SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI

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1 SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI MODI DI TRASFERIMENTO SERVIZI DI TRASFERIMENTO DELL INFORMAZIONE L informazione da trasferire si ipotizza strutturata in IU Costituita da b bit Da consegnare in t secondi Se esiste un unico canale fra sorgente e destinazione deve operare alla frequenza di cifra minima di b/t [bit/sec] Banda È la frequenza di cifra alla quale opera un canale Sorgente e destinazione sono solitamente collegati attraverso una rete Se il collegamento fra sorgente e destinazione avviene attraversando n canali in serie ognuno deve operare almeno a una frequenza di cifra pari a n b/t [bit/sec] MODI DI TRASFERIMENTO 2 1

2 SERVIZI DI TRASFERIMENTO DELL INFORMAZIONE Modo di trasferimento delle IU attraverso una rete Tecnica di multiplazione Specifica come viene condivisa la banda disponibile su uno specifico ramo della rete FDM o WDM TDM CDM Modalità di commutazione Specifica come le IU ricevute da un nodo attraverso le porte di ingresso vengono inoltrate verso le porte di uscita Architettura protocollare Descrive le regole secondo le quali i nodi della rete si possono scambiare informazioni MODI DI TRASFERIMENTO 3 MULTIPLAZIONE Tecniche di multiplazione L obiettivo della multiplazione è la condivisione dello stesso portante trasmissivo da parte di più flussi informativi Deve essere mantenuta la separabilità dei diversi flussi informativi Le tecniche di multiplazione possono essere distinte a seconda di come i diversi flussi vengono interlacciati: A divisione di spazio: assegnando fisicamente un portante diverso per ogni flusso A divisione di frequenza (FDM) o a divisione di lunghezza d onda (WDM): traslando il contenuto in frequenza di ogni flusso in maniera tale che non si abbia sovrapposizione degli stessi A divisione di tempo (TDM): assegnando il portante ai diversi flussi in maniera esclusiva nei diversi istanti di tempo A divisione di codice (CDM): utilizzando una codifica ortogonale dei diversi flussi informativi MODI DI TRASFERIMENTO 4 2

3 MULTIPLAZIONE Multiplazione FDM o WDM TDM CDM MODI DI TRASFERIMENTO 5 FDM MULTIPLAZIONE Già a partire dal 1918 si è utilizzata la tecnica della multiplazione a divisione di frequenza (FDM Frequency Division Multiplexing) Lo spostamento dei canali viene ottenuto mediante modulazione d ampiezza tipicamente a banda laterale unica (SSB Single Side Band) con portante soppressa Per evitare sovrapposizione dei diversi segnali ad ogni canale viene assegnata una banda lorda (di 4kHz nel caso di canali telefonici) più larga rispetto alla banda netta assegnata ad ogni segnale in banda base MODI DI TRASFERIMENTO 6 3

4 MULTIPLAZIONE FDM Ogni canale viene rappresentato mediante un triangolo rettangolo il cateto verticale indica la posizione occupata dalla frequenza più alta (4kHz per i canali telefonici) nel segnale modulato si può determinare facilmente se i canali sono in posizione dritta o rovesciata MODI DI TRASFERIMENTO 7 MULTIPLAZIONE FDM TELEFONICO Si supponga di avere n canali telefonici in banda base si devono avere n modulatori con portanti f 1, f 2,, f n f f 4 khz i j per risparmiare in banda in genere si pone = + i+ 1 i 4 i j f f khz ogni banda laterale viene prelevata con dei filtri selettivi il tutto viene poi inviato sul canale In ricezione si preleva ogni canale mediante dei filtri e poi si effettua la demodulazione utilizzando la relativa frequenza portante MODI DI TRASFERIMENTO 8 4

5 FDM TELEFONICO MULTIPLAZIONE MODI DI TRASFERIMENTO 9 MULTIPLAZIONE FDM TELEFONICO Si utilizza la tecnica della modulazione di gruppo i canali vengono affasciati in gruppi base sempre più grandi fino ad arrivare alla allocazione alla frequenza prevista Normalizzazione del CCITT (prima procedura) Gruppo base primario A 12 canali in posizione dritta fra 12 e 60kHz poco utilizzato per la presenza di armoniche nella stessa banda Gruppo base primario B 12 canali in posizione rovesciata fra 60 e 108kHz Gruppo base secondario 5 gruppi primari B (60 canali) in posizione dritta fra 312 e 552kHz Gruppo base terziario 5 gruppi secondari (300 canali) in posizione rovesciata fra 812 a 2044kHz Gruppo base quaternario 3 gruppi terziari (900 canali) in posizione dritta fra 8516 e 12388kHz MODI DI TRASFERIMENTO 10 5

