SISTEMI DI COMUNICAZIONE DIGITALE: CONCETTI FONDAMENTALI

SISTEMI DI COMUNICAZIONE DIGITALE: CONCETTI FONDAMENTALI
Corso di Tecniche e Sistemi di trasmissione fissi e mobili SISTEMI DI COMUNICAZIONE DIGITALE: CONCETTI FONDAMENTALI Prof. Carlo Regazzoni

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
[1] A. Bernardini, “Sistemi di Telecomunicazione - Lezioni”, Capitolo 1, Edizioni Ingegneria 2000, Roma: 1996, disponibile nell’ufficio del prof. Regazzoni. [2] G. Calhoun, “Wireless Access and the Telephone Network”, Capitoli 1 e 2, Artech House, Boston: 1992, disponibile in biblioteca (II polo); [3] A.S. Tanenbaum, “Computer Networks”, (Terza Edizione) Capitolo 1, Prentice-Hall, New York: 1993, disponibile in biblioteca (II polo); [4] J.G. Proakis, “Digital Communication” (Terza Edizione), McGraw-Hill, New York: 1995, disponibile nell’ufficio del prof. Regazzoni. [5] A. B Carlson, “Communication Systems”, New York, Capitolo 3, disponibile in biblioteca (II polo).

CONTENUTI 1. Definizione di sistema di telecomunicazione;
2. Definizione di rete di telecomunicazione; 3.Cenni storici sull’evoluzione della rete telefonica 4. Reti multimediali a larga banda per la fornitura di servizi ad utenti residenziali, tecniche di trasmissione ad hoc per canali a larga banda.

1. DEFINIZIONE DI SISTEMA DI TELECOMUNICAZIONE
1.1 DEFINIZIONE DI SISTEMA DI TELECOMUNICAZIONE PUNTO-PUNTO Un sistema di telecomunicazione punto-punto è costituito da: un unico trasmettitore; da uno o più ripetitori intermedi, collocati ai capi di una o più tratte, le quali complessivamente costituiscono il canale; da un unico ricevitore. Ad ogni tratta vengono associati uno o più mezzi fisici di propagazione del segnale (cavo coassiale, cavo telefonico, fibra ottica, etere, linee ad alta tensione per la distribuzione dell’energia elettrica ecc.) sui quali il segnale è trasmesso secondo un’opprtuna tecnica di trasmissione.

1.2 DEFINIZIONE DI SISTEMA DI TELECOMUNICAZIONE MULTI-UTENTE Un sistema di telecomunicazione multi-utente è costituito da: un insieme di uno o più trasmettitori iniziali; da uno o più ripetitori, collocati ai capi di una o più tratte, le quali complessivamente costituiscono il canale; da uno o più ricevitori. Nel caso di un sistema di telecomunicazione punto-punto, il canale è una risorsa dedicata al collegamento tra l’unico trasmettitore e l’unico ricevitore presenti nel sistema; Nel caso di un sistema di telecomunicazione multi-utente, il canale è una risorsa condivisa tra i diversi trasmettitori e/o ricevitori presenti nel sistema (ACCESSO MULTIPLO).

1.3 ESEMPI DI SISTEMA DI COMUNICAZIONE PUNTO-PUNTO E MULTI-UTENTE Sistema di comunicazione punto-punto Trasmettitore Canale Ricevitore Sistema di comunicazione multi-utente (a una via) Ricevitore 1 Trasmettitore 1 Canale Ricevitore 2 Trasmettitore 2 Ricevitore K Trasmettitore K

In entrambi i sistemi si ripete la seguente struttura Trasmettitore Canale Ricevitore impiega tecniche di trasmissione ad hoc in base al canale Trasmettitore Banda Base Tempo invarianti TSTFM Canale Modulazioni Digitali Tempo varianti Passa Banda impiega tecniche di ricezione per il recupero dell’informazione trasmessa Ricevitore

1.3 SISTEMI DI COMUNICAZIONE FISSI E MOBILI I sistemi di comunicazione sono divisibili in due categorie fondamentali: Sistemi “fissi”; Sistemi “mobili”. Nei sistemi di comunicazione fissi la posizione assoluta del trasmettitore e del ricevitore è spazialmente invariante. Ciò comporta due possibili situazioni a livello di canale trasmissivo: Canale tempo invariante “mezzo stazionario”; Canale tempo variante “mezzo dinamico”. Nei sistemi di comunicazione mobili la posizione assoluta del trasmettitore e del ricevitore varia. In questo caso il comportramento del canale di trasmissione è esclusivamente tempo variante.

