Politecnico di Milano Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione. Il Livello Fisico

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1 Politecnico di Milano Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Il Livello Fisico

2 Funzionalità del livello fisico o Trasmissione: n n n Trasporto dei segnali in forma analogica Modulazione: trasformazione dei bit in segnali adatti al mezzo fisico e a una certa velocità Ripetizione dei segnali: amplificazione, rigenerazione o Sincronizzazione: acquisizione di frequenza e fase del flusso di bit o Multiplazione: somma di più flussi su un unico mezzo trasmissivo o Accesso multiplo: somma di più flussi su un unico mezzo trasmissivo da parte di stazioni diverse o Interlavoro: traduzione di modulazione 2

3 Politecnico di Milano Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Segnali ed Informazione

4 4 Segnali Logici Digitali o Segnali logici n informazioni numeriche

5 5 Segnali analogici tempo luminosità tempo o Sono associati a grandezze fisiche: pressione, tensione, corrente, campo EM

6 Caratterizzazione spettrale dei segnali analogici 6 o L analisi di Fourier consente di studiare qualsiasi segnale scomponendolo in sinusoidi o o I segnali periodici di periodo T e frequenza f=1/t possono essere scomposti in un numero discreto di sinusoidi di frequenza multipla di quella del segnale (serie di Fourier) Le sinusoidi componenti sono dette armoniche n k=1 ( ) f (t) = a a cos(kt)+ b sin(kt) k k

7 7 Caratterizzazione spettrale dei segnali analogici o La trasformata di Fourier generalizza l analisi delle serie di Fourier al caso di segnali non periodici o La trasformata scompone i segnali non periodici in un insieme continuo di armoniche o La funzione che descrive le ampiezze e le fasi delle sinusoidi componenti è lo spettro in frequenza del segnale.

8 Caratterizzazione spettrale dei segnali analogici 8 o E il contenuto in frequenze sinusoidali di un segnale Teorema di Fourier ( ) tempo ampiezza banda del segnale = massimo campo di frequenze usato frequenza

9 9 Effetto temporale della banda banda stretta tempo banda larga tempo banda equivale al dettaglio Δt Δt 1 2B

10 10 Segnali e Bande Banda di alcuni segnali Segnale telefonico Voce Musica TV (PAL) Cinema Hz Hz Hz Hz (5 MHz) MHz

11 11 Il campionamento Teorema di Nyquist (prima metà del Novecento) Una funzione del tempo è completamente determinata dai suoi campioni presi a distanza T tale che T <= 1/2B, dove B è la banda, o anche, usando la frequenza di campionamento f c = 1/T: f 2B = c f N segnale frequenza di Nyquist segnale campionato

12 12 Il campionamento Segnale Segnale telefonico Banda frequenza di campionamento Hz 8000 Hz Voce HZ HZ Musica Hz 40 KHz TV (PAL) Hz (5 MHz) 10 MHz Cinema MHz 1 GHz

13 13 Il campionamento fc 2 B = f N frequenza di Nyquist o In pratica i campioni presi alla frequenza di Nyquist rappresentano il contenuto informativo del segnale o Campioni più frequenti non sono indipendenti (l eccesso è inutile) o Campioni meno frequenti perdono informazione (il segnale non è più ricostruibile esattamente) o Si può inventare un segnale inventando i suoi campioni o la Banda rappresenta il contenuto informativo

14 14 Teorema del campionamento o Ogni segnale analogico di banda B può essere ricostruito interamente in base ai suoi campioni presi a frequenza 2B t

15 15 Teorema del campionamento o La ricostruzione avviene con un filtro che taglia le frequenze oltre B t Filtro Passa-basso t Impulsi: Δt à 0

16 16 Ricostruzione o La ricostruzione esatta avviene tramite semplice filtraggio o à Interpolazione con funzioni di banda B funzione interpolante segnale ricostruito Seno Cardinale o sinc

17 17 Quantizzazione o E l operazione con cui una grandezza continua (in valore) è trasformata in discreta o Nella trasformazione si commette un errore di approssimazione (quantizzazione) o Più livelli, meno errore di quantizzazione spazio continuo livelli discreti

18 18 Quantizzazione o Rappresentazione n con un numero di cifre m finito, tipicamente bit n un numero di livelli l finito Ampiezza Campione reale Campione quantizzato Errore di quantizzazione l=2 m Campione rappresentato in bit

