Sistemi di Telecomunicazione

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1 Sistemi di Telecomunicazione Caratteristiche dei cavi a coppie simmetriche (seconda parte) Universita Politecnica delle Marche A.A A.A Sistemi di Telecomunicazione 1/32

2 Il doppino in rame E costituito da una coppia (pair) di conduttori di rame opportunamente ritorti (twisted) E impiegato per comunicazioni foniche e trasmissione dati Presenta una banda passante inferiore al cavo coassiale Basso costo e semplice installazione A.A Sistemi di Telecomunicazione 2/32

3 Rumore sul doppino telefonico La presenza di rumore sul doppino telefonico e dovuta a diversi fattori di disturbo, che si possono suddividere in intrinseci (se sono propri della linea) ed estrinseci (se provengono dall esterno) Fattori di disturbo intrinseci alla linea sono: Rumore termico dovuto alla linea (puo essere assimilato in qualche maniera al rumore Gaussiano bianco) Echi e riflessioni Attenuazioni Cross-Talk (o co-channel interference) Fattori di disturbo estrinseci alla linea sono dovuti a rumori di tipo impulsivo, causati da scariche elettriche, linee di potenza, apparati elettromeccanici, ecc. Le fonti di rumore precedentemente elencate, possono essere classificate anche come limitanti la capacita e limitanti le prestazioni del sistema di trasmissione digitale su doppino. Le fonti di rumore limitanti la capacita sono essenzialmente il rumore termico ed il crosstalk. Sono disturbi caratterizzati da lente variazioni temporali e quindi i loro effetti possono essere facilmente modellati e predetti. Le fonti di rumore di tipo impulsivo e man-made, invece, sono classificate come limitanti le prestazioni. Sono difficilmente modellabili e fortemente tempo-varianti. Occorrono soluzioni di elaborazione del segnale ad hoc, per fronteggiarne gli effetti (ad es. robusta codifica FEC, interleaving). A.A Sistemi di Telecomunicazione 3/32

4 Immunita ai disturbi - trasmissione bilanciata e conduttori twistati Campi elettromagnetici esterni agiscono in ugual modo sui due conduttori twisted Quanto sopra, unitamente alla trasmissione bilanciata, presenta una protezione ai disturbi A.A Sistemi di Telecomunicazione 4/32

5 Riduzione delle emissioni Grazie alla tecnica di trasmissione bilanciata, i campi elettromagnetici generati separatamente dai due conduttori sono uguali ma in opposizione di fase, e quindi tendono ad elidersi A.A Sistemi di Telecomunicazione 5/32

6 Introduzione della schermatura Perche la schermatura dei cavi La presenza di schermi puo portare i seguenti benefici: immunita ai disturbi elettromagnetici riduzione dell emissione di radiofrequenza uniformita del valore dell impedenza riduzione della diafonia (se applicata a singole coppie) Importanza della corretta messa a terra degli schermi: EMC Differenti tecniche di schermatura FOIL - foglio sottile di alluminato che avvolge il cavo sotto la guaina di protezione esterna CALZA - trecciola di fili di rame che avvolge il cavo, presentando una migliore conducibilita del foglio di alluminio a fronte di una copertura non completa FOGLIO + CALZA - il risultato di schermatura e sicuramente migliore, ma aumentano il costo e le dimensioni del cavo A.A Sistemi di Telecomunicazione 6/32

7 Tipi di doppino UTP (Unshielded Twisted Pair): Doppino non schermato - Z = 100 Ω FTP (Foiled Twisted Pair): Doppino con schermo globale in foglio di alluminio - Z = 100 Ω S-UTP o S-FTP: Doppino con schermo globale in foglio di alluminio e calza in rame - Z = 100 Ω STP (Shielded Twisted Pair): Doppino con singole coppie schermate piu schermo globale - Z = 150 Ω A.A Sistemi di Telecomunicazione 7/32

