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1 Sistemi e Tecnologie della Comunicazione Lezione 9: strato fisico: mezzi trasmissivi.

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Presentazione sul tema: "1 Sistemi e Tecnologie della Comunicazione Lezione 9: strato fisico: mezzi trasmissivi."— Transcript della presentazione:

1 1 Sistemi e Tecnologie della Comunicazione Lezione 9: strato fisico: mezzi trasmissivi

2 2 Mezzi trasmissivi Vedremo una panoramica sui diversi mezzi trasmissivi utilizzati tipicamente nelle reti di computer, sia guidati: doppino e sue varianti cavo coassiale fibra ottica che non guidati: ponti radio trasmissioni satellitari radiodiffusione infrarossi Ne vedremo le caratteristiche e le applicazioni piu’ diffuse

3 3 Il doppino Il doppino (o doppino intrecciato) e’ costituito da una coppia di fili di rame isolati separatamente La coppia di fili viene intrecciata, e costituisce una linea di comunicazione singola Solitamente si utilizzano fasci di doppini, che possono essere costituiti da qualche coppia fino a centinaia di coppie (per lunghe distanze) Il doppino e’ il mezzo piu’ economico e piu’ semplice da maneggiare

4 4 Il doppino: caratteristiche Utilizzato sia per trasmissioni analogiche che digitali Tra i mezzi guidati e’ quello piu’ sensibile a: attenuazione del segnale sulla distanza: questo limita la distanza massima oltre la quale si richiede l’inserimento di amplificatori o ripetitori; tipicamente e’ necessario inserire amplificatori ogni 4/5 Km, mentre per le trasmissioni digitali si deve far uso di ripetitori ogni 2/3 Km interferenza: una coppia di fili si comporta come una antenna; si limita il problema tramite l’avvolgimento della coppia di fili in una specie di spirale; questo riduce la ricettivita’ della “antenna” a segnali esterni diafonia: questo fenomeno viene combattuto utilizzando avvolgimenti di passo differente tra coppie adiacenti rumore impulsivo Per segnali analogici, il doppino fornisce una larghezza di banda di circa 1 MHz Per segnali digitali si ottengono su brevi distanze tassi trasmissivi fino a 1 Gbps

5 5 UTP (Unshielded Twisted Pair) L’ITU-T ha stabilito degli standard per la realizzazione dei doppini finalizzati alla trasmissione dati Gli standard prevedono cavi costituiti solitamente da quattro coppie di fili, isolati singolarmente ed avvolti in spire a due a due; non e’ prevista schermatura aggiuntiva (UTP: Unshielded Twisted Pair) Le differenze delle diverse categorie sono essenzialmente nella realizzazione degli avvolgimenti (piu’ o meno frequenti); le categorie sono definite in base a capacita’ di banda entro distanze definite (100 m) UTP cat. 3: garantisce fino a 16 MHz di banda UTP cat. 4: fino a 20 MHz UTP cat. 5: fino a 100 MHz Esistono definizioni per standard piu’ performanti (cat. 5e, cat. 6, cat. 7) I doppini UTP cat. 3 sono detti anche di qualita’ fonica, e sono utilizzati sia per la telefonia che per la trasmissione dati fino a 10 Mbps. I doppini UTP cat. 5 sono utilizzati nelle reti locali a velocita’ superiore (fino a 1 Gbps)

6 6 STP (Shielded Twisted Pair) L’ITU-T ha anche definito una standard per doppini dotati di schermatura, ottenuta avvolgendo l’insieme di coppie con una calza conduttrice, in modo da ridurre la sensibilita’ a segnali esterni Questo standard si chiama STP (Shielded Twisted Pair) e viene utilizzato nella trasmissione dati sulle reti locali, come l’UTP cat. 5. La migliore schermatura permette all’STP di fornire a parita’ di attenuazione una banda piu’ ampia (300 MHz) Pur avendo migliori prestazioni l’STP e’ un cavo piu’ rigido dell’UTP, quindi di minore maneggevolezza, ed e’ utilizzato solamente in ambienti in cui sono presenti forti sorgenti di disturbi elettromagnetici

7 7 Applicazioni del doppino Il doppino per le sue caratteristiche di maneggevolezza e di basso costo e’ molto diffuso per la telefonia (quasi tutte le connessioni del sistema telefonico nell’ultimo tratto sono costituite da doppini) per le reti locali (il cablaggio degli edifici e’ generalmente realizzato tramite UTP o STP) Utilizzato sia per trasmissioni analogiche canale telefonico a 4 KHz, canali dati via modem o modem ADSL sia per trasmissioni digitali Ethernet (10 Mbps) FastEthernet (100 Mbps) Gigabit Ethernet (1 Gbps) altri protocolli (token ring, …)

