Fondamenti di Reti Telecomunicazioni: topologie e algoritmi di routing

FONDAMENTI DI RETI TELECOMUNICAZIONI

CORSO INGEGNERIA ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI 2022-2023

CARATTERISTICHE DEL CORSO:

• PROFESSORE: ROMAHO FANTACCI
• CORSO DA : 6 CFU
• MODALITÀ DI ESAME: UNICO ORALE

CARATTERISTICHE APPUNTI:

IMPORTANTE FORMULE MOLTO IMPORTANTI ARGOMENTI RICHIESTI DAL PROFESSORE

INTRODUZIONE

Con il termine telecomunicazione si intende la capacità di due o più individui (o dispositivi) di condividere informazioni attraverso collegamenti wireless o cablati. Una rete di telecomunicazioni è quindi un insieme di dispositivi e dei rispettivi collegamenti (fisici o logici) che consentono la trasmissione e la ricezione di informazioni tra due o più utenti.

STRUTTURA DELLA COMUNICAZIONE

DATI IN INGRESSO SEGNALE TRASMESSO SEGNALE RICEVUTO DATI IN USCITA 1 1 1 1 SORGENTE TRASMETTITORE CANALE RICEVITORE UTENTE

TOPOLOGIA FISICA DI UNA RETE

RAPPRESENTAZIONE GEOMETRIA DEI COLLEGAMENTI TRA I NODI NELLO SPAZIO

• MAGLIA: ogni dispositivo ha una connessione dedicata punto-punto. In una rete di n nodi si hanno n(n-1) collegamenti. ((n(n-1)/2) se sono bilaterali). Vantaggi: collegamenti dedicati ed esclusivi con tutti gli altri nodi della rete, resiliente nei confronti dei guasti (che interessano i singoli collegamenti e non influiscono sul corretto funzionamento dell'intera rete) Svantaggi: bassa utilizzazione dei singoli collegamenti, ogni nodo deve avere molteplici porte di I/O, impossibile l'uso quando numero dei nodi è elevato.
• STELLA: i nodi hanno un collegamento dedicato verso un controllore centrale, hub o commutatore. Nodi non direttamente collegati tra loro, il nodo sorgente invia i dati al controllore centrale che a sua volta indirizza al nodo di destinazione. Vantaggi: riduce il numero di collegamenti e quindi di conseguenza basta solo una porta I/O su ogni nodo (minore costo di istallazione e riconfigurazione), resistente ai guasti di nodi individuali. Svantaggi: se il nodo centrale si guasta implica il blocco di tutta la rete.
• BUS: i nodi sono fisicamente connessi ad un bus tramite un connettore. Vantaggi: facile implementazione Svantaggi: Sensibile a guasti (se si guasta il bus tutta la rete non funziona più), difficile aggiungere nuovi nodi.
• ANELLO-RING: ogni dispositivo della rete possiede due connessioni punto-punto con i nodi adiacenti. Topologia attiva: ogni nodo fa da ricevitore-ripetitore. Vantaggi: semplice da installare e configurare. Svantaggi: limite nel numero di dispositivi connessi e nella lunghezza dell'anello, rete inutilizzabile nel caso di un guasto a un nodo (risolvibile con un doppio anello).

MAGLIA STELLA BUS ANELLO/RING

RETE TELEFONICA

La rete telefonica è stata introdotta alla fine del XIX secolo per fornire un servizio di comunicazione vocale ai propri utenti. Nell'ultimo decennio la rete telefonica ha migrato da una tecnologia di trasmissione analogica a una tecnologia di trasmissione numerica. Tratteremo di reti telefoniche pubbliche, che hanno una architettura a piani gerarchici. Gli elementi appartenenti ai due piani superiori sono collegati a maglia, questo per garantire un' elevata affidabilità per quanto riguarda guasti accidentali localizzati in questi due piani, in quanto pregiudicherebbero il funzionamento dell'intera rete. A partire dal piano delle centrali di compartimento i legami sono effettuati a stella.