19 19 Esempi Livelli di quantizzazione di alcuni segnali Segnale telefonico CD (musica) livelli di grigio livelli di colore 256 livelli (8 bit) livelli (16 bit) 256 livelli (8 bit) livelli (16 bit) (24 bit)

20 20 Conversione A-to-D campionatore base 2 quantizzatore Dunque i segnali analogici sono trasformabili in flussi di bit astratti, segnali logici digitali, con un approssimazione piccola a piacere

21 21 Flussi equivalenti Segnale Banda Frequenza campiona mento Segnale telefonico Hz Voce HZ Musica Hz TV (PAL) Hz (5 MHz) Flusso binario 8000 Hz 64 kb/s 8 bit bit / campione HZ 256 kb/s 16 bit 44 KHz 704 kb/s 8+8 bit 10 MHz 240 Mb/s Cinema MHz 1 GHz 24 Gb/s

22 22 o o Modulazione La trasmissione di un segnale digitale (numerico) richiede di creare un opportuno segnale che sia adatto ad essere trasportato dal mezzo trasmissivo. La sequenza digitale viene usata per modificare (modulare) un qualche parametro del segnale (modulato) inviato nel mezzo trasmissivo. Segnale numerico Modulatore numerico Segnale modulato (analogico) Segnale demodulato (numerico) Demodulatore numerico Mezzo Trasmissivo Segnale affetto da rumore e disturbi (analogico)

23 23 Modulazione o La modulazione di un segnale può avvenire in banda base o in banda passante o Banda base: i segnali usati nella modulazione hanno uno spettro contiguo rispetto all origine o Banda traslata: i segnali hanno un spettro traslato su intervalli di frequenze non contigue all origine S(f) S(f) f f

24 Modulazione o Esempio: Modulazione d ampiezza in banda base (PAM) Modulatore banda base Ampiezze h(t) Forma dell impulso +1: simbolo 1-1: simbolo 0 24

25 25 Modulazione o Esempio: Modulazione d ampiezza, di frequenza e di fase in banda traslata Modulatore banda passante ASK: Amplitude Shift Keying FSK: Frequency Shift Keying PSK: Phase Shift Keying

26 Politecnico di Milano Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione I Mezzi Trasmissivi

27 27 Canali trasmissivi o Il canale trasmissivo è l insieme di n trasmettitore n n mezzo trasmissivo ricevitore TX H(f) RX o E caratterizzato da una velocità di trasmissione v (kb/s) che dipende dalla banda del mezzo e dalla potenza ricevuta o e da un ritardo di propagazione del segnale τ

28 28 Banda di Canale H(f) o Il mezzo trasmissivo è caratterizzato da una funzione di trasferimento in frequenza H(f) H(f) Banda di canale equivalente B e f

29 29 Banda di Canale o Determina la larghezza dell impulso ricevuto H(f) Δt e Δt e 1 2B e durata equivalente

30 30 Velocità di Canale o E la velocità massima di trasmissione degli impulsi o Si misura in impulsi/s (baud) T affinché gli impulsi siano distinguibili occorre che velocità massima V = 1 T 2B e T Δt e 1 2B e

31 Velocità di trasmissione o E la velocità di trasmissione R misurata in bit/s o Dipende dal numero di bit b (livelli l) associati a ogni impulso b l = = log 2 b 2 l trasmissione binaria b=1 trasmissione quaternaria b=2 velocità di trasmissione massima con b bit : per simbolo R 2B b e 31

32 Tempo di trasmissione L bits TX T o Il tempo T per trasmettere L bits dipende dalla velocità di trasmissione T = L R 32

33 distanza percorsa D Ritardo di propagazione ritardo di propagazione τ o Il tempo τ affinché un impulso trasmesso dal TX raggiunga il RX dipende dalla distanza D (in m) e dalla velocità di propagazione v (in m/s, prossima alla velocità della luce) τ = D v TX RX 33

34 Tempi di attraversamento del canale 34 distanza percorsa D ritardo di propagazione τ L bit tempo di trasmissione T velocità di propagazione v = D/τ velocità di trasmissione R = L/T TX RX Ritardo fra la trasmissione del primo bit e la ricezione dell ultimo = T+ τ

35 35 Mezzi Trasmissivi o Sono i supporti del segnale fisico (quasi sempre onde elettromagnetiche) n linee n guide d onda n etere o Sono caratterizzati da una funzione di trasferimento, che definisce la caratteristica di ampiezza e fase frequenza per frequenza In H(f) Out

36 36 Mezzi Trasmissivi o La funzione di trasferimento definisce la banda usabile (a volte limitata artificialmente) o La banda definisce le frequenze usate e determina la velocità di trasferimento dei bit V (bit/s) o Il legame banda velocità è di tipo proporzionale, dove la costante di proporzionalità dipende dal tipo di modulazione (dal numero di livelli usati)

37 37 Mezzi trasmissivi o La caratteristica di ampiezza viene data come attenuazione in potenza, tipicamente dipendente dalla frequenza A (f) = P entrante P uscente X db = 10 log 10 X A db (f) = P entrante db - P uscente db

38 38 Mezzi Trasmissivi Dissipativi Cavi Coassiali Doppini

39 39 Mezzi non Dissipativi Fibre ottiche Radio Base Etere

40 40 Mezzi trasmissivi o L attenuazione superabile ha un limite ( db) in funzione della complessità della catena trasmissiva o Ciò pone un limite alle distanze fra trasmettitore e ricevitore o Sulle lunghe tratte la trasmissione è possibile grazie ai ripetitori che ricevono e ritrasmettono

41 41 Mezzi trasmissivi 100 Attenuazione (db/km) 10 1 UTP cat 5 Coax Fibra monomodo E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 1.E+14 1.E+16 frequenza (Hz)

42 42 Generalità sui Mezzi Trasmissivi Cavi Coassiali o o o larga banda bassa attenuazione schermati Doppino (Twisted pair) o o o o minor banda maggior attenuazione schermati e non schermati aperti a diafonia Fibre ottiche o o o o banda enorme bassissima attenuazione totalmente schermati più complesse da maneggiare

43 Mezzi trasmissivi radio o Mezzo Radio n Attenuazione favorevole n Banda limitata A = kd 2 Radio Base d molto grande A = kd x x compreso fra 3 e 4 ma d è piccola (fino a Km) 43

44 Ricezione Politecnico di Milano Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione

45 45 Sincronizzazione in ricezione o Gli orologi del trasmettitore e del ricevitore sono solo nominalmente uguali o In pratica il clock del ricevitore va sincronizzato (in frequenza e fase) con quello del trasmettitore istanti di lettura

46 Sincronizzazione nei canali punto-punto o punto-multipunto 46 o Il possibile trasmettitore è unico o Di solito la sincronizzazione è mantenuta continuamente con l invio di bit, anche quando non si trasmette informazione, o con l invio di segnali particolari bit TX RX

47 Sincronizzazione nei canali broadcast 47 o Se il possibile trasmettitore non è unico è praticamente impossibile una sincronizzazione di bit collettiva permanente o I ricevitori si sincronizzano al volo separatamente attraverso un preambolo di sincronizzazione aggiunto dal MAC bit di sincronizzazione bit informativi

48 Sincronizzazione nei canali broadcast 48 o Si noti che i bit del preambolo (non portatori di informazione) vengono mangiati durante la sincronizzazione in numero non prevedibile (dipende dalla realizzazione, dal rapporto segnale-rumore) sync o Occorre dunque un ulteriore funzione di allineamento prima di capire dove cominciano i dati

49 49 Errori in ricezione o o In ricezione è possibile che venga riconosciuta una sequenza di bit diversa da quella trasmessa (bit errati) Cause: o rumore termico (mezzi trasmissivi, apparati di ricezione e trasmissione) o o o o interferenza da altre trasmissioni sullo stesso mezzo disturbi elettromagnetici perdite di sincronismo etc,

50 Errori in ricezione o L effetto del canale può essere visto come una stringa additiva di bit, di valore 0 quando non c è errore e 1 quando c è errore stringa corretta stringa errore o o Gli errori vengono descritti con modelli casuali della stringa additiva (ogni bit della stringa additiva è una Variabile Casuale binaria X ) Nei casi semplici la descrizione è data dal tasso d errore e (frequenza media degli errori) stringa con errori 50

51 51 Errori in ricezione o o La probabilità d errore e cresce al diminuire dall energia associata al bit ricevuto L energia ricevuta E dipende dalla potenza ricevuta P r E = P T r = Pr R E T P r o La potenza ricevuta P r diminuisce con la distanza, dipendendo dal mezzo trasmissivo

52 52 Capacità di canale o Esiste un limite alla potenza trasmessa (e ricevuta) e o Dunque, fissato l errore e esiste un limite alla distanza massima raggiungibile con una certa velocità R δ D o Oltre questo limite si può aumentare la distanza raggiunta riducendo la velocità R R max δ D

53 53 Codici FEC o o Si può abbassare la probabilità d errore in un blocco adottando codici correttori d errore (Forward Error Correction - FEC) Questi consistono nell aggiungere dei bit di ridondanza (parità) in modo che gli errori che occorrono, se limitati in numero, possono essere corretti: codice (n,k) k bit di informazione n-k bit di parità o Sono progettati in modo da correggere sino a c errori (potere correttore del codice)

54 54 Codici FEC o o o Esempio: Codice a ripetizione (n,1) Consiste nella ripetizione n volte del bit da trasmettere (n-1) cifre di parità Con n dispari è in grado di correggere c=(n-1)/2 errori x xxxx

55 55 Codici FEC o o o La codifica viene fatta con circuiti logici in hardware (deve andare alla velocità di linea) Sono metodi molto dispendiosi. I codici usati hanno un rate (k/n) abbastanza basso 3/4, 1/2, 1/3, Sono usati su canali punto-punto molto rumorosi (es, canali radio)

56 Politecnico di Milano Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Multiplazione Fisica

57 57 Multiplazione fisica o E l operazione che si esegue sui canali che originano in un punto per far condividere a più segnali lo stesso mezzo Nodo 1 Nodo 2 Livello logico MPX Livello fisico DMPX

58 58 Multiplazione fisica o A livello fisico consiste nel suddividere la capacità di un canale a velocità costante in sottocanali di velocità costante (e inferiore) MPX DMPX canale condiviso

59 59 Multiplazione fisica o Si distingue per la caratteristica fisica attraverso la quale i diversi segnali vengono separati o A divisione: o di spazio o di frequenza (FDM Frequency Division Multiplexing) o di tempo (TDM Time Division Multiplexing) o di codice (CDM Code Division Multiplexing) o di lunghezza d onda (WDM Wavelwngth Division Multiplexing)

60 Multiplazione a divisione di spazio 60 o L esempio tipico si ha in un cavo a coppie, usato per concentrare i doppini d utente in telefonia o Oppure in cavi che portano diverse fibre ottiche o o,

61 61 Multiplazione a divisione di spazio o Antenne che irraggiano segnali diversi in fasci disgiunti

62 62 Multiplazione FDM o Il mezzo trasmissivo è caratterizzato da una banda di frequenze utilizzabili f min f max o La banda complessiva può essere divisa in sotto-bande cui associare un canale f min f max

63 63 Multiplazione FDM: Esempi o Asymmetric Digital Subscriber Loop (ADSL) o Tecnica di multiplazione di un canale dati sul normale doppino telefonico d utente o Dati e fonia sono multiplati a divisione di frequenza Voce 0-4Khz Uplink up to 1 Mb/s KHz Downlink up to 8 Mb/s 240 KHz - 2 Mhz f

64 64 Multiplazione FDM o Opera direttamente sul segnale analogico o Molto diffusa in passato o Tipica per la multiplazione di segnali analogici o Soppiantata dal TDM in telefonia e nelle reti o Di largo impiego per segnali a larga banda nell etere o Banda totale B = tot NB

65 65 Multiplazione TDM o E la procedura con cui l asse dei tempi è suddiviso in intervalli regolari (time slot) assegnati ciclicamente agli N canali da multiplare o Il periodo di assegnazione (N slot) è chiamato trama time slot trama o Benché nello slot possa esserci informazione analogica, nella pratica si trasmettono segnali numerici (bit o gruppi di bit)

66 66 TDM Numerico o I bit di N flussi vengono raccolti in code e trasmessi sul flusso di uscita a gruppi di K (interlacciamento di K bit) o Più grande è K e più sono i ritardi e le memorie necessarie trama K=3

67 67 TDM Numerico o I bit di N flussi vengono raccolti in code e trasmessi a una velocità N volte maggiore trama K=3

68 68 Principi del TDM numerico o La durata della trama deve uguagliare l intervallo di tempo in cui sul singolo canale in entrata arrivano i bit in numero pari a quelli trasmessi nella trama Trama m Trama m+1 Canale 1 Canale 1 entrata Canale 2 Canale 2 entrata Canale N Canale N entrata Canale 1 Canale 2 Canale N Canale 1 Canale 2 Canale N uscita