8 Cavo FTP A.A Sistemi di Telecomunicazione 8/32

9 Cavi multicoppia A.A Sistemi di Telecomunicazione 9/32

10 Cenni alle reti telefoniche Reti telefoniche: reti che storicamente sono state dedicate al trasporto del segnale vocale. Sono state le prime ad avere diffusione mondiale e si sono sviluppate sempre con riferimento al servizio vocale da trasportare. Con la diffusione delle reti dati, prima di tipo locale poi di tipo geografico, vi e stata una sempre maggiore spinta verso l integrazione delle reti e dei servizi. Tale integrazione puo essere considerata sotto due aspetti: quello delle reti trasmissive, e quello delle reti integrate. Per il primo aspetto: i collegamenti geografici sviluppati per le reti telefoniche spesso costituiscono, oggi, la rete trasmissiva usata dalle reti dati (come Internet) per interconnettere le reti locali. Per il secondo aspetto: la definizione di reti che possano supportare servizi voce e dati in modo integrato ed efficiente e stato ed e ancora un obiettivo non completamente raggiunto. A.A Sistemi di Telecomunicazione 10/32

11 Conversione digitale del segnale vocale Il trasporto del segnale vocale nella rete telefonica avveniva in passato in forma analogica. I moderni sistemi di telefonia sono basati su tecniche numeriche che richiedono che il segnale vocale venga trasformato in forma digitale. La conversione digitale del segnale avviene, per le reti con accesso analogico, nella prima centrale; nelle reti ISDN (Integrated Service Digital Network) con accesso numerico, essa avviene direttamente nell apparato d utente. La conversione classica del segnale vocale, standardizzata nella raccomandazione ITU G.711 PCM (Pulse Code Modulation), considera una banda nominale di 4 khz per il segnale vocale, e una quantizzazione (anche non uniforme) ad 8 bit, da cui si ottiene un flusso risultante a 64 kbit/s. Naturalmente questo tipo di conversione si adotta solo per il segnale vocale e puo non andare bene per altri tipi di segnale. A.A Sistemi di Telecomunicazione 11/32

12 Multiplazione PCM In base alle raccomandazioni ITU G.704 e G.705, oltre alla conversione PCM, avviene anche una prima multiplazione dei segnali a gruppi di 30 (sistema europeo) all interno di un apparato di centrale detto multiplatore PCM: La multiplazione e di tipo TDM e la trama ha una durata pari a 125 µs, esattamente pari al periodo di campionamento del segnale telefonico. In ogni trama, dunque, ciascun canale inserisce gli 8 bit relativi ad un campione. Il segnale multiplo PCM europeo (detto multiplex PCM europeo, o E1) ha una velocita di Mbit/s, superiore alla velocita aggregata dei 30 canali (30 64kbit/s = 1.920Mbit/s) in quanto nella trama sono inseriti altri due byte per segnalazione e controllo: A.A Sistemi di Telecomunicazione 12/32

13 Sistemi di trasmissione - I I sistemi di trasmissione della rete telefonica servono a trasferire insiemi di canali telefonici, ed in particolare gruppi di segnali multiplex E1, su i piu diversi mezzi fisici che possono disporre di elevata capacita. Si tratta dunque di una operazione di multiplazione effettuata in modo opportuno in base alle caratteristiche dei segnali telefonici. Tuttavia, gli stessi sistemi trasmissivi sono anche usati per il trasporto di altra informazione, in quanto, di fatto, forniscono solo degli schemi di suddivisione della capacita in canali; su tali canali puo viaggiare anche traffico non telefonico, come di fatto avviene in molti casi, ad esempio per le grosse reti degli Internet Service Provider (ISP). La struttura e le caratteristiche dei sistemi trasmissivi, pero, sono fortemente influenzate dal fatto di essere stati pensati primariamente per la rete telefonica. I sistemi trasmissivi della rete telefonica moderna fanno uso di tecniche di multiplazione numeriche a divisione di tempo (TDM). I bit degli N segnali in ingresso, detti tributari, vengono scritti in un buffer d ingresso con una frequenza di bit istantanea pari alla frequenza del tributario f t (si indica con f t,i la frequenza del tributario i-esimo). In uscita i bit vengono letti prelevando gruppi di bit dal buffer di ogni tributario in modo ciclico, ad una frequenza f m opportuna, determinata dal clock locale dell apparato. A.A Sistemi di Telecomunicazione 13/32

