sistemi di comunicazione digitale: concetti fondamentali

Corso di Sistemi di Telecomunicazione
A.A 2012 - 2013
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, “Communication Systems” (Terza
Edizione), McGraw-Hill, New York: 1995, disponibile
nell’ufficio del prof. Regazzoni.
CONTENUTI
 Definizione di sistema di telecomunicazione;
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.).
1.
DEFINIZIONE DI SISTEMA DI
TELECOMUNICAZIONE
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.
1.
DEFINIZIONE DI SISTEMA DI
TELECOMUNICAZIONE
1.3 ESEMPI DI SISTEMA DI COMUNICAZIONE PUNTