FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 1 RETI DI CALCOLATORI prof. G.

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1 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 1 RETI DI CALCOLATORI prof. G. Russo (grusso@unina.it) grusso@unina.itgrusso@unina.it prof. E. Burattini (burattini@na.infn.it) prof. E. Burattini (burattini@na.infn.it)burattini@na.infn.itburattini@na.infn.it ing. A. Violetta (violetta@unina.it) ing. A. Violetta (violetta@unina.it)violetta@unina.it ©2008-2009 ©2008-2009

2 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 2 La trasmissione dell’informazione: I Segnali x 0 è l’ampiezza massima del segnale x 0 è l’ampiezza massima del segnale f 0 rappresenta la frequenza del segnale, misurata in hertz (Hz) f 0 rappresenta la frequenza del segnale, misurata in hertz (Hz) Φ 0 rappresenta la fase del segnale Φ 0 rappresenta la fase del segnale  Un segnale è l’insieme dei valori che una grandezza assume nel tempo e che costituiscono il supporto per la trasmissione di informazione.  Possono essere considerati segnali: la variazione nel tempo della tensione ai capi di un circuito elettrico la variazione nel tempo del prodotto interno lordo italiano la variazione nel tempo del prodotto interno lordo italiano  Un segnale è una funzione s che in ogni istante t assume un valore s(t) scelto in un opportuno insieme S. Il valore s(t) viene detto ampiezza del segnale al tempo t.  Esempio significativo: s(t) = x 0 sin(2πf 0 +Φ 0 )

3 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 3 Ampiezza

4 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 4 Frequenza

5 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 5 Fase

6 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 6 Dominio del Tempo vs Dominio delle Frequenze

7 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 7 Esempio  s(t) = 0.8 sin(2πf 1 t) + 1.2 sin(2π2f 1 t) + 0.4 sin(2π3f 1 t) Scomposizione di Fourier Una funzione periodica è la somma di funzioni sinusoidali s n (t), caratterizzate da ampiezza x n e frequenza f n con f n = n/T=nf 1

8 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 8 Esempio  s(t) = 0.8 sin(2πf1t) + 1.2 sin(2π2f1t

9 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 9  Si definisce potenza del segnale al tempo t il valore P(t) = s 2 (t).  In molti casi si considera il rapporto tra valori di potenza:  un amplificatore è caratterizzato dal rapporto (fattore di amplificazione) tra la potenza del segnale in uscita e quella del segnale in ingresso  un canale di trasmissione è caratterizzato dal rapporto (fattore di attenuazione) tra la potenza dei segnali in uscita e quella dei segnali in ingresso.  Il rapporto segnale/rumore (S/N) esprime quanto il segnale(che porta informazione) è più intenso del rumore (segnale indesiderato).  Invece dei rapporti P1/P2 di potenze si usano valori espressi nella forma 10 log 10 P 1 /P 2, [decibel dB]:  valori negativi si riferiscono alla situazione in cui S < N  0 dB indica che la potenza del rumore è uguale a quella del segnale  20 dB indica che il segnale è 100 volte più potente del rumore. Potenza del segnale

10 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 10 oIl segnale, transitando attraverso il canale, perde potenza, ma non tutte le componenti armoniche del segnale subiscono la stessa attenuazione. oIl canale trasmette le frequenze del segnale in modoselettivo: ole componenti armoniche di frequenza comprese tra f min e f max sono trasmesse senza un’apprezzabile riduzione di potenza ole altre subiscono un’attenuazione così sensibile da risultare praticamente eliminate dal segnale. oIl segnale in uscita dal canale ha una forma differente da quella del segnale inviato dalla sorgente, viene distorto. oB = f max – f min, misurato in Hz, è la larghezza di banda e rappresenta una caratteristica fondamentale di un canale di trasmissione. Larghezza di banda

11 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 11 Voce e Musica

12 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 12 Trasmissione di valori binari

13 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 13 Trasmissione dei segnali AnalogicoDigitale AnalogicoModulazione (e.g. AM,FM, PM) Digitalizzazione (campionamento e quantizzazione) DigitaleModulazione (e.g. Modem) Codifica SEGNALE CANALE