14 Sistemi di trasmissione - II Ai bit prelevati dai tributari sono poi aggiunti bit di controllo e segnalazione, ad esempio dei bit di allineamento di trama. Si distinguono due tipi di multiplazione numerica: multiplazione numerica sincrona (SDH): tutti gli N tributari hanno la stessa frequenza istantanea f t, in rapporto fisso con la frequenza del segnale multiplo f m = N f t (1 + r), dove r serve per tener conto dei bit di segnalzione e controllo aggiunti; multiplazione numerica plesiocrona (PDH): ogni tributario ha una frequenza nominale f t, ma una frequenza effettiva f t,i diversa e indipendente sia da quella degli altri tributari sia da quella del segnale multiplo. Il primo caso e relativo a situazioni nelle quali una opportuna rete di sincronizzazione tiene perfettamente allineati gli orologi di tutti i dispositivi di trasmissione, mentre il secondo e relativo al caso in cui gli orologi degli apparati sono indipendenti e solo tarati sui valori delle frequenze nominali. A.A Sistemi di Telecomunicazione 14/32

15 La commutazione La commutazione telefonica e quella funzione tramite la quale nei nodi della rete si instaurano dei cammini fisici (in genere bidirezionali) fra ingressi e uscite del nodo. Questa funzione e eseguita da autocommutatori, apparati costituiti da elementi base chiamati matrici di commutazione. Una matrice di commutazione n m puo essere logicamente rappresentata da una griglia di contatti fra le n linee in ingresso e le m linee in uscita, che possono essere aperti o chiusi. Normalmente, si ha la chiusura di al piu un contatto per ciascuna linea d ingresso e ciascuna linea d uscita. In generale, un autocommutatore per rete pubblica, che possiede un elevato numero N di linee entranti ed uscenti, non viene costituito da un unica matrice N N perche cio porterebbe ad avere un numero di contatti N 2 enorme. Si utilizzano allora piu matrici di commutazione connesse fra loro a formare una rete di connessione, che in generale e di complessita molto minore rispetto a N 2. La struttura delle reti di connessione e normalmente organizzata a piu stadi composti ognuno da gruppi di matrici di commutazione e le cui uscite costituiscono ingressi per lo stadio successivo. Gli ingressi del primo stadio sono gli ingressi della rete, mentre le uscite dell ultimo sono le uscite della rete. A.A Sistemi di Telecomunicazione 15/32

16 Centrali telefoniche Le matrici di commutazione potrebbero essere costruite effettivamente con linee e punti di contatto (in questo caso si parla di matrici crossbar), tuttavia le matrici che si costruiscono oggi sono a divisione di tempo, ossia sono fatte per commutare dei flussi numerici multiplati TDM, anziche delle linee monocanale. Facendo riferimento alle reti di commutazione, possiamo accennare alla struttura di una centrale telefonica. In generale dobbiamo distinguere fra le centrali terminali, che fungono da interfacce di rete verso gli utenti, in grado di fare commutazione locale e di instradare verso la rete telefonica, e le centrali di transito, nodi della rete vera e propria, che non servono nessun utente. Nel primo caso la rete di commutazione deve servire gli utenti stessi e le giunzioni di rete. Tuttavia, dato il basso carico diretto delle linee di utente, e conveniente anteporre alla rete di commutazione vera e propria (stadio di distribuzione) uno stadio di concentrazione n m, con n > m, in modo da far lavorare gli apparati a valle su linee maggiormente cariche. Simmetricamente, in uscita verso gli utenti, lo stadio di distribuzione e seguito da uno stadio di espansione. Nelle reti attuali tutti questi stadi sono numerici. Se la linea d utente non e gia numerica (ovvero ISDN), all arrivo in centrale si opera una conversione in PCM e lo stadio di concentrazione costruisce direttamente flussi a Mb/s. Tali flussi vengono poi commutati direttamente dallo stadio di distribuzione. Le centrali di transito ricevono gia flussi TDM multiplati e operano direttamente su questi, tramite matrici quadrate. A.A Sistemi di Telecomunicazione 16/32

