizzation supply unit) che funzionano normalmente come slave ma che hanno in free running una precisione ed una affidabilità elevata anche se inferioire a quelli a Cesio, ma che in caso di guasto e per un breve periodo di tempo possono fungere da riferimento nella catena di distribuzione -SEC (SDH Equipment clock ) che sono i clock asserviti dei generici nodi

23 Sincronizzazione di rete Ogni nodo con un clock di tipo slave (SSU o SEC) si aggancia al crono segnale di riferimento fornitogli da un assegnato nodo,lo usa per la sua temporizzazione e lo fornisce rigenerato alle sue uscite. Se si verificano guasti il crono segnale di riferimento viene cambiato secondo una preassegnata sequenza. La pianificazione della rete di sincronizzazione cura attentamente che in nessun caso un nodo possa agganciarsi ad una sorgente generata da un clock di qualità inferiore al suo o che addirittura possa agganciarsi ad un clock che deriva da se stesso creando quello che viene chiamato un timing loop. Nel Nord America la gerarchia prevede, invece di 3 livelli 5, livelli, ma il principio di funzionamento rimane sostanzialmente lo stesso.

24 Schema di principio per la rete di sincronizzazione nel Nord America

25 Jitter e Wander Due segnali si dicono mesocroni se hanno la stessa frequenza media. Il risultato del processo di distribuzione del sincronismo porta in caso di corretto funzionamento ad avere tutti i nodi con cronosegnale mesocrono. Cronosegnali perfettamente sincroni per quanto buono sia il processo di distribuzione descritto sono improbabili. La lunghezza delle catene di distribuzione fa si che si accumuli sui crono segnali il rumore randomico di fase chiamato Jitter. Le variazioni climatiche incrementano la componente a bassa frequenza del jitter producendo il Wander. Cronosegnale di centrale e flusso dati in ingresso non sono mai perfettamente in fase a causa del jitter.

26 Da mesocronismo a sincronismo Ambiente mesocrono Ambiente sincrono Ricezione Rivelatore Memoria elastica Estrattore di temporizzazione Allineatore di trama Orologio esterno TS TL Orologio interno Centrale di commutazione Trasmissione TS: temporizzazione di scrittura TL: temporizzazione di lettura Inserimento allineamento di trama

27 Estrattore di temporizzazione L'estrattore di temporizzazione provvede a estrarre il cronosegnale associato dal flusso multiplato entrante;

28 Allineatore Le funzioni dell'allineatore sono quelle di: rivelare situazioni di fuori allineamento; recuperare l'allineamento in caso di fuori allineamento; le informazioni di allineamento di trama sono contenute nella parola di allineamento composta da M bit collocati in posizione opportuna nella trama stessa. Rivelazione di un Fuori Allineamento Stato di Allineamento Stato di Fuori Allineamento Recupero di Allineamento

29 La memoria tampone Clock di centrale Modello di funzionamento i La memoria tampone ha lo scopo di compensare le fluttuazioni di fase tra i cronosegnali esterno e interno lettura cella di memoria scrittura N+i+1 N+i N+i-1 N= lunghezza di trama Clock esterno

30 Grado di servizio e qualità di servizio I principali parametri tecnici, stabiliti dagli organi di standardizzazione, da mantenere entro prefissati limiti (grade of service GoS) in una rete telefonica digitale, al fine di assicurare una prestazione adeguata alle necessità e alle aspettative degli utenti (quality of services QoS), sono i seguenti: - Probabilità di blocco (Blocking Probability - Error performance - Slip

31 Probabilità di blocco (block probability) La probabilità di blocco B, come abbiamo visto in precedenza,dipende dal rapporto di concentrazione dei canali fonici in relazione al traffico offerto nei circuiti di giunzione, dalla strategie di instradamento, ma anche dalla capacità di elaborazione delle chiamate e dalla concentrazione in entrata delle centrali locali. Gli organi di standardizzazione hanno fissato il valore limite di questo parametro a B = 1% Nelle attuali reti il valore misurato di B è intorno a 0.5%

32 Error performance Le comunicazioni telefoniche sono soggetto,su qualunque mezzo viaggino al degrado dovuto al rumore. Il rumore può essere di varie natura : rumore termico, rumore impulsivo, da interferenza e diafonia. Nelle trasmissioni digitali il rumore in se non si accumula lungo la catena di trasmissione a causa del processo di rigenerazione ai ripetitori ed ai nodi, si accumula invece il BER (Bit Error Rate).

33 Error performance Per il solo rumore termico la relazione rapporto segnale rumore/ BER è riportata in tabella: Ma il contributo più importante al degrado del segnale digitale proviene spesso dal rumore di diafonia e da quello impulsivo, che influenzano anche la tipologia del BER, più a burst che uniformemente distribuito.

34 Error perfomance Vale la pena far notare che se si pensa solo alla voce l intelligibilità rimane accettabile con la codifica PCM anche con un tasso di errore di 10-2, ma chiaramente un tale degrado non è accettabile nella trasmissione dati.

35 Error performance Per tenere conto anche della trasmissione dati e della tipologia di errori il CCITT con la raccomandazione G.821, ha preso a riferimento il singolo canale a 64 kbit/s della rete ISDN/POTS, sia quando usato come canale voce sia come canale dati,ed ha specificato una serie di obiettivi prestazionali per una connessione end to end :

36 Slip

37 GSS Group Switching Subsystem Il GSS è il sottosistema che opera la funzione di distribuzione dei canali fonici da ingresso ad uscita della centrale, sia verso gli utenti della stessa area di servizio, che verso i link alle altre centrali. I dispositivi in pool della centrale vengono collegati dal GSS ai processi che li richiedono tramite connessioni semipermanenti.

38 Il commutatore analogico

39 Il commutatore digitale Con l elettronica si possono costruire matrici perfettamente equivalenti dal punto di vista funzionale a quelle analogiche. Gli elementi costitutivi delle matrici digitali sono fondamentalmente due: TSI :Time Slot Interchange. SM : Spatial Matrix. Questi elementi si possono unire a formare matrici di differenti dimensioni alternandoli nelle struttura. Possiamo quindi avere matrici TS, TST, STS, TSST etc.

40 Il commutatore digitale TST

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42 TSI Time Slot Interchange Reading address Writing address

43 TSI Time Slot Interchange Writing address Reading address

44 La matrice spaziale a divisione di tempo

45 La matrice spaziale a divisione di tempo

46 Il commutatore digitale delle centrali Ericsson

47 Time switch

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49 Group Switching Subsystem I 16 K dell altro ieri non entrerebbero nella slide

50 ESS Extend Switching Subsystem

51 Il processore APZ

52 Schema a blocchi semplificato di una centrale digitale SSS : Subscriber SubSystem GSS:Group Switching Subsystem TSS : Trunk and Signalling Subsystem APT ESS: Extend module Subsystem CSS:Common chanell signalling Subsystem SUS : Subscriber Service subsystem CHS: Charging Subsystem OMS: Operation & Maintenance Subsystem SCS : Supervisor & Control Subsystem TCS : Traffic Control Subsystem

53 Duplicazione per assicurare affidabiltà

54 Gli stati del processore centrale

55 APZ e il tempo reale

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61 Back up slide

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63 Memoria tampone Le operazioni di scrittura sono controllate dal cronosegnale esterno, che determina la velocità di rotazione del puntatore di scrittura; le operazioni di lettura sono controllate dal cronosegnale di centrale, che determina la velocità di rotazione del puntatore di lettura;

64 Memoria tampone la posizione reciproca dei puntatori stabilisce il grado di riempimento (GRM) della memoria; questo grado è positivo se il puntatore di scrittura è in anticipo rispetto a quello di lettura; le fluttuazioni di fase del cronosegnale esterno rispetto a quello interno si traducono in variazioni di GRM;

65 Memoria tampone se l anticipo della scrittura rispetto alla lettura diminuisce (cioè se la scrittura rallenta rispetto alla lettura), anche il GRM diminuisce; quando, a seguito di una diminuzione dell anticipo, il puntatore di scrittura si avvicina al puntatore di lettura, nel verso contrario a quello di rotazione dei due puntatori, il GRM tende a zero e cioè la memoria tende a svuotarsi; se la lettura non è distruttiva, si può verificare allora l aggiunta di uno o più bit (slittamento per aggiunta);

66 Memoria tampone se l anticipo della scrittura rispetto alla lettura aumenta (cioè se la scrittura accelera rispetto alla lettura), anche il GRM aumenta; quando, a seguito dell aumento dell anticipo, il puntatore di scrittura si avvicina al puntatore di lettura nel verso di rotazione dei due puntatori, il GRM tende a 1 e cioè la memoria tende a riempirsi; si può allora verificare un trabocco della memoria con la perdita di uno o più bit (slittamento per perdita);

67 Memoria tampone la condizione GRM=1/2 (memoria tampone riempita a metà) presenta massimo margine rispetto a riempimenti (GRM=1) o a svuotamenti (GRM=0) ; le condizioni GRM=1 o GRM=0 sono invece origine di trabocchi o di svuotamenti con conseguenti slittamenti per perdita o per aggiunta, che possono ripetersi a brevi intervalli di tempo.

68 Gestione della memoria tampone Supponiamo che la memoria abbia la capacità di N bit 1. quando ci si avvicina alla condizione GRM=0 si ripete la lettura di metà del contenuto della memoria; in tal modo il GRM si riporta al valore 1/2 e si verifica uno slittamento per aggiunta di N/2 bit; 2. quando ci si avvicina alla condizione GRM=1 si perde metà del contenuto della memoria; in tal modo il GRM si riporta al valore 1/2 e si verifica uno slittamento per perdita di N/2 bit.

69 Gestione della memoria tampone Normalmente si dimensiona la capacità della memoria tampone a un valore uguale al doppio della lunghezza della trama; ciò consente, in caso di slittamento, di perdere o di aggiungere una intera trama e quindi di non perdere l allineamento.

70 APZ Function Block

71 APZ

72 Le caratteristiche del processore centrale

73 Struttura del processore centrale