STRUTTURA DELLA RETE TELEFONICA

CN: CENTRO NAZIONALE COMUNICANO CON ALTRI PAESI CC: CENTRO DI COMPORTAMENTO - LIVELLO REGIONALE CD: CENTRO DI DISTRETTO -RAGGRUPPA PIÙ CITÀ' RETE COMPLESSA CS: CENTRO DI SETTORE RAGGRUPPA L'INTERA CITÀ' CRU: CENTRO RETE URBANA - SONO LE BOX PER STRADA CHE AGGREGANO I DOPPINI DEGLI EHD-SERVER UTENTI UTENTI

COLLEGAMENTI DIRETTI FRA MODI COLLEGAMENTI DI "BACKUP" USATI PER QUANDO IL COLLEGAMENTO DIRETO SI GUSTA È RENDOMO PIÙ ROBUSTA LA RETE

PIÙ SALIAMO DI LIVELLO MIGLIORE SARÀ IL COLLEGAMENTO FRA HONI

La telefonia può essere di due tipi:

ANALOGICA:

Al canale telefonico viene associata la banda nominale di 4 KHz nell'intervallo [0 - 4]KHz. Come banda utile si considera però [300-3400] KHz, entro la quale il segnale non deve essere distorto. Il processo di modulazione analogica consente di traslare la banda utile del segnale in un intervallo di frequenze più conveniente in relazione ad un particolare mezzo fisico. Quello che otteniamo dopo il passaggio dal canale è un segnale distorto che poi in ricezione viene ricostruito, ma senza eliminarne i difetti (limite telefonia analogica). I disturbi si eliminano con la telefonica numerica.

NUMERICA:

Mediante la procedura di campionamento, si passa da segnali tempo-continui a segnali tempo-discreti: operazione mediante la quale si definiscono valori che il segnale originario assume in corrispondenza di istanti di tempo specifici (istanti di campionamento). Per far si che da questo insieme discreto di valori sia possibile ricostruire il segnale continuo originale, con banda limitata, occorre basarsi sul Teorema del campionamento (afferma che il passo di campionamento sia fs≥ 2B; quindi che il periodo di FREQUENZA DEL SEGNALE campionamento Ts ≤1/2B). Mediante la procedura di quantizzazione si trasformano i valori reali dei campioni in valori interi, introducendo inevitabilmente un errore di quantizzazione. Il passo finale è rappresentare questi numeri in binario (il numero dei bit utilizzati definisce l'accuratezza di tutta l'operazione). Nel caso di un segnale fonico, lo standard della telefonia numerica prevede per ogni campione una rappresentazione a 8 bit. Il valore di B convenzionale è B = 4 KHz, quindi si campiona con passo massimo Ts=125us (1/2B). ( in 125us posso inviare minimo 8 bit). Questo comporta che il tempo utilizzato per la trasmissione di 1 bit è J=Ts/8. Quindi la banda del canale necessaria per la trasmissione, senza distorsione, di un segnale fonico in forma numerica, quantizzato a 8 bit è 64 KHz (1/ J; passa un bit alla volta). A cui corrisponde una velocità di trasmissione dei singoli bit di: R=8/Ts= 64 Kbit/s. ( Bit rate convenzionale ).

B = 1/2

La modalità di trasmissione di un segnale fonico in formato numerico è nota come PCM (Pulse Code Modulation).

SEGNALE IN INGRESSO SEGNALE IN USCITA CAMPIONAMENTO QUANTIZZAZIONE CODIFICA 05 010 01000 01110 10111 01010

Confronto Analogico/ Digitale:

• La telefonica numerica ha una migliore immunità ai disturbi di canale di trasmissioni a lunga distanza, in quanto il segnale finale sarà influenzato solo dalle distorsioni introdotte nell'ultima tratta.
• La telefonia numerica ha costi contenuti.
• La telefonia numerica ha un livello di sicurezza (riservatezza) maggiore.
• La telefonia numerica ha una maggiore flessibilità di utilizzo. Nell' analogico gestire segnali diversi è più complesso, visto che ad esempio un segnale audio o video differiscono abbastanza nella forma d'onda. Mentre se si inviano segnali digitali tutto risulta più semplice e diretto (visto che tanto trattiamo comunque un segnale binario, che sia video o audio cambia poco).
• La telefonia numerica introduce una penalizzazione per quanto riguarda la richiesta minima di banda per un collegamento, da 4 KHz a 64 KHz. Ma visto che tra un invio e l'altro devono passare 125 us abbiamo dei "buchi". Per non sprecare questo tempo possiamo riempirlo con altri canali/utenti.

TECNICHE DI MULTIPLEXING

Il multiplexing consente la condivisione di uno stesso canale fisico tra più segnali (utenti).

Divisione di frequenza (FDM):

Utilizzata in genere per segnali analogici. Prevede la suddivisione della banda di frequenza disponibile (canale di trasmissione) in un numero di sottobande (sottocanali) pari al numero di utenti. Questo viene implementato con la modulazione, che permette la translazione di un segnale in frequenza. In ricezione ci sarà un filtro passa-banda, che mi seleziona le frequenze desiderate e poi con la demodulazione si ottiene il segnale di nostro interesse. In questa tecnica c'è la necessità di avere degli intervalli di guardia, ossia brevi intervalli di frequenze in testa e in coda a quelle utili per ogni utente, in modo da evitare interferenze dovute alla presenza di trasmissione su unale contiguo. Modalità secondo cui canali fonici di banda 4 KHz sono aggregati tra loro: gruppo base (12 canali, gruppo), super gruppi (60 canali), gruppi master (300 canali).

Canale 1 Canale 2 Canale N

Divisione di tempo (TDM):

Utilizzata in genere per segnali numerici. Secondo questa tecnica ogni utente ottiene, a turno, per un tempo prefissato, l'uso esclusivo del canale. Ad ogni utente viene assegnato uno slot di tempo, l'insieme dello slot di tempo costituisce il tempo di trama, frame. Questa tecnica necessità di tempi di guardia tra slot contigui che rendono il tempo effettivo di accesso minore di quello impiegato. Per indicare la modalità di aggregazione di più flussi base si parla di gerarchia PDH. A livello mondiale non esiste però uniformità.

Utente 1 | Utente 2 Utente N | Utente 1 | Utente 2 | Tempo Frame Slot

Divisione di lunghezza d'onda (WDM):

Utilizzata per segnali in formato ottico. Uguale alla FDM, si aggregano fasci di luce con lunghezza d'onda differente nell'ambito di una stessa fibra ottica.

1= C/p

Il vantaggio della TDM rispetto alla FDM è che evitando più utenti in contemporanea sullo stesso mezzo di trasmissione, si riducono possibili disturbi fra canali (o meglio si eliminano, visto che nel TDM il canale viene usato da un utente alla volta).

SERVIZIO DATI IN RETE TELEFONICA: TECNOLOGIE xADSL

Le linee telefoniche tradizionali possono essere utilizzate per la trasmissione di dati verso le postazioni utente inviando tali dati su un collegamento telefonico tradizionale (dial-up= connessione tra computer attraverso modem, non potevi chiamare mentre eri su internet). Inizialmente questa possibilità è stata sfruttata grazie ai modem, dispositivi in grado di trasformare i dati in modo da trasmetterli tramite la rete telefonica. Ven ne poi sviluppata la tecnologia DSL (Digital subscriber Line) che risponde meglio a richieste di velocità di accesso più elevate: tale tecnologia prevede quattro varianti che complessivamente vengono indicate come xDSL. Il dial-up sfruttava propria la linea telefonica, inviando segnali digitali come se fossero "audio". Questo portava vari svantaggi, uno fra i quali impossibilità di chiamare mentre si navigava su internet (poiché andare su internet significava proprio effettuare una chiamata).

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line).

E' un DSL asimmetrico, ossia assegna una velocità diversa al download e all'upload (tra utente e internet provider), velocità maggiore al download (tra internet provider e utente). La caratteristica più importante è che è intelligente: ha una capacità che le permette di usare metodi di trasmissioni diversi a seconda del contesto (tecnologia DMT). Discrete multitone technique. ADSL lato utente: Il flusso è occupato, in posizioni di frequenze differenti, da più servizi. La parte fondamentale è lo splitter, composto da due filtri, uno passa-basso e uno passa-alto che permette di separare le comunicazioni vocali da quelle dati. ADSL lato centrale: anche in questo caso è presente lo splitter. Il segnale vocale è filtrato e inviato alla rete telefonica. Il segnale dati è mandato verso un dispositivo DSLAM che funziona si da modem ADSL, ossia trasmissione DSL verso l'utente, sia da multiplatore, ossia aggrega in un unico flusso più flussi.

Utente Filtro passa-basso Linea Ingresso DATI Filtro Passa-alto Modem ADSL Separatore SPLITTER Figura 2.4: ADSL lato utente

Separatore Utente DATI Rete Internet Filtro Passa-alto DSLAM Linea Ingresso VOCE Rete telefonica Filtro passa-basso Figura 2.5: ADSL lato centrale

ADSL GESTITA DA HSP (NETWORKING SERVICE PROVIDER

HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line):

Diversamente da ADSL prevede un topino in rame dedicato per ogni utente, consentendo quindi di avere una connessione sempre disponibile. A costi di accesso dovuti alla apparecchiature modem da utilizzare, superiori ad ADSL. Deve utilizzare delle tecniche in grado di eliminare il fenomeno dell'eco. Per superare distanze maggiori di 1 Km occorre utilizzare dei ripetitori che aumentano ancora di più il costo del sistema.

SDSL (Simmetric Digital Subscribe Line):

Questa tecnologia consente di disporre di un collegamento bidirezionale veloce con uguale capacità trasmissione dati (upload e download). Per le due tecnologie xADSL sono simmetrici

VDSL (Very high-bit-rate digital subscriber Line) sia simmetrica che asimmetrica.

VOCE