69 TDM: relazioni fra velocità V: velocità del flusso tributario (entrata) W: velocità del multiplex N: n. di tributari k: grado di interlacciamento (bit nello slot) T T : durata della trama MUX TDM k TT = TT = V V = k T T = W N 1 k bit N k W 2 N 1 2 N T T 69

70 Multiplazione CDM o La tecnica CDM consiste nel miscelare N flussi di bit previa moltiplicazione di ciascuno di questi con una parola di codice Ci scelta fra le N parole di un codice ortogonale o Le parole del codice sono costituite da N simboli binari, chiamati chip per distinguerli dai bit di informazione, di durata N volte inferiore al bit di informazione bit parola di codice chip 70

71 71 Codici ortogonali o Il segno dei chip di codici ortogonali può essere ottenuto con le matrici di Hadamard (relazione ricorsiva): H H 2 2 n = = 1 H H n n Esempio: N=4 H - H n n codice 1 codice 2 codice 3 codice 4

72 72 Codici ortonormali o Per capire facilmente la procedura CDM conviene fare riferimento a codici che siano normali, oltre che ortogonali, o Un codice è detto normale se tutte le sue parole possiedono energia unitaria, ossia se vale la relazione 2 C i ( t) dt =1

73 73 Multiplazione CDM b 1 codice 1 X X codice 1 integratore b 2 X X integratore codice 2 codice 2 b 3 X X integratore codice n codice n Σ i b i C i (t) uscita dal j-esimo demultiplatore: ( b i C i (t))c j (t) i dt = b i C j (t)c j (t)dt = b i

74 74 Multiplazione di lunghezza d onda o Wavelength Division Multiplexing (WDM) o E analogica o Consiste nel multiplare diversi flussi ottici a diversa frequenza (ossia diversa lunghezza d onda o diverso colore ) λ1 λ2 λ3 Σ

75 75 La multiplazione inversa o E usata per affasciare più canali fisici e ottenerne uno più veloce o I bit vengono distribuiti sui diversi canali lenti n singolarmente n o a gruppi (con più ritardo)

76 Politecnico di Milano Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Accesso Multiplo a livello fisico

77 77 L accesso multiplo o E la funzione che fa sì che diversi segnali, provenienti da nodi diversi, possano essere trasmessi sullo stesso mezzo broadcast Livello logico Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 Livello fisico AM AM AM AM Canale broadcast

78 78 Differenze fra Accesso Multiple e Multiplazione Multiplazione MPX Nodo 1 Nodo 2 DMPX Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 Accesso Multiplo AM AM AM AM Canale broadcast

79 79 L accesso multiplo o Come la multiplazione, a livello fisico richiede sempre di suddividere la capacità di un canale a velocità costante in sottocanali di velocità costante (e inferiore) n A divisione: o di spazio (SDMA Space Division Multiple Access) o di frequenza (FDMA Frequency Division Multiple Access) o di tempo (TDMA Time Division Multiple Access) o di codice (CDMA Code Division Multiple Access) o di lunghezza d onda (WDMA Wavelength Division Multiple Access)

80 Accesso multiplo divisione di spazio 80 o L esempio tipico si ha nell accesso telefonico

81 81 FDMA o E analogo a FDM f min f max o la banda complessiva può essere divisa in sotto-bande cui associare un utente f min f max

82 82 FDMA o Per ovviare a instabilità delle portanti (che qui sono generate da sorgenti diverse) occorre introdurre delle bande di guardia o Piccole se le portanti sono sufficientemente stabili o Esempi: n Trasmissioni radiofoniche e televisive n Sistema cellulare TACS (Total Access Cellular System) utilizza una portante modulata FM con banda di 25 khz per ciascun canale

83 83 FDMA: Esempio GSM accesso multiplo 25 MHz multiplazione 25 MHz Da mobile a base 124 portanti Da base a mobile 124 portanti MHz Ciascuna portante occupa una banda lorda di 200 KHz ed è modulata da un flusso binario a 270,833 Kb/s

84 84 TDMA o E l analogo del TDM o Vengono definiti degli slot temporali dedicati alla trasmissione delle diverse stazioni slot trama o La trasmissione delle stazioni dura in generale un periodo di diversi bit ed è chiamata burst o I bit del burst vengono raccolti in code e poi trasmessi nello slot al tempo opportuno