ESEMPIO DI SISTEMA DI COMUNICAZIONE PUNTO-MULTI-UTENTE A DUE VIE Trasmettitore 1 Ricevitore Canale UTENTE 1 UTENTE 2 Ricevitore Trasmettitore 2 E’ la configurazione più generale di un sistema di comunicazione; Al concetto di trasmettitore e ricevitore è sostituito il concetto di utente, il quale è in grado sia di trasmettere, che di ricevere dati (es. modem).

1.4 DEFINIZIONE DI RETE DI TELECOMUNICAZIONE E DI ACCESSO Una rete di telecomunicazione comprende tutti gli elementi (tratte, ripetitori, ecc...) di un sistema di telecomunicazione condivisi da più utenti durante il processo di telecomunicazione; Backbone: costituisce il core dell rete ed è formato da tutte quelle infrastruuture di comunicazioni quali tratte, ripetitori, ecc.. Il suo compito è il trasporto dell’informazione verso l’utente finale Ultimo miglio: è il tratto finale della rete, in pratica quello che “penetra” all’interno delle abitazioni degli utenti finali. Backbone Rete di telecomunicazione Ultimo miglio

ESEMPI DI RETE DI TELECOMUNICAZIONE Backbone Rete satellitare di tipo “store and forward” (bidirezionale) Rete satellitare per la trasmissione broadcast (unidirezionale)

ESEMPI DI RETE DI TLC: RETE TELEFONICA Le tre tratte della rete telefonica completamente in rame ( ) Le tre tratte della rete telefonica con accesso misto doppino-wireless (1980-oggi)

1.5 DEFINIZIONE DI RETE DI TELECOMUNICAZIONE E DI ACCESSO Poiché gli utenti residenziali sono i nodi terminali della rete, essi condividono il tratto finale della rete, in pratica l’ ultimo miglio di rete Questo tratto è generalmente condiviso da un elevato numero di utenti che desiderano connettersi. L’accesso è il metodo con cui gli utenti residenziali si connettono alla rete.

ESEMPI DI SISTEMI DI COMUNICAZIONE MULTI-UTENTE: RETE TELEFONICA La rete telefonica, in entrambe le configurazioni viste in è divisa in tre tratte principali: Due tratte locali (local loop segment); Una tratta a lunga distanza per la connessione di due tratte locali(long distance segment). Le tratte locali sono tuttora costituite da collegamenti in rame e la trasmissione del segnale vocale è interamente analogica nella banda 300 Hz KHz.; Le tratte a lunga distanza erano, fino a non molti anni fa, anch’esse cablate in rame ed usavano la trasmissione analogica; Da parecchi anni a questa parte le tratte a lunga distanza sono coperte da collegamenti wireless, da reti satellitari, oppure da fibre ottiche ed usano la trasmissione digitale del segnale vocale.

1.6 INTRODUZIONE ALLE TEMATICHE DEL CORSO Il corso di Tecniche e e sistemi di trasmissione fissi e mobili si occupa Dei modelli di canale di trasmissione sia fissi che mobili Delle tecniche di trasmissione più opportune ad essere realizzate su tale tipologia di canali; Il corso di Tecniche e sistemi di trasmissione fisi e mobili si articola nei seguenti punti principali: Modelli matematico/statistici dei canali di trasmissione wired e wireless TSTFM Tecniche di trasmissione su canali wired e wireless

2. CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE DELLA RETE TELEFONICA
2.1 EVOLUZIONE DELLA RETE PER TELEFONIA FISSA Storicamente parlando, la prima grande rete di telecomunicazione è stata la rete per telefonia fissa. La storia dell’evoluzione della rete per telefonia fissa, rispecchia, in buona parte, quello che è avvenuto per le altre reti di telecomunicazione, quindi può essere considerata un buon caso di studio. L’evoluzione della rete telefonica passa attraverso tre ere successive: L’era dell’interconnessione ( ); L’era della rete ( ); L’era dell’accesso ( ?). N.B. Queste date si riferiscono all’evoluzione della rete negli USA. In Italia devono intendersi sfasate da un ritardo dell’ordine di circa dieci anni.