6 MULTIPLAZIONE FDM TELEFONICO Normalizzazione del CCITT (seconda procedura) Gruppo base primario A 12 canali in posizione dritta fra 12 e 60kHz poco utilizzato per la presenza di armoniche nella stessa banda Gruppo base primario B 12 canali in posizione rovesciata fra 60 e 108kHz Gruppo base secondario 5 gruppi primari B (60 canali) in posizione dritta fra 312 e 552kHz Gruppo base pseudo-quaternario 15 gruppi secondari (900 canali) in posizione rovesciata fra 312 a 4028kHz il primo gruppo secondario rimane posizione dritta Sono stati anche adottati degli schemi che prevedono l affasciamento di 2700 canali fra 312 e 12336kHz e canali con una larghezza di banda di 60MHz MODI DI TRASFERIMENTO 11 Severità dei filtri E il rapporto fra l ampiezza della banda di transizione e la frequenza centrale del filtro Un filtro risulta essere tanto più difficile da realizzare quanto più piccola è la sua severità Al crescere del numero di canali lo schema presentato diventa irrealizzabile in quanto prevede l uso di filtri con banda passante di 4kHz, banda di transizione ( f) di 900Hz e frequenze centrali (F) dell ordine dei MHz MODI DI TRASFERIMENTO 12 6

7 Piani di modulazione per la realizzazione del gruppo base primario B Il CCITT non ha normalizzato piani di modulazione per la formazione del gruppo primario I filtri di canale sono i più severi tra quelli presenti nei terminali di multiplazione FDM Il numero di apparati è sensibilmente più elevato rispetto ai gruppi di ordine più elevato E stata necessaria un ottimizzazione sia dal punto di vista tecnico che economico I sistemi utilizzati si possono raggruppare in tre categorie A modulazione diretta Con modulazione a pregruppi A premodulazione MODI DI TRASFERIMENTO 13 Modulazione Diretta per la realizzazione del gruppo base primario B I 12 canali vengono direttamente traslati dalla banda base a quella del gruppo base primario B 12 portanti distanziate di 4kHz da 64 a 108kHz 12 filtri per prelevare la banda laterale inferiore l intervallo f rimane costante (900Hz) mentre la frequenza centrale F cresce con il numero di canale il filtro più severo sarà quello che lavora alla frequenza più alta MODI DI TRASFERIMENTO 14 7

8 Modulazione a pregruppi per la realizzazione del gruppo base primario B I 12 canali vengono raggruppati (ad esempio a gruppi di 3) modulazione, filtro di canale, affasciamento Ogni pregruppo viene modulato per traslarlo nella banda del gruppo base primario B modulazione, filtro, affasciamento MODI DI TRASFERIMENTO 15 Premodulazione a frequenza unica per la realizzazione del gruppo base primario B I 12 canali vengono in un primo momento modulati a una stessa banda intermedia esterna alla banda kHz (tipicamente 48kHz) Mediante 12 filtri viene eliminata la banda laterale superiore Una seconda modulazione con 12 portanti a frequenza distanziata di 4kHz permette di portare i canali nella banda kHz Un unico filtro passa basso permette l eliminazione delle bande laterale superiori MODI DI TRASFERIMENTO 16 8

9 Confronto delle varie tecniche di premodulazione La limitazione più rigorosa è data dai filtri di canale La larghezza di banda relativa del filtro di canale è un indice della sua severità Quando il costo dei modulatori era paragonabile a quello dei filtri la tecnica più utilizzata era quella dei pregruppi Con l abbassarsi dei costi dei modulatori la tecnica più utilizzata è stata quella della premodulazione a frequenza unica MODI DI TRASFERIMENTO 17 WDM MULTIPLAZIONE La tecnica di multiplazione è identica alla FDM Si chiama WDM per ragioni storiche legate allo sviluppo della fibra ottica Le sorgenti sono di tipo numerico e modulano le diverse portanti a diversa lunghezza d onda Canale in fibra ottica MODI DI TRASFERIMENTO 18 9