8 8 Il cavo coassiale Il cavo coassiale e’ costituito da un conduttore interno in rame, avvolto in un isolante di materiale plastico (dielettrico) attorno al quale e’ posto il conduttore esterno, costituito da una calza metallica, il tutto ricoperto da un rivestimento esterno isolante

9 9 Il cavo coassiale (cont.) La sua struttura permette un miglior isolamento elettromagnetico, quindi una minore sensibilita’ alle interferenze ed alla diafonia, ed una minore attenuazione del segnale sulla distanza (che pure rimane il maggior problema di questo mezzo) rispetto al doppino E’ capace di una larghezza di banda fino a 500 MHz Per questi motivi e’ molto diffuso per le connessioni a lunga distanza, per trasmissioni a larga banda Come il doppino necessita di amplificatori o ripetitori ogni qualche Km (piu’ frequenti in caso di trasmissione digitale, in funzione del tasso trasmissivo)

10 10 Utilizzo del cavo coassiale Esistono due tipi di cavo coassiale in base alle caratteristiche elettriche (che dipendono dalla geometria del cavo), utilizzati storicamente per scopi differenti: Cavo con impedenza a 75 Ω: usualmente utilizzato per la trasmissione analogica (distribuzione televisiva, TV via cavo, tratte di back-bone del sistema telefonico con multiplexing FDM); in multiplexing FDM puo’ trasportare oltre canali vocali contemporanei Cavo a 50 Ω: solitamente utilizzato nella trasmissione digitale (per reti locali, come Ethernet, token bus, e nelle connessioni dati a livello geografico) Lo standard Ethernet specifica due cavi differenti a 50 Ω : il cavo “giallo”, o cavo thick, piu’ grosso e poco maneggevole, la cui lunghezza massima arriva intorno a 500 m, ed il cavo “nero”, o thin, piu’ flessibile e che non puo’ essere piu’ lungo di circa 180 m.

11 11 Fibra ottica Il cavo in fibra ottica e’ costituito da nucleo: sottile filo di sostanza vetrosa, generalmente silicio, molto fragile, attraverso il quale si propaga la luce mantello: sostanza che avvolge il nucleo con proprieta’ ottiche differenti dal nucleo guaina: sostanza plastica protettiva che avvolge il mantello, che protegge il cavo da umidita’ e deformazioni Le proprieta’ ottiche di nucleo e mantello sono tali che la luce introdotta nel nucleo con direzione opportuna non possa piu’ uscire dal nucleo, ma venga riflessa in modo da viaggiare lungo il nucleo fino a destinazione I cavi per utilizzo breve possono essere a coppie di fibre; cavi per lunghe tratte possono invece contenere centinaia di fibre distinte

12 12 Trasmissione lungo la fibra: la rifrazione Quando un raggio di luce passa da un mezzo ad un altro, subisce un cambio di direzione (rifrazione) L’ampiezza dell’angolo di rifrazione dipende dalle caratteristiche fisiche dei due mezzi Esiste un angolo di incidenza (angolo critico) oltre il quale il raggio viene completamente riflesso entro il mezzo piu’ denso

13 13 Fibre multimodali Nelle fibre multimodali il nucleo ha uno spessore di circa 50 micron In queste condizioni la luce puo’ avere diversi angoli di incidenza (diversi “modi” di propagazione) e percorrere traiettorie spezzate di lunghezza diversa; questa fibra si dice multimodale con indice a gradino Una categoria simile e’ la fibra in cui l’indice di rifrazione nel nucleo non e’ costante, ma variabile; la luce percorre traiettorie curve, sempre con modi diversi in funzione dell’angolo di incidenza (multimodale con indice graduato) e genera un impulso in uscita piu’ stretto In entrambi i casi l’impulso in ingresso subisce una distorsione temporale dovuta ai diversi modi di propagazione, e genera un segnale in uscita (nel dominio tempo) generalemente allargato rispetto al segnale in ingresso La larghezza dell’impulso limita la velocita’ di trasmissione dati in quanto gli impulsi devono essere spaziati e separati temporalmente in ricezione per essere identificati

14 14 Fibre monomodali Nelle fibre monomodali il nucleo ha uno spessore di 8-10 micron Riducendo la dimensione del nucleo si riducono i modi di propagazione della luce; arrivando alle dimensioni simili alla llunghezza d’onda, la luce si puo’ propagare solo lungo il modo principale, cioe’ quello che non ha riflessioni In questo caso l’impulso di luce non subisce distorsione in uscita, e la fibra e’ capace di tassi trasmissivi maggiori