14 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 14 TRASMISSIONE DEI SEGNALI Tutti i sistemi di comunicazione comprendono tre principali sottosistemi: Trasmettitore, Canale di trasmissione, Ricevitore. Problemi : La limitata larghezza di banda di un canale limita il numero di segnali e produce “Intersymbol Interference”. Il rumore, l’attenuazione e lo sfasamento si accumulano durante il percorso del segnale. Occorre evitare i loop di terra che possono indurre elevate correnti nei cavi (uso di codifiche). Riflessione dei segnali. Trasmission channel Output transducer ReceiverTransmitter Input transducer Input message Output message Output signal Received signal Trasmitted signal Input signal Distorsion and noise SourceDestination

15 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 15 FUNZIONI DEL PHYSICAL LAYER Operazioni di codifica e decodifica dei dati. Funzioni di modulazione e demodulazione (per la Larga Banda). Interfacciamento col mezzo fisico. Reiezione dei disturbi attraverso filtri. Fornire un canale con la larghezza di banda desiderata e bassa frequenza di errore. Generare opportuni segnali di controllo per il DLL (es. rivelazione di collisione). Connessione fisica al mezzo.

16 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 16 Decoder Band pass filter Encoder Modulator Clock generator Control Filter Demodulator Medium interface Medium attachment Medium Waveform Physical Layer Rx-DataRx-ClockTx-ControlRx-ControlTx-ClockTx-Data Data Link Layer Symbols Codes

17 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 17 Messaggio digitale : sequenza ordinata di simboli appartenenti ad un alfabeto di dimensione finita M. Comunicazione binaria : M=2; simboli : 0,1 Data rate Bit error rate (BER) Il max “Data_rate” in un canale con banda B è : Max_data_rate = 2 B log 2 M bits/sec [Nyquist] In presenza di rumore bianco gaussiano, il max Data_rate dipende dal rapporto segnale/rumore Max_data_rate = B log 2 (1+S/N) bits/sec [Shannon] Il Max_data_rate dipende da B e da S/N In teoria, mediante opportuna codifica è possibile ottenere il Max_data_rate. Nella pratica sono stati ottenuti valori molto più bassi. TRASMISSIONE DIGITALE

18 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 18 Tecnica di rappresentazione dei bit come segnali elettrici per la loro trasmissione su un mezzo fisico. Capacità di contenere informazioni di temporizzazione. Efficienza come immunità ai disturbi. Capacità di rivelare errori o correggerli. Densità spettrale favorevole. Trasmissione corretta indipendentemente dal pattern di 1/0 (data trasparency). Regole di codifica Spettro in frequenza CODIFICA DEI DATI

19 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 19 CODIFICA ON-OFF Non Return to Zero (NRZ): un 1 è codificato come un impulso rettangolare p(t). Lo 0 è codificato come assenza di impulso. T0T0 1 0 0000111 T0T0 1 0 0000111 Return to Zero (RZ): un 1 è codificato come mezzo impulso rettangolare p(t). Lo 0 è codificato come assenza di impulso.

20 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 20 Hanno lo stesso spettro in frequenza. La larghezza di banda richiesta è 2f 0 Presenta una componente continua. Non ha capacità di rivelazione o correzione d’errore. Non è trasparente. S y (f) 0 f0f0 5f 0 4f 0 3f 0 2f 0 f

21 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 21 CODIFICA DUOBINARY Un 1 è codificato come p(t) o -p(t) secondo la polarità del precedente impulso ed il numero di 0 fra essi. Due 1 con un numero pari (dispari) di 0 fra essi, sono codificati come lo stesso (di segno opposto) impulso. Lo 0 è codificato come assenza di impulsi. 1111000000 0

22 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 22 Efficiente come larghezza di banda : B=f 0 /2 Poco efficiente in quanto a potenza richiesta Utilizzato nello standard IEEE 802.4 (LARGA BANDA) S y (f) 0 f 0 /2 2f 0 3f 0 /2f0f0 f

23 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 23 CODIFICA BIPOLAR Un 1 è codificato come p(t) o -p(t) secondo che il precedente fosse -p(t) o p(t). Lo 0 è codificato come assenza di impulso. 000000111111 0 La larghezza di banda richiesta è f 0. Ha la capacità di rivelare un singolo errore (violazione della codifica) Non è trasparente.