17 Architettura e Instradamento - I L architettura della rete e definita dalla dislocazione geografica delle centrali telefoniche, dai fasci che le connettono e dalla loro molteplicita (numero di circuiti). L architettura della rete telefonica e comunemente distinta nella parte d accesso e nella parte di transito. La parte d accesso e costituita dalle connessioni d utente che collegano i punti d accesso alla rete, dove sono connessi i terminali d utente (telefoni, fax, ecc.), alla prima centrale (centrale terminale). I punti d accesso distribuiti sul territorio sono divisi in aree, servite dalle centrali terminali della rete telefonica. La parte di transito e costituita dalla rete di centrali di transito che ha il compito di fornire la connettivita alle centrali terminali. A.A Sistemi di Telecomunicazione 17/32

18 Architettura e Instradamento - II Definire un architettura ottima di una rete telefonica, noto il traffico che deve servire, e un compito possibile anche se molto complesso. Nella pratica i vincoli tecnici sono solo una parte dei vincoli di cui il progettista deve tenere in conto e quindi l architettura che ne risulta e il frutto di scelte dettate spesso da criteri euristici. Quando tra due nodi esiste un forte traffico risulta conveniente un collegamento mediante un fascio diretto di circuiti; se cio fosse vero per tutti i collegamenti, l architettura che ne risulterebbe sarebbe una maglia completa. Se invece il traffico non e molto elevato, puo essere conveniente collegare piu nodi mediante un unico nodo che funga da transito per tutti; in questo caso l architettura risultante e una stella. Nel caso di collegamento mediante un nodo di transito, il centro stella assume il significato di nodo di livello gerarchico superiore. La rete complessiva potrebbe essere formata da piu livelli gerarchici. Attualmente la struttura della rete telefonica e in evoluzione e la tendenza e l abbandono della struttura rigidamente gerarchica per l adozione di strutture piu varie e complesse in grado di adattarsi in modo piu flessibile alle esigenze del traffico. A.A Sistemi di Telecomunicazione 18/32

19 Architettura e Instradamento - II Tutte le volte che la richiesta di una nuova chiamata viene rivolta alla rete, mediante opportune tecniche di segnalazione, occorre determinare se esiste un cammino sul quale la chiamata potrebbe essere inoltrata verso la destinazione. Il problema della ricerca del cammino e relativo alla funzione di instradamento che puo essere svolta dalla rete utilizzando procedure ed algoritmi diversi. La procedura di instradamento ottima e definibile come quella in grado di bloccare una chiamata se e soltanto se non vi e alcun cammino in rete con circuiti disponibili, in grado di connettere gli utenti interessati, e in grado di distribuire il traffico in rete in modo da minimizzare la probabilita che una eventuale altra chiamata debba essere bloccata. A.A Sistemi di Telecomunicazione 19/32

20 Cenni sulla segnalazione La segnalazione e una componente importante della rete telefonica in quanto da essa dipende la funzionalita di gestione automatica della rete, e su richiesta, dei circuiti disponibili. Scopo primario della segnalazione e quello consentire la comunicazione tra gli elementi della rete in modo da trovare un circuito disponibile da assegnare per la chiamata richiesta da un utente. Questa funzione della segnalazione e detta di chiamata di base e fa uso di due componenti della segnalazione: quella per il colloquio tra utente e rete, che ha il compito di passare le informazioni sul destinatario e sullo stato della chiamata e che avviene tipicamente sulla stessa interfaccia analogica d utente, e quella di rete, che ha il compito di far colloquiare le centrali per la scelta del cammino e del circuito, e che puo avvenire in banda, o su canali dedicati. Nelle reti telefoniche moderne la segnalazione ha anche altri compiti, oltre a quello del supporto della chiamata base. In particolare, viene fornito il supporto a servizi supplementari e di rete intelligente che consentono di gestire servizi complessi come ad esempio il trasferimento di chiamata, i numeri verdi, indicazione del chiamante, ecc. Nella segnalazione di rete, sono state introdotte tecniche di segnalazione a canale comune (CCS - Common Channel Signaling). Tali tecniche consentono lo scambio di informazioni tra le centrali, con tecnica a commutazione di pacchetto di tipo datagram e permettono di utilizzare una vera e propria rete segnalazione separata, con i propri nodi e i propri canali, per il controllo di tutta la rete telefonica. A.A Sistemi di Telecomunicazione 20/32

21 Rete di distribuzione in rame Per rete di distribuzione in rame si intende l insieme dei portanti fisici, delle loro attestazioni/terminazioni, delle infrastrutture, degli apparati trasmissivi, degli accessori e degli apparecchi che consentono nel loro insieme la manipolazione ed il trasporto del segnale trasmissivo dalla centrale terminale al cliente, e viceversa. A.A Sistemi di Telecomunicazione 21/32

22 La rete di distribuzione in rame, cosiddetta elastica, si suddivide in rete primaria, rete secondaria e raccordo A.A Sistemi di Telecomunicazione 22/32

23 I cavi nella rete di distribuzione I cavi sono definiti in funzione del numero di coppie (potenzialita ), del diametro dei conduttori e del tipo di rivestimento impiegato per la protezione. I cavi attualmente impiegati hanno una potenzialita, in funzione del diametro dei singoli conduttori (0,4 o 0,6 mm), che varia da 10 a 2400 coppie. L idoneita alla posa sotterranea o aerea e definita dal tipo di protezione del rivestimento esterno (guaine). I cavi per la posa in trincea hanno guaine in polietilene e armatura di nastri in alluminio ed acciaio, quelli per la posa in canalizzazione hanno, di norma, guaina in polietilene ed armatura in alluminio, quelli per la posa aerea hanno guaina in polivinilcloruro, mentre quelli per la posa interna hanno guaine in alluminio e materiale non propagante la fiamma ed a bassa emissione di fumi. L interno di un cavo puo essere riempito con aria (Secco) o con gel (Tamponato). Per terminazioni dei cavi s intende il complesso di materiali di vario tipo necessari a terminare, proteggere, permutare, sezionare e numerare le coppie dei cavi. A.A Sistemi di Telecomunicazione 23/32

24 Struttura della rete di accesso A.A Sistemi di Telecomunicazione 24/32

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27 Accesso analogico e accesso digitale - I La parte d accesso della rete telefonica classica, quella maggiormente utilizzata per uso domestico, e originariamente di tipo analogico. Cio vuol dire, come gia accennato, che il terminale d utente emette un segnale analogico che viene convertito in numerico nella prima centrale, mediante un multiplatore PCM. La conversione numerica PCM e pensata per trattare segnali analogici generati dalla voce umana, quindi la conversione viene fatta considerando una banda lorda del segnale di 4 khz ed applicando le regole del teorema del campionamento. Dato che la conversione sfrutta, di fatto, come unico parametro del segnale, la sua ampiezza di banda, e possibile pensare di trasportare sulla parte d accesso, e poi in rete, segnali diversi da quello vocale, ma comunque caratterizzati da una banda massima di 4 khz. Si puo affermare che, in sostanza, la rete telefonica mette a disposizione circuiti analogici con banda 4 khz, dato che il segnale analogico di banda 4 khz in ingresso ad un estremo del circuito viene ricostruito in uscita dall altra parte, anche se con l aggiunta di rumore (termico e di quantizzazione). Proprio questa possibilita e stata sfruttata per la trasmissione di dati da un estremo ad un altro della rete telefonica mediante dispositivi detti modem. Il modem e un dispositivo in grado di inviare un flusso di bit, in uscita ad esempio da un computer, sulla rete telefonica, mediante delle tecniche classiche di modulazione digitale, tenendo conto del vincolo che il segnale generato deve avere al piu una banda di 4 khz. Il modem all estremo opposto del circuito riceve il segnale (che nel frattempo avra subito le procedure di codifica PCM e decodifica PCM) e lo riconverte in un flusso di bit da consegnare al computer destinatario. A.A Sistemi di Telecomunicazione 27/32