2.2 L’ERA DELL’INTERCONNESSIONE ( ) L’inizio dell’era telefonica, sia negli Stati Uniti, che in Europa, è stato caratterizzato da una tecnologia molto artigianale e da una grossa confusione gestionale; Durante gli anni di inizio secolo, soprattutto negli USA, erano nate dal nulla moltissime compagnie telefoniche private (la Bell Telephone, futura AT&T, era solo una delle tante...), ognuna delle quali forniva il servizio su scala locale, senza alcuna connessione con altre reti o altre compagnie; Grandi sforzi, anche economici, sono stati fatti nel periodo tra le due Guerre per interconnettere queste reti locali, in un contesto sfavorevole di programmi tecnologici diversi e spesso in stridente contrasto tra loro; I risultati di questi sforzi sono stati talmente modesti che, a tutto il 1950, il concetto di servizio telefonico era inteso solo come servizio locale e le chiamate a lunga distanza avvenivano solo tramite collegamenti “ad hoc”, che non riuscivano a garantire l’uniforme copertura del territorio.

SCHEMA GENERALE DELLA RETE TELEFONICA NELL’ERA DELL’INTERCONNESSIONE ( ) Le singole reti telefoniche locali erano delle specie di “isole” che potevano o no essere interconnesse tra loro (la maggior parte non lo erano)

2.3 L’ERA DELLA RETE ( ) All’inizio degli anni Cinquanta, a causa del sempre crescente numero di utenti, l’esigenza di avere una rete unificata è diventata una vera emergenza; Si è così aperta l’era della rete telefonica, caratterizzata da una crescente automazione ed informatizzazione delle infrastrutture nel corso degli anni; Le reti locali sono diventate sempre più estese, mentre l’accresciuta capacità di interconnessione ha abbattuto enormemente i costi delle chiamate a lunga distanza (anche internazionali !), rendendo il servizio pressochè ubiquo; In questi quarant’anni sono stati raggiunti traguardi quali: L’instradamento delle chiamate è effettuato in gran parte via computer con opportuni algoritmi software; Le chiamate assistite dall’operatore sono state eliminate anche nei casi di chiamate intercontinentali;

SCHEMA GENERALE DELLA RETE TELEFONICA NELL’EPOCA DELLA RETE ( ) Servizio telefonico ubiquo (interconnessione totale e trasparente)

2.4 L’ERA DELL’ACCESSO ( ?) L’estrema penetrazione del servizio telefonico conseguita nell’era della rete, ha fatto sorgere l’idea di utilizzare la rete telefonica per fornire agli utenti una più vasta gamma di servizi (non solo trasmissione vocale); L’ostacolo principale a questo progetto risiede nelle obsolete tecniche di comunicazione su doppino telefonico, le quali, sebbene rese infinitamente più efficienti, sono rimaste sostanzialmente quelle dei tempi di A. G. Bell; L’accesso locale (corrispondente all’ultimo miglio di rete) su doppino telefonico è estremamente costoso e tendenzialmente inadatto a gestire i servizi emergenti, basati sulla trasmissione digitale ad elevato bit-rate; La nuova era nell’evoluzione della rete telefonica, detta era dell’accesso, intende superare le limitazioni imposte dalle tecnologie basate su doppino telefonico.

ERA DELL’ACCESSO: PARAGONE CON LE FERROVIE Il parallelo tra rete telefonica e rete ferroviaria è quanto mai calzante. Per lungo tempo il maggiore sforzo delle industrie ferroviarie, è stata la costruzione delle ferrovie stesse, con binari e traversine. Lo stesso è avvenuto per la rete telefonica: è stato necessario un altrettanto grande sforzo per diffondere il doppino telefonico ovunque (era della rete); In tempi recenti, tuttavia, sono stati progettati treni superveloci, per i quali l’attuale rete ferroviaria è inadeguata. Sicchè ora si stanno progettando anche nuovi tipi di linea ferroviaria adatti a reggere le velocità dei nuovi treni; In maniera analoga, sono stati inventati apparati per la trasmissione digitale ad elevato bit-rate, che non possono essere supportati dal doppino telefonico; Solo negli anni novanta si è concretamente pensato di sostituire il vecchio “binario” (cioè il doppino telefonico), con nuove linee di comunicazione.

NUOVE TECNOLOGIE DI ACCESSO NELLA TERZA ERA DELLA RETE TELEFONICA Durante l’era dell’accesso, la “tirannia” del doppino in rame nell’ultimo miglio di rete verrà finalmente superata, come pure verrà superata la filosofia “monoservizio” (oltre alla voce verranno trasmessi anche dati ed immagini); Vi sono diverse tecnologie alternative, che si stanno affiancando al doppino in rame per la trasmissione della voce in ambito locale. Le più note sono due: trasmissione digitale su fibra ottica (ideale per il Backbone, troppo costosa per l’accesso locale); trasmissione digitale wireless (telefonia cellulare: GSM, IS-95 e futuro standard UMTS);

SCHEMA GLOBALE DELLA RETE TELEFONICA DURANTE L’ERA DELL’ACCESSO ( ?) Accesso alla rete multi-servizio con differenti modalità

2.5 DAL CONCETTO DI RETE A COMMUTAZIONE A QUELLO DI RETE ETEROGENEA ED INTELLIGENTE Durante il secondo stadio di evoluzione (era della rete), la struttura ideale della rete telefonica era costituita da un albero i cui nodi rappresentano le centraline di commutazione (vedi Figura 2.3.1); Il numero delle centraline di commutazione era molto elevato, in quanto aumentando il numero delle centraline, si diminuiva la lunghezza delle tratte di trasmissione in rame, le quali sono tuttora molto costose; Il costo delle centraline di commutazione, un tempo complessi dispositivi elettromeccanici ora in gran parte informatizzate, è infatti sceso molto più velocemente rispetto al costo dei cavi in rame (che rimane molto alto); Nell’era della rete, il concetto dominante nella telefonia era pertanto quello di commutazione. La rete telefonica è tuttora, in gran parte, una rete a commutazione.

2.5 (bis) DAL CONCETTO DI COMMUTAZIONE A QUELLO DI RETE ETEROGENEA ED INTELLIGENTE Attualmente diversi mezzi di trasmissione si stanno affiancando al costoso doppino in rame, facendo dire a qualcuno che il costo delle tratte di trasmissione potrebbe scendere più velocemente rispetto a quello della commutazione; In realtà non è proprio così. Quello che davvero sta accadendo è il passaggio da una rete di tipo omogeneo (tutta cablata in rame) ad una rete di tipo eterogeneo, con differenti mezzi di trasmissione nelle differenti tratte (cavo telefonico, fibra ottica, wireless ecc.); Inoltre l’introduzione ai diversi livelli della rete di parti intelligenti, cioè capaci di gestire il traffico in maniera efficiente ed adattiva rispetto alle condizioni della rete medesima, sta progressivamente portando al superamento della vecchia dicotomia commutazione/trasmissione.

Per circa un secolo la trasmissione della voce su rete telefonica è stata attuata in maniera completamente analogica sulla larghezza di banda propria del segnale vocale (300 Hz KHz.); I primi standard di trasmissione wireless per la telefonia mobile erano pur essi basati sull’analogico (TACS in Europa, AMPS negli USA); Attualmente si sta andando verso la trasmissione della voce in maniera completamente digitale. Ciò avviene già nei più diffusi standard per la telefonia mobile, quali il GSM (Europa) e IS-95 (USA); Anche su doppino si fa strada la trasmissione di dati e fonia in digitale: esistono infatti modem operanti sulla banda del segnale vocale e modem basati sulla tecnologia ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), e x-DSL che sfruttano tutta la banda disponibile del canale telefonico per la trasmissione ad alto bit-rate.

2.6 LA TRASMISSIONE DIGITALE : LE MODULAZIONI NUMERICHE Dal corso di comunicazioni elettriche è noto che un segnale analogico può essere trasmesso in banda traslata sfruttando tecniche di Modulazione Analogica La modulazione permette di adattare le caratteristiche del segnale da trasmettere alle caratteristiche del canale di trasmissione. Se si vuole trasmettere un segnale numerico in banda traslata si impiegano le modulazioni digitali.

2.CENNI STORICI SULLE TRASMISSIONI DIGITALI
DALLA TRASMISSIONE COMPLETAMENTE ANALOGICA ALLA TRASMISSIONE COMPLETAMENTE DIGITALE : primi esperimenti e usi della modulazione AM; (1918) progetto del ricevitore supereterodina; : sviluppo della teoria della trasmissione primi lavori di Landmark, Nyquist, Hartley; 1936 impiego della modulazione FM; : sviluppo della teoria statistico-matematica della trasmisione e della decisone; 1948: anno fondamentale per la trasmissione digitale, Shannon pubblica il suo lavoro sulla teoria dell’informazione e comunicazioni numeriche; 1948-oggi: sviluppo della trasmissione digitale in modo ampio dalle prime modulazioni numeriche all’uso di tecniche avanzate quali CAP e DMT.

3. RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD UTENTI RESIDENZIALI
3.1 GENERALITA’ I sistemi di comunicazione che forniscono accesso locale, storicamente, sono stati progettati per specifiche applicazioni (reti monoservizio); Come si è già visto, le reti telefoniche (almeno per lunghissimo tempo) sono state costruite e gestite esclusivamente per la trasmissione del segnale vocale; Un altro tipo di rete monoservizio è costituito dalle reti per la distribuzione del segnale televisivo via cavo a comunità locali (reti CATV). Esse sono state ideate per fornire esclusivamente il servizio televisivo broadcast. Dalla moderna tecnologia, emerge invece la possibilità di fare convergere diverse applicazioni (TV, trasmissione-dati, telefonia, ecc.) in un unico mezzo di comunicazione digitale che non distingua una applicazione dall’altra. Reti multiservizio a banda larga (reti multimediali) Rete monoservizio a banda stretta

ESEMPIO DI RETE A LARGA BANDA MULTISERVIZIO

3.2 CONCETTO DI AUTOSTRADA INFORMATICA

3.3 ESEMPI DI SERVIZI OFFERTI DALLE RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA Tra i servizi offerti dalle reti multimediali a larga banda possono essere segnalati i seguenti: Broadcast TV digitale (già esistente su reti CaTV); Video-telefonia; Servizi informativi: accesso a shopping, mappe del tempo, ecc. Accesso a Internet: , discussioni di gruppo, www, etc; Applicazioni industriali: lavoro di gruppo, ecc.; Tele lavoro; Commercio elettronico e tele shopping; Educazione: permettere a studenti l’accesso alle risorse educative (esempio: biblioteche e banche-dati direttamente da casa).

3.4 TECNOLOGIE IN COMPETIZIONE Nella corsa alla fornitura di servizi multimediali ad utenti appartenenti all’ultimo miglio di rete, le seguenti tecnologie sono in competizione tra loro: ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) e x-DSL: trasmissione digitale a larga banda su doppino telefonico; Fibra ottica dentro gli edifici (FTTB Fiber-To-Building); Sistemi di comunicazione a larga banda satellitari (broadband satellite communication), un esempio noto è il sistema TELEDESIC sponsorizzato dalla MICROSOFT®; Sistemi di comunicazione a larga banda su reti a cavo coassiale per TV via cavo (reti CATV), che utilizzano la tecnologia dei cable modem; Sistemi di comunicazione che usano la rete per la distribuzione dell’energia elettrica come mezzo di trasmissione dell’informazione.