10 MULTIPLAZIONE CDM MODI DI TRASFERIMENTO 19 CDM MULTIPLAZIONE MODI DI TRASFERIMENTO 20 10

11 Sistemi di comunicazione a spettro espanso (Spread Spectrum - SS) Obiettivi Resistenza al jamming Nascondere il segnale con trasmissioni a bassa potenza Altre applicazioni Multiplazione CDM L espansione di banda si ottiene attraverso l uso di un codice indipendente dalla sequenza informativa che ha le caratteristiche di un rumore bianco (sequenza pseudocasuale, pseudorandom number PN) Tecniche di modulazioni utilizzate Phase shift keying PSK: Direct Sequence Spread Spectrum (DS-SS) Frequency shift keying FSK: Frequency Hopping Spread Spectrum (FH-SS) MODI DI TRASFERIMENTO 21 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Si consideri la trasmissione di una sequenza binaria caratterizzata da un rate R b e da un periodo di bit T b legati dalla relazione Supponiamo che il canale abbia una banda disponibile Vogliamo fare in modo che il segnale modulato occupi l intera banda disponibile La sequenza informativa può essere scritta come Dove g T (t) è un impulso rettangolare di durata T b MODI DI TRASFERIMENTO 22 11

12 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Possiamo considerare una sequenza pseudocasuale {c m } fatta da simboli ±1 e generare un segnale della forma Dove p(t) è un impulso rettangolare di durata T c e vale la relazione Considerata la funzione nel dominio della frequenza sarà MODI DI TRASFERIMENTO 23 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Considerando una forma semplificata per lo spettro dei segnali si ottiene l andamento in figura dalla quale si evince l operazione di spreading dello spettro MODI DI TRASFERIMENTO 24 12

13 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Il segnale espanso può essere portato in banda traslata attraverso una modulazione DSB ottenendo il segnale da trasmettere nella banda desiderata Essendo sarà con Il segnale u(t) è quindi implementabile come BPSK MODI DI TRASFERIMENTO 25 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Il periodo T c deve essere un sottomultiplo intero del periodo di bit T b e si chiama periodo di chip Il rate R c si chiamerà chip rate Indicheremo con MODI DI TRASFERIMENTO 26 13

14 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Per effettuare la demodulazione si moltiplica il segnale in banda traslata per una replica in fase del segnale c(t) ottenendo (trascurando rumore e interferenze) ma essendo sarà che può essere demodulato come un segnale BPSK Prima della demodulazione BPSK il segnale viene filtrato con un filtro passa banda di ampiezza 2R b MODI DI TRASFERIMENTO 27 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Operazioni per la demodulazione Despreading Filtro passa banda di ampiezza 2R b Demodulazione BPSK MODI DI TRASFERIMENTO 28 14

15 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Se al segnale in ricezione si sovrappone una interferenza a banda stretta (ad esempio un segnale sinusoidale a frequenza f I e di ampiezza A I ) sarà, dopo l operazione di despreading Quindi nel dominio della frequenza MODI DI TRASFERIMENTO 29 Sistemi di comunicazione a spettro espanso La potenza del segnale sinusoidale P I, dopo il despreading si spalma nell intervallo di frequenze [f i -R c, f i +R c ] e [-f i -R c, -f i +R c ] Prima della demodulazione il BPF preleverà solo le frequenze nella banda [f c -R b, f c +R b ] e [-f c -R b, -f c +R b ] Di conseguenza la potenza dell interferenza a monte del demodulatore sarà MODI DI TRASFERIMENTO 30 15

16 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Si può dimostrare che la probabilità d errore per bit risulta dove E b è l energia per bit e N 0 la densità spettrale di potenza del rumore e/o delle interferenze all ingresso del demodulatore BPSK Sarà in db con MODI DI TRASFERIMENTO 31 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Trasmissione di segnali difficilmente intercettabili Il segnale DS-SS può essere facilmente nascosto nel rumore. Se il segnale occupa una banda W e il rumore ha una densità spettrale di potenza N 0,il rumore che giunge all ingresso del ricevitore sarà Supponiamo di voler fare in modo che sia e che desideriamo troviamo MODI DI TRASFERIMENTO 32 16

17 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Trasmissione di segnali multiplati CDM In questo caso l interferenza è causata dagli altri utenti che occupano la stessa banda e che usano codici PN ortogonali Il livello dell interferenza dipenderà dal numero di canali attivi Supponendo che la potenza ricevuta sia uguale per tutti i canali sarà Accontentandoci di una P b 10-6 e supponendo che il guadagno di processamento sia pari a 30dB si trova che MODI DI TRASFERIMENTO 33 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Generazione dei codici PN Le sequenze PN dovrebbero avere delle caratteristiche simili a quelle del rumore bianco In realtà, attraverso dei registri a scorrimento di m bit opportunamente retroazionati, si riescono ad ottenere delle sequenze di lunghezza L=2 m - 1 (e quindi periodiche) Definita l autocorrelazione devono godere della proprietà MODI DI TRASFERIMENTO 34 17