85 85 TDMA trama burst

86 86 TDMA o Il flusso di bit fra i vari utenti generalmente non è sincrono o Il ricevitore dovrà sincronizzarsi su un particolare flusso o Vanno adottati tempi di guardia fra gli slot slot trama tempo di guardia

87 87 Tempi di guardia o Sono dovuti la problema del sincronismo di slot o Problema: le stazioni devono accordarsi sull inizio degli slot

88 Sincronismo di slot canali broadcast centrali canali broadcast non-centrali 88

89 89 Canali broadcast centrali o Esiste un asse temporale di riferimento per tutte le stazioni e questo asse è quello riferito al ripetitore centrale o Ci si può sincronizzare attraverso un apposito segnale emesso dal sito centrale o da una stazione master e ripetuto dal ripetitore centrale riferimento 2t i = 2d i /v 2Δτ

90 90 Canali broadcast centrali o Le risposte arrivano disperse a causa delle diverse distanze (dispersione 2Δτ) o Un unico evento non ha un occorrenza univoca da parte delle diverse stazioni riferimento inizio slot? 2t i = 2d i /v 2Δτ

91 91 Canali broadcast centrali o Per evitare sovrapposizioni dei diversi slot anche l inizio slot deve avere larghezza 2Δτ o Ossia gli slot devono essere allungati di 2Δτ rispetto al tempo di trasmissione effettivo tempo di guardia 2Δτ

92 92 Efficienza TDMA o Efficienza trasmissiva = frazione di tempo utilizzata a trasmettere informazione o Posto n T g tempo di guardia n T i tempo per trasmettere l informazione n n i numero di bit trasmessi nello slot n W velocità di trasmissione di linea η = T i Ti + T g = 1 T 1+ T g i = 1 1+ T g W n i

93 93 Efficienza TDMA η = T i Ti + T g 1 = T 1+ T g i 1 = 1+ T o Meccanismo non scalabile g W n n A parità del resto, l efficienza scende: o all aumentare delle distanze (aumenta T g ) o all aumentare della velocità del canale W o al diminuire del numero di bit allocati nello slot i

94 94 TDMA: relazione tra velocità o La durata della trama deve uguagliare l intervallo di tempo in cui sul singolo canale arrivano i bit in numero pari a quelli trasmessi nella trama Tempi di guardia Intervallo di Trama T T Canale 1 Canale 2 Canale N uscita Canale 1 entrata Canale 2 entrata Canale N entrata

95 95 TDMA: relazione tra velocità W = T T ni ni = TT = N + Tg V W NV NVT 1 n i g NVT n i g = NT T T g < 1 V: velocità del flusso tributario (entrata) W: velocità del multiplex N: n. di tributari n: grado di interlacciamento (bit nello slot) T T : durata della trama Vincoli sui valori dei parametri

96 96 Esempio GSM o Ciascuna portante è suddivisa in trame temporali di 8 slot di 148 bit per l accesso ad altrettanti canali o Il sincronismo di trama è fornito dalla stazione base o Il sistema è definito per celle di circa 35 Km di raggio che presentano ai bordi 2Δτ = 252 ms pari a circa 68,25 bit alla velocità di 270,833 kb/s

97 97 Compensazione delle distanze o La stazione osservando l eco può variare l istante di trasmissione e compensare la differenza di distanze o Usato nel GSM: si anticipa la trasmissione all allontanarsi dalla base (timing advance, riduce il tempo di guardia a circa 8.25 bit) Potrebbe portare a sincronizzazione perfetta (in realtà ci sono sempre errori) riferimento utente a distanza 0

98 98 Canali broadcast non centrali o Non c è il riferimento unico in ricezione o Trasmissioni diverse possono combaciare in un punto ed essere distanti in un altro o Es, A trasmette e B risponde subito A eventi visti da A 2τ τ C eventi visti da C B eventi visti da B

99 99 Canali broadcast non centrali o Per evitare sovrapposizioni dei diversi slot questi devono essere più lunghi di 2 volte il ritardo di propagazione massimo T g = 2 max[τ ij ] Tempo di guardia Τ g Non è possibile la compensazione dei ritardi

