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

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

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 Il doppino e’ il mezzo piu’ economico e piu’ semplice da maneggiare

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 brevissime distanze tassi trasmissivi fino a centinaia di Mbps

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. 5/5e sono utilizzati nelle reti locali a velocita’ superiore (fino a 1 Gbps)

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, piu’ costoso, ed e’ utilizzato solamente in ambienti in cui sono presenti forti sorgenti di disturbi elettromagnetici

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, …)

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

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)

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 10000 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 e’ 500 m, ed il cavo “nero”, o thin, piu’ flessibile e che non puo’ essere piu’ lungo di circa 180 m.

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

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

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

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 di alcune lunghezza d’onda, la luce si puo’ propagare solo lungo il modo principale, cioe’ quello ad incidenza longitudinale In questo caso l’impulso di luce non subisce distorsione in uscita, e la fibra e’ capace di tassi trasmissivi e distanze maggiori

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 o per lunghe distanze, piu’ sensibile al calore

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

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)

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 (100-1000-10000 Mbps) a distanze che il rame non riesce a raggiungere Ultimamente in incremento il suo utilizzo verso le case dei privati per sostituire il rame in vista di servizi on demand via cavo (TV, cinema, giochi, musica, internet, telefonia, videofonia, …) che richiederanno sempre piu’ banda

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