18 Sistemi di comunicazione a spettro espanso Codici PN ortogonali Nelle applicazioni come il CDM è importante che anche la crosscorrelazione fra sequenze diverse sia sempre nulla Nella realtà si riescono ad ottenere dei codici che godono della proprietà che la cross-correlazione si mantiene bassa Si utilizzano delle tecniche speciali sempre a partire dalle sequenze ottenute con i registri a scorrimento ad m bit Fra queste ricordiamo Sequenze di Gold Massima cross-correlazione pari a L 1/2 Sequenze di Kasami Massima cross-correlazione pari a (2L) 1/2 MODI DI TRASFERIMENTO 35 MULTIPLAZIONE TDM Dato un canale di banda C si costruiscono intervalli di canale (slot) di durata multipla del tempo di cifra T b =1/C Durante uno slot la trasmissione viene effettuata esclusivamente da un unico flusso intervallo di canale o slot tempo di bit t MODI DI TRASFERIMENTO 36 18

19 MULTIPLAZIONE TDM Accesso centralizzato Sorgenti e destinazioni sono poste alle due estremità del canale Il canale è terminato da dispositivi multiplatore e demultiplatore che garantiscono la corretta distribuzione delle IU multiplatore demultiplatore MODI DI TRASFERIMENTO 37 MULTIPLAZIONE TDM Accesso distribuito Sorgenti e destinazioni sono collocati in posizione arbitraria lungo il canale La funzione di coordinamento per l accesso ordinato al canale avviene in maniera distribuita MODI DI TRASFERIMENTO 38 19

20 MULTIPLAZIONE TDM Tassonomia Continuous L asse dei tempi non è suddiviso in unità di lunghezza costante Il multiplatore può iniziare a trasmettere IU di lunghezza arbitraria in qualunque istante Le diverse IU devono essere delimitate in maniera esplicita Slotted L asse dei tempi è suddiviso in unità di lunghezza costante (slot) In ogni slot viene trasmessa una IU (che devono essere di lunghezza fissa) Le diverse IU possono essere delimitate in maniera implicita Periodic Gli slot vengono allocati in maniera ripetitiva alle singole sorgenti Statistical Non vi è alcuna assegnazione degli slot alle sorgenti MODI DI TRASFERIMENTO 39 Continuous MULTIPLAZIONE TDM Slotted MODI DI TRASFERIMENTO 40 20

21 MULTIPLAZIONE TDM SLOTTED PERIODIC Gli slot sono organizzati in trame di durata T La lunghezza di ogni slot e quindi il numero degli slot per trama è fisso All inizio di ogni trama viene inviata una informazione di allineamento Delimitazione implicita Sarà possibile individuare implicitamente i confini tra gli slot e quindi separare le IU ricevute Indirizzamento implicito Se il collegamento è realizzato da N coppie sorgente-destinazione la trama conterrà almeno N+1 slot Consideriamo la generica coppia i sorgente-destinazione, costituita dalla sorgente in posizione j e dalla destinazione in posizione k Il multiplatore utilizzerà sempre lo slot in posizione i per la trasmissione delle IU provenienti dalla sorgente j Il demultiplatore invierà l informazione ricevuta nello slot in posizione i sempre alla destinazione k MODI DI TRASFERIMENTO 41 SLOTTED PERIODIC MULTIPLAZIONE TDM Slot di posizione 1 assegnato sempre alla coppia sorgente-destinazione 1 Slot di allineamento trama MODI DI TRASFERIMENTO 42 21

22 MULTIPLAZIONE TDM SLOTTED STATISTICAL Non esiste alcuna organizzazione di trama L allocazione della banda del canale alle diverse sorgenti avviene in maniera statistica Delimitazione implicita E sempre possibile individuare i confini tra gli slot e quindi la delimitazione delle IU è implicita Allineamento Non essendo presente una struttura di trama l informazione di allineamento deve essere inviata per ogni singola IU Indirizzamento esplicito Ogni IU deve contenere l informazione della destinazione MODI DI TRASFERIMENTO 43 SLOTTED STATISTICAL MULTIPLAZIONE TDM Informazione di allineamento e indirizzamento esplicito per ogni slot MODI DI TRASFERIMENTO 44 22

23 MULTIPLAZIONE TDM MODI DI TRASFERIMENTO 45 SERVIZI DI TRASFERIMENTO DELL INFORMAZIONE Obiettivi di una rete di telecomunicazioni Fino agli anni 70: trasportare quantità di informazioni sempre più grandi (sempre dello stesso tipo) Dopo gli anni 70: integrare il supporto di più servizi su una stessa rete Migliorare la qualità della comunicazione Abbassare il costo dei servizi Integrare l accesso (ISDN) Integrare il trasporto (B-ISDN) Supporto di servizi multimediali e multipunto MODI DI TRASFERIMENTO 46 23