28 Accesso analogico e accesso digitale - II Con i modem, si implementa un metodo per scambiarsi dati tramite segnali che possano viaggiare sulla rete telefonica, cioe che abbiano caratteristiche simili a quelle di una comunicazione telefonica, o per lo meno che siano compatibili con i vincoli di tale rete. Il canale che il modem deve usare ha una funzione di trasferimento H(f ) che e data dalla cascata di un doppino, con funzione di trasferimento del tipo Ae α f, e di un filtro anti-aliasing con frequenza di taglio f c = 3.5 khz. Inoltre, risulta H(0) = 0, ovvero non vi e componente continua. Il segnale vocale sta perfettamente dentro la H(f ). Un segnale numerico come puo essere fatto? Potrebbe essere un passa-banda con f 0 = 1700 Hz, B 3.5 khz). A.A Sistemi di Telecomunicazione 28/32

29 Accesso analogico e accesso digitale - III Vengono introdotti sul mercato dei modem (come la serie V.32) che lavorano con modulazione QAM e filtro a fattore di roll-off α, per cui si puo affermare che la banda occupata dal segnale e data da: B = R s(1 + α). Al migliorare del SNR sulla linea, aumenta il numero di livelli della costellazione. Inoltre, si sfrutta al massimo la banda disponibile con tecniche piu raffinate di equalizzazione, per combattere la distorsione. I modem si scambiano una serie di toni per stimare la risposta del canale e per decidere f 0 e R s, quindi si ottiene una velocita di trasmissione variabile a seconda delle condizioni del canale. Le procedure e le tecniche usate dai modem per effettuare la modulazione del segnale sono spesso molto sofisticate per sfruttare al meglio la piccola banda disponibile. Naturalmente esistono degli standard internazionali che descrivono i diversi tipi di modem, e per questo i modem di diversi costruttori possono comunicare senza problemi. Anche le interfacce di connessione tra il terminale d utente (il computer) e il modem sono standard, come ad esempio l interfaccia RS-232 (seriale), o USB. A.A Sistemi di Telecomunicazione 29/32

30 Accesso analogico e accesso digitale - IV In ricezione, il convertitore D/A in centrale converte il segnale numerico in un segnale a gradini (256 livelli non uniformi, durata 125 µs). Questo segnale viene filtrato (proprio allo scopo di tagliare gli spigoli, quando si tratta di un segnale vocale) e riconvertito A/D al modem. Ma perche prendere un segnale digitale, modularlo su un segnale analogico, per poi riconvertirlo in digitale? Non sarebbe piu semplice interfacciarsi direttamente con la rete digitale? Se l ISP trasmettesse direttamente un segnale numerico, il convertitore lo convertirebbe con la stessa legge: se potessi leggere l uscita non filtrata mi basterebbe un demodulatore d ampiezza a 256 livelli (a parte la piccola complicazione che i livelli d ampiezza sono non uniformi per la G.711), per ricevere un simbolo 256-PAM ogni 125 µs. Il problema e dato dal fatto che l utente non puo by-passare il filtro, in ricezione; in trasmissione, il convertitore A/D e posto in centrale, per cui l utente deve inviare un segnale analogico. A.A Sistemi di Telecomunicazione 30/32

31 Accesso analogico e accesso digitale - V L uso del modem ha consentito l utilizzo della rete telefonica con accesso analogico per il trasporto di segnali diverso da quello vocale. Una evoluzione delle rete telefonica classica e rappresentata dalla rete ISDN (Integrated Services Digital Network) la cui principale differenza rispetto alla rete telefonica classica e costituita dall utilizzo di una parte d accesso di tipo digitale. Cio vuol dire che la conversione dei segnali avviene direttamente nei dispositivi dell utente e non nella rete, che invece tratta direttamente flussi informativi digitali. Con l ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), e lo stesso gestore della rete telefonica che mette a disposizione il servizio, modificando le centrali e l accesso dell utente. In pratica viene sdoppiata la linea locale: la parte LP (LowPass) per la fonia, la parte BP (BandPass) per i dati. Le due parti vengono multiplate in centrale dopo la conversione in numerico del traffico voce (la linea telefonica rimane sempre libera). Ora il segnale dati non deve piu passare attraverso il filtro anti aliasing. Il modello del canale con cui bisogna fare i conti per il trasferimento dati torna ad essere la funzione di trasferimento del doppino telefonico. A.A Sistemi di Telecomunicazione 31/32

32 Diagramma a blocchi dell accesso ADSL A.A Sistemi di Telecomunicazione 32/32