100 100 Efficienza η = T i Ti + T g = 1 T 1+ T g i = 1 1+ T g W n i Fattore di efficienza η con n i =1000 bit W 100 m 1 Km 10 Km 100 Km 1 Mb/s 0,999 0,990 0,909 0,5 10 Mb/s 0,990 0,909 0,5 0, Mb/s 0,909 0,5 0,091 0, Mb/s 0,5 0,091 0,010 0,001

101 101 CDMA o Anche il CDMA è l analogo del CDM, ma o La perfetta ortogonalità dei codici esiste se questi sono allineati (sincronismo di chip) o Cosa praticamente impossibile da ottenere (V, tempi di guardia) sincronismo codice 1 codice 2 codice 3 codice 4

102 102 CDMA b 1 codice 1 X X codice 1 integratore b 2 X X integratore codice 2 codice 2 b 3 X X integratore codice n codice n o Perdita di ortogonalità = interferenza fra i canali o Si usano codici quasi ortogonali che, anche arbitrariamente disallineati, mantengono poca interferenza o Usato nel sistema UMTS (telefonini di 3a generazione)

103 103 Duplexing o E la modalità con la quale si ricavano i due sensi di trasmissione da un unico mezzo trasmissivo TX RX TX RX o Può essere visto come un caso particolare di accesso multiplo o In alcuni casi particolari si può ottenere che si possa trasmettere e ricevere contemporaneamente (FULL DUPLEX a livello fisico)

104 104 Duplexing o Nel caso in cui il canale non sia full duplex a livello fisico occorre ricorrere a tecniche di suddivisione della banda: n a divisione di spazio n a divisione di frequenza (FDD Frequency Division Duplexing) n a divisione di tempo (TDD Frequency Division Duplexing)

105 105 Duplexing a divisione di spazio o Nelle reti con connessioni punto-punto il duplexing avviene sempre a divisione di spazio coppie di supporti fisici cavi fibre etc, o Tradizionalmente il doppino d utente è usato nei due sensi (Full duplex a livello fisico)

106 106 Duplexing a divisione di frequenza es, GSM 25 MHz MHz Da mobile a base 124 portanti Da base a mobile 124 portanti MHz f 1 Radio Base f 2

107 107 Duplexing a divisione di tempo ISDN fra utente e centrale (unico doppino) utente downlink 240 bit uplink 240 bit 2τ max downlink uplink rete downlink 240 bit 2τ uplink 240 bit downlink uplink trama trama E un caso particolare di accesso multiplo

108 Politecnico di Milano Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Commutazione

109 109 La funzione di inoltro (relay) o Ha lo scopo di rinviare i segnali trasmissivi o Il relay può essere fatto o su porte prefissate o broadcast Livello logico Nodo 1 Nodo 2 Commutazione Livello fisico

110 110 Commutazione di circuito A X Y Z B Spazio Propagazione Trasmissione Elaborazione Instaurazione Ritardo end-to-end Dati Rilascio Tempo

111 111 Commutazione di pacchetto Il flusso di dati viene suddiviso in pacchetti o I pacchetti di tutti gli utenti condividono le risorse di rete o Ciascun pacchetto utilizza completamente il canale o Le risorse vengono usate a seconda delle necessità Contesa per le risorse o Store & forward: il commutatore deve ricevere l intero pacchetto prima di poter cominciare a trasmettere sul collegamento in uscita o Multiplazione statistica: accodamento dei pacchetti, attesa per l utilizzo del collegamento

112 112 Commutazione di pacchetto o Store and Forward A B C T 0 =inizio trasmissione T 1 =fine trasmissione T 2 =arrivo primo bit T 3 =arrivo ultimo bit Tempo di trasmissione: T=T 1 - T 0 =L/R L=lunghezza del pacchetto [bit] R=velocità di trasm. [bit/s] Ritardo di propagazione: τ=t 2 -T 0 =l/c l=lunghezza del coll. [m] C=velocità di prop. [m/s]

113 113 Store and forward o Rappresentazione alternativa: A T 1 B τ 1 T 2 C τ 2

114 Commutazione a Pacchetto Cut-Through 114 o Store-and-forward: il pacchetto deve essere completamente ricevuto prima di essere ritrasmesso o Cut-Through: il pacchetto viene ritrasmesso alla completa ricezione dell header

115 Multiplazione statistica A Ethernet a 10 Mbps Multiplexing statistico C B Coda dei pacchetti in attesa sul collegamento in uscita 1,5 Mbps D E La sequenza dei pacchetti A e B non segue uno schema prefissato Condivisione di risorse su richiesta multiplazione statistica. 115

116 116 Il ritardo dei pacchetti o o Ogni pacchetto sperimenta un ritardo variabile Elaborazione nel nodo n n Controllo errori Determinazione link di uscita (table lookup) o o o Tempo di attesa n Tempo nella coda in attesa di poter essere trasmesso Tempo di trasmissione Ritardo di propagazione A trasmissione propagazione B elaborazione attesa

117 117 Fonti di ritardo o Processing: n Controllo d errore n Scelta link in uscita o Accodamento n Tempo di attesa in coda n Dipende dal livello di congestione nel router A transmissione propagazione B processing accodamento

118 Ritardo nelle reti a pacchetto q Ritardo di trasmissione: o Ritardo di propagazione: n R=banda del link [bit/ s] n l = lunghezza del link fisico [m] n n L=lunghezza del pacchetto [bits] Tempo per immettere i bit sul link T = L/R n n c = velocità di propagazione nel mezzo (~2x10 8 [m/sec]) Ritardo di propagazione τ = l/c A transmissione propagazione B processing accodamento 118

119 119 Ritardo Complessivo d = d + d + d + nodo proc queue trans d prop o d proc = ritardo di processing n Dell ordine di µs (10-6 s) o d queue = ritardo di accodamento n Dipende dalla congestione o d trans = ritardo di trasmissione n Dipende dalla lunghezza del pacchetto e dalla banda del link o d prop = ritardo di propagazione n Dipende dalle caratteristiche fisiche del link, da pochi µs a centinaia di ms

120 Architettura semplificata di un nodo 120 I/O Bus DMA Ctrl 3 CPU 2 1 Main Memory System Bus DMA Xfer NIC NIC NIC Fast Ethernet FDDI ATM 1. Packet input 2. Header processing Routing table lookup DMA transaction 3. Packet output NIC = Network Interface Controller DMA = Direct Memory Access

121 Modello di un nodo Arrivo pacchetti dalle interfacce Elaborazione pacchetti e scelta dell uscita Attesa per analisi pacchetto Attesa per trasmissione pacchetto Trasmissione sulle interfacce d uscita 121

122 Ritardo di accodamento Esempio 1 A B C A T 1 attesa I pacchetti possono attendere nella coda d uscita di un interfaccia B τ 1 T 2 C τ 2 122

123 Ritardo di accodamento Esempio 2 Interfacce diverse A B hanno code d uscita C separate ed indipendenti D A T 1 B τ 1 T 2 C τ 2 123

124 Ritardo di accodamento Esempio 2 Interfacce diverse A B hanno code d uscita C separate ed indipendenti D A T 1 T 1 B τ 1 T 3 D τ 3 124

125 125 Ritardo di Accodamento o Del ritardo di accodamento si possono fare dei modelli statistici basati sulla teoria delle code: n R=banda del link [b/s] n L=lunghezza pacchetto (bits) n a=frequenza di arrivo dei pacchetti Intensità di traffico = L a/r o L a/r ~ 0: ritardo in coda piccolo o L a/r -> 1: il ritardo tende all infinito

126 Perdite di pacchetti in Internet 126 o Le code hanno dimensioni limitate o In congestione (coda piena) i pacchetti che arrivano vengono scartati o I pacchetti persi possono essere ritrasmessi o meno a seconda del livello/protocollo che gestisce l evento di perdita (vedremo esempi a livello di linea e di trasporto).

127 Commutazione di pacchetto: datagram e circuito virtuale 127 o Esistono due tipi di commutazione di pacchetto: n Datagram n Circuito virtuale

128 128 Datagram o Nella commutazione datagram la scelta della porta d uscita viene fatta sulla base del solo indirizzo di destinazione o I pacchetti dello stesso flusso sono inoltrati indipendentemente tabella di instradamento destinazione porta di uscita

129 129 Circuito virtuale o I nodi identificano i pacchetti di un flusso informativo sulla base di un identificativo di circuito virtuale (CVI o label) o Il circuito virtuale viene instaurato in una fase di setup prima della fase dati o Dopo la fase di setup i pacchetti seguono tutti lo stesso percorso in rete perché sono instradati sulla base dell identificativo di circuito virtuale tabella di instradamento label porta di uscita

130 130 Circuito virtuale o Assegnazione dell identificativo di circuito virtuale: n globale n locale id. ingresso uscita id. uscita