3.4 TECNOLOGIE IN COMPETIZIONE Le tecniche di modulazione di base da sole non bastano per rendere robusto un sistema di trasmissione dalle interferenze introdotte dal canale di trasmissione. Infatti, in un sistema a banda larga il termine modulazione spesso non è associabile direttamente a quello di modulazione digitale a banda stretta; Per questo motivo si introduce il concetto di modulazione a banda larga in “diversità” che comporta un allargamento dello spettro al fine di garantire una maggiore robustezza della trasmissione di informazione su un canale affetto da degradazioni. Esempi di tali tecniche sono i metodi spread spectrum quali il DS CDMA (Direct sequence code division multiple access) e il FH (Frequency Hopping), e le tecniche CAP e DMT.

TECNOLOGIE IN COMPETIZIONE

3.4.2 TECNOLOGIE IN COMPETIZIONE Standard Modulazione a larga banda Banda [GHz] Velocità di trasmissione UMTS DS CDMA Fino a 2 Mb/s Bluetooth FH Fino a 1 Mb/s WLAN WLAN b Fino a 11 Mb/s WLAN a OFDM Fino a 54 Mb/s WPAN Fino a 250 Kb/s

3.4.2 TECNOLOGIE IN COMPETIZIONE La trasmissione a larga banda consiste nell’impiego di una modulazione a banda stretta seguita da un allargamento dello spettro mediante un’opportuna tecnica; Ad esempio, la combinazione tra la modulazione digitale a banda stretta QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), e la tecnica DS CDMA è stata impiegata per la realizzazione della trasmissione nello standard UMTS; Altro esempio è costituito dallo standard per reti senza fili a corto raggio denominato Bluetooth ove la trasmissione avviene combinando la modulazione digitale a banda stretta GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) con la tecnica FH.

3.5 MODELLO GENERALE DI ACCESSO ALLA RETE Un modello generale che descriva l’accesso ad una rete generica a larga banda per la fornitura di servizi ad utenti residenziali è costituito da quattro blocchi fondamentali: Terminale (subscriber station); Stazione-base (base station); Controller di rete (network controller); Rete (network)

SCHEMA A BLOCCHI DEL MODELLO GENERALE DI ACCESSO ALLA RETE

DESCRIZIONE DEI SINGOLI BLOCCHI Terminale è posto all’interno del sito residenziale (telefono cellulare, modem telefonico, cable modem, ecc.), costituito essenzialmente da un transceiver digitale; Stazione-base è localizzata centralmente rispetto ai siti residenziali serviti. La stazione-base è il punto di connessione tra i terminali e la rete a cui si vuole accedere (ad esempio una MAN). Essa è costituita da un insieme di transciever digitali, simili a quelli presenti singolarmente nei terminali, amplificatori di potenza, filtri, ed altri dispositivi di elaborazione digitale del segnale; Controllore di rete, gestisce tutte le operazioni di accesso alla rete, sia a livello di terminale, che di stazione-base. Rete: è la rete alla quale si vuole accedere.

SCHEMA A BLOCCHI DI UN TERMINALE

digitali a banda stretta
3. RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD UTENTI RESIDENZIALI SCHEMA A BLOCCHI DI UNA STAZIONE-BASE Modulazioni digitali a banda stretta

SISTEMI DI COMUNICAZIONE DIGITALE: CONCETTI FONDAMENTALI

Presentazioni simili

Presentazione sul tema: "SISTEMI DI COMUNICAZIONE DIGITALE: CONCETTI FONDAMENTALI"— Transcript della presentazione:

Presentazioni simili

Sul progetto

Feed-back

Entrare

Autorizzarsi attraverso i social network:

SISTEMI DI COMUNICAZIONE DIGITALE: CONCETTI FONDAMENTALI

Presentazioni simili

Presentazione sul tema: "SISTEMI DI COMUNICAZIONE DIGITALE: CONCETTI FONDAMENTALI"— Transcript della presentazione:

Presentazioni simili

Sul progetto

Feed-back