15 15 Led e laser Il segnale luminoso viene generato in due modi differenti: tramite LED (Light Emitting Diode): piu’ economico, adatto per trasmissioni a tratta corta su fibre multimodali ed a basso tasso trasmissivo tramite diodi ad emissione laser: molto piu’ costoso, adatto per trasmissioni ad alto tasso trasmissivo per lunghe distanze, piu’ sensibile al calore

16 16 Lunghezze d’onda L’assorbimento del segnale sulla distanza dipende dalla lunghezza d’onda utilizzata Ci sono tre bande in cui l’assorbimento ha una risposta piatta in frequenza, e bassa: queste sono le bande utilizzate per la trasmissione su fibra: 850 nm, 1300 nm e 1550 nm

17 17 Caratteristiche delle fibre ottiche La fibra ottica e’ un ottimo mezzo per la trasmissione dati, per diversi fattori: banda trasmissiva: abbiamo gia’ visto come la banda disponibile sulla fibra si aggiri intorno ai 30 THz (30000 GHz), sfruttabile tramite WDM; la tecnologia attuale permette tassi trasmissivi fino a 10 Gbps su singola lambda, ma in laboratorio si raggiungono tassi maggiori a breve distanza dimensione e peso: le fibre sono molto piu’ sottili e leggere dei cavi in rame (problema non indifferente sia per i cablaggi nelle tubature cittadine, sia per la stesura di cavi multipli a lunga distanza, anche transoceanici) attenuazione ridotta: la fibra garantisce una attenuazione significativamente inferiore al rame: questo permette l’utilizzo di ripetitori solo ogni qualche decina di Km o oltre a seconda della tecnologia utilizzata (laser e fibre monomodali sono piu’ efficienti)

18 18 Utilizzo della fibra ottica La fibra ottica sta’ soppiantando il cavo coassiale per le connessioni a larga banda trasmissiva ed a lunga distanza Gia’ da tempo utilizzata nelle reti locali per le trasmissioni ad elevato tasso trasmissivo ( Mbps) a distanze che il rame non riesce a raggiungere Ultimamente in incremento il suo utilizzo verso le case dei privati per soppiantare il rame in vista di servizi on demand via cavo (TV, cinema, giochi, musica, internet, telefonia, videofonia, …) che richiederanno sempre piu’ banda

19 19 Mezzi non guidati La trasmissione di dati viene spesso realizzata utilizzando la trasmissione di onde elettromagnetiche nell’aria o nello spazio Si possono considerare essenzialmente due diverse regioni dello spettro che hanno utilizzi differenti a causa delle differenti proprieta’ della trasmissione nelle tre regioni: radiodiffusione: trasmissione di onde in una banda compresa tra il KHz ed il GHz; in questa regione le onde si propagano in modo diffusivo, ed e’ utilizzata generalmente in modalita’ unidirezionale per le trasmissioni radio o televisive microonde: nella regione compresa tra 1 e 40 GHz la propagazione delle onde elettromagnetiche e’ abbastanza direzionale (o direzionabile con antenne paraboliche), e viene utilizzata per trasmissioni punto-punto in ponte radio, o trasmissioni satellitari punto-punto o broadcast

20 20 Lo spettro elettromagnetico

21 21 Radiodiffusione La radiodiffusione viene utilizzata generalmente per la trasmissione analogica di segnali radio-televisivi in modalita’ broadcast Utilizza due tecniche trasmissive differenti in funzione della regione di frequenze: nella regione fino al MHz (VLF, LF ed MF) il segnale si propaga seguendo la curvatura terrestre ed attraversa bene gli ostacoli: una stazione trasmittente puo’ essere ricevuta fino a 1000 Km di distanza; oltre l’attenuazione (proporzionale all’inverso del quadrato della distanza) diviene eccessiva nella regione dal MHz al GHz (HF, VHF e UHF) il segnale viene assorbito dalla superficie della terra, ma viene riflesso molto bene dalla ionosfera; i segnali vengono quindi inviati verso il cielo raggiungono la stazione ricevente dopo la riflessione

22 22 Trasmissione via ponte radio La banda di frequenza delle microonde (1-40 GHz) ha la caratteristiche di poter utilizzare antenne paraboliche di dimensioni maneggevoli (fino a qualche metro di diametro) per poter collimare e dare direzione all’emissione Si puo’ quindi realizzare una comunicazione punto-punto tra sorgente e destinazione con allineamento ottico delle antenne: la trasmissione e’ rettilinea, ed e’ indispensabile la visibilita’ tra le antenne delle stazioni comunicanti Questa tecnica di trasmissione va in competizione con le linee in coassiale e via fibra ottica per le lunghe distanze, quando l’alternativa con mezzo guidato risulta troppo costosa o impossibile per motivi morfologici per le brevi distanze (ad esempio per connettere due palazzi vicini di una stessa compagnia) come alternativa alla stesura di una fibra qualora si dovesse attraversare suolo pubblico o di altra proprieta’, per evitare le complicazioni connesse alle autorizzazioni Utilizzando diverse stazioni ripetitrici si riescono a coprire distanze elevate (svariate centinaia di Km); una singola tratta puo’ coprire in condizioni favorevoli fino a qualche centinaia di Km