24 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 24 CODIFICA MANCHESTER Un 1 è codificato come un impulso p(t); uno 0 è codificato come -p(t). p(t) t 1 0 T 0 /2 -T 0 /2 Forma dell’impulso p(t) 000000111111 0

25 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 25 S y (f) 0 f 0 /2 2f 0 3f 0 /2f0f0 f Assenza di componente continua. Self clocking. Permette la creazione di delimitatori basati sulla presenza di violazioni del codice.

26 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 26 Effetto dei mezzi trasmissivi Poiché i segnali sono attenuati e distorti dai mezzi trasmissivi, un ricevitore può essere incapace di distinguere correttamente i bit 1 dagli 0. L’attenuazione e la distorsione sono fortemente influenzati da : tipo di mezzo trasmissivo bit rate del dato trasmesso distanza fra i dispositivi comunicanti.

27 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 27 Cause di Attenuazione e Distorsione Attenuazione : limita la lunghezza massima del mezzo fisico (uso di amplificatori). Inoltre varia con la frequenza e distorce il segnale digitale. Larghezza di Banda limitata : attenua le armoniche più elevate del segnale. Propagation Delay : varia con la frequenza e introduce distorsione. Noise : Crosstalk noise, impulse noise, thermal noise.

28 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 28 INTERSIMBOL INTERFERENCE (ISI) I segnali digitali sono rappresentati da impulsi rettangolari che necessitano di una banda infinita per la trasmissione indistorta. Il graduale decadimento degli impulsi rettangolari crea problemi (ISI fra impulsi adiacenti). Pulse response Input pulse (a)(b)

29 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 29 COMUNICAZIONE “BASEBAND” La trasmissione è ottenuta senza ricorrere alla modulazione. E’ utilizzata sulle reti Ethernet. Economica. Le prestazioni sono limitate dalle presenza di rumore additivo. L’uso di ripetitori limita la degradazione del rapporto S/N con la distanza. Noise Channel ReceiverTransmitter Output signal Received signal Transmitted signal L + SoSo SrSr + + SiSi DestinationSource Repeater 1Repeater 2 S1S1 N1N1 S0S0 N0N0 Channel segments L1L1 L2L2 LnLn S0S0 S0S0 N1N1 N0N0 M = 1. M = numero di ripetitori

30 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 30 MODULAZIONE Pulse Amplitude Modulation (PAM) Pulse Width Modulation (PWM) Pulse Position Modulation (PPM) Modulator Modulated signalModulating signal Carrier signal Amplitude Shift keying (ASK) Frequency Shift keying (FSK) Phase Shift keying (PSK) Modulated signals

31 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 31 COMUNICAZIONE BROADBAND Nei sistemi Baseband la maggior parte della potenza è concentrata alle basse frequenze. I sistemi Broadband permettono di spostare la potenza, in una regione opportuna dello spettro. Miglioramento dell’efficienza di radiazione (la dimensione di un’antenna dovrebbe essere  /10). Riduzione dei disturbi e delle interferenze. Possibilità di assegnare frequenze opportune. Capacità di multiplexing. Time Division Multiplexing (TDM) Frequency Division Multiplexing (FDM)Time Division Multiplexing (TDM) Frequency Division Multiplexing (FDM)

32 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 32 TIME DIVISION MULTIPLEXING (TDM) Il mezzo fisico è condiviso fra un certo numero di segnali. Il tempo è diviso in “time slots”. Se gli slots sono preassegnati il multiplexing è sincrono. Se gli slots non sono preassegnati il multiplexing è asincrono. Bit interleaving. Word interleaving.

33 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 33 FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING Diversi segnali condividono la larghezza di banda del mezzo. Ciascun segnale ha una differente frequenza di portante. Le portanti sono adeguatamente separate per evitare sovrapposizioni. Ogni portante può essere modulata in modo diverso.

34 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 34 BANDA BASE / LARGA BANDA Banda base Semplice ed economica da installare. Richiede interfacce economiche. Offre un singolo canale digitale fino a 10 MBps per una distanza di 1Km. Larga banda La progettazione e la manutenzione richiede esperti in tecniche in radiofrequenza. Gli amplificatori devono essere tarati periodicamente. Gli Headend richiedono una manutenzione accurata (hanno un ruolo critico). Le interfacce sono più costose di quelle in banda base. Offre canali multipli per dati, voce, video su lunghezze di decine di Km.

35 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 35  Adattare i segnali alle caratteristiche del canale  scegliere un’onda sinusoidale ad alta frequenza, portante, e modificarne opportunamente i parametri in accordo con l’informazione da trasmettere;  modulazione in ampiezza: variare l’ampiezza della portante con il segnale in bassa frequenza, modulante, che si vuole trasmettere;  modulazione in frequenza: portante e modulante vengono combinate inm odo tale che il segnale modulato risultante abbia una frequenza variabile;  modulazione di fase: portante e modulante vengono combinate in modo tale che il segnale modulato risultante abbia una fase variabile.  Trasmissione di un segnale digitale  POTS, Plain Old Telephone System, progettato la voce umana,caratterizzata da uno spettro compreso tra i 400 Hz e i 3400 Hz;  i segnali digitali vengono modulati con una portante compresa nella banda;  modem (modulatore/demodulatore). Trasmissione su canali analogici

36 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 36 In genere senza tecnologia OFDM………  In ambienti tempo dispersivi il segnale radio trasmesso può essere riflesso molte volte da punti diversi facendo sì che i tempi di propagazione al ricevitore possano essere molto diversi da cammino a cammino.  La variabilità dei ritardi, in corrispondenza di un’alta velocità di trasmissione, può raggiungere una proporzione significativa del simbolo trasmesso (una forma d’onda modulata) portando tale simbolo ad interferire con il successivo.  L'accesso è di tipo TDM, Time Division Multiplexing.  Due tipi di connessioni: point-to-point  bidirezionali point-to-point  bidirezionali point-to-multipoint  unidirezionali verso MT point-to-multipoint  unidirezionali verso MT Orthogonal Frequency Digital Multiplexing  Un canale broadcast è usato per raggiungere tutti i terminali da ogni punto di accesso

37 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 37  Le connessioni sono stabilite tra i terminali mobili, MT, ed i punti di accesso, AP, tramite funzioni di segnalazione tipiche del protocollo: esiste un canale broadcast che viene usato per raggiungere tutti i terminali possibili da ogni punto di accesso. esiste un canale broadcast che viene usato per raggiungere tutti i terminali possibili da ogni punto di accesso.  Trasmettere su sottoportanti permette, per ogni sottoportante, di considerare la risposta in frequenza del canale radio piatta e non più selettiva.  OFDM effettua una multiplazione a divisione di frequenze ortogonali  Il flusso ad alta velocità di simboli informativi viene suddiviso in sottoflussi più lenti trasmessi su portanti ortogonali tra di loro ed equispaziati in frequenza di una quantità Δ.  L’intervallo di segnalazione è: T s = 1/  f Orthogonal Frequency Digital Multiplexing

38 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 38 Le portanti, rispetto alla portante di riferimento f0, sono individuate dalla relazione: f k = f 0 + kΔf con k = 1, …,N-1 OFDM divide il canale radio in vari subcarrier trasmettendo i dati in parallelo su di essi. Throughput aggregato è identico, ma la velocità dei dati di ogni subcarrier è molto più bassa, rendendo ciascun simbolo più lungo eliminando l'effetto dei ritardi variabili. Orthogonal Frequency Digital Multiplexing

39 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 39 L’operazione di multiplex viene effettuata tramite la Trasformata di Fourier Veloce Inversa (IFFT – Inverse Fast Fourier Transform): Orthogonal Frequency Digital Multiplexing

40 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 40 Orthogonal Frequency Digital Multiplexing

41 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 41 Il primo grafico rappresenta l’andamento dell’FDM, mentre il secondo delinea la curva dell’OFDM e dell’MCM (Multi Carrier Modulation) Orthogonal Frequency Digital Multiplexing

42 FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN. - Corso di laurea magistrale in Informatica – corso di RETI DI CALCOLATORI A.A. 2008-2009 42 Orthogonal Frequency Digital Multiplexing Densità Spettrale di Potenza [dBMs] Frequenza Normalizzata