23 23 Ponti radio (cont.) Gli aspetti caratteristici della trasmissione in questa banda di frequenza sono l’attenuazione con la distanza, che segue la relazione ed e’ superiore a quella del coassiale, che cresce col logaritmo della distanza, ed e’ anche funzione crescente con la frequenza l’attenuazione dovuta alla interferenza (da altre stazioni, da riflessioni della stessa trasmissione) attenuazione da pioggia o umidita’, fortemente crescente con la frequenza

24 24 Ponti radio (cont.) Data la dipendenza dell’attenuazione dalla distanza, per le tratte lunghe si utilizzano generalmente due bande di frequenza: 2-6 GHz e GHz Le connessioni a breve distanza possono utilizzare le frequenze piu’ alte (fino a 40 GHz) per le quali si hanno i vantaggi: antenne piu’ piccole fascio piu’ collimato (quindi minore necessita’ di potenza) minori problemi di interferenza per lo scarso utilizzo di trasmissioni in quella regione di frequenza

25 25 Utilizzo dei ponti radio Generalmente utilizzati per trasmissioni analogiche (fonia, televisione) o digitali (per reti private o utilizzate dalle compagnie telefoniche fornitrici di servizi) Le diverse bande di frequenza sono suddivise in canali di diversa larghezza (non uniformi nei diversi paesi), con canali tra i 7 MHz (a 2 GHz) ed i 220 MHz (a 18 GHz), e tassi trasmissivi che vanno dai 12 ai 274 Mbps (in funzione della banda disponibile e del livello di modulazione utilizzato, solitamente QAM-x)

26 26 Trasmissioni satellitari Il satellite si comporta come una stazione ripetitrice del segnale di un ponte radio Il segnale viene inviato dalla stazione terrestre al satellite (uplink), che lo rimanda a terra verso la stazione o le stazioni riceventi (downlink), generalmente utilizzando frequenze differenti Un satellite opera su piu’ bande di frequenza, con la tecnologia FDM; i singoli canali si chiamano transponder (canali tra 15 e 500 MHz di banda) Sui canali il satellite puo’ fare TDM per gestire diverse comunicazioni Le bande utilizzate sono quelle tra 1 e 10 GHz sopra l’attenuazione atmosferica e’ troppo grande sotto ci sono interferenze ed assorbimento dalla ionosfera Il sovraffollamento delle frequenze spinge attualmente verso l’utilizzo di bande a frequenza superiore, nonostante che i problemi di attenuazione atmosferica divengano sempre piu’ importanti

27 27 Satelliti GEO (Geostationary Earth Orbit): satelliti a Km di quota in orbita equatoriale, che appaiono in posizione fissa nel cielo questi satelliti sono adatti alla trasmissione dati in quanto il puntamento delle antenne e’ fisso per motivi di interferenza i satelliti vengono distanziati di due gradi, quindi si possono avere al massimo 180 satelliti la trasmissione dati deve tenere conto del ritardo di propagazione del segnale, che e’ pari a 0.25 secondi (inefficienti i protocolli con controllo degli errori e ritrasmissione dei pacchetti) MEO (Medium Earth Orbit): satelliti a Km di quota, con 6 ore di periodo dell’orbita inadatti per la trasmissione dati esempio: i satelliti del GPS (Global Positioning System) LEO (Low Earth Orbit): tra 750 e 1500 Km di quota molto veloci nel transito, ma vicini, quindi si ha poco ritardo e si richiede poca potenza in trasmissione esempi: Iridium (per fonia, fax, dati, navigazione), Globalstar.

28 28 Riferimenti Gli argomenti sviluppati nell’ambito del livello fisico possono essere approfonditi sullo Stallings: cap. 3: concetti generali, caratterizzazione di segnale e canale in frequenza, alterazioni della trasmissione, leggi di Nyquist e Shannon cap. 4: mezzi trasmissivi cap. 5: codifica dei dati analogici e digitali (fino al § 5.4 compreso) cap. 8: multiplexing (escluso ISDN, prestazioni TDM asincrono, xDSL) Utili approfondimenti anche sul Tanenbaum: cap. 2: (solo gli argomenti trattati a lezione) In entrambi i testi si possono trovare utili riferimenti bibliografici per chi desidera approfondire gli argomenti (non richiesto all’esame) Per le parti trattate a lezione e non presenti sui testi, fare riferimento ai lucidi ed agli appunti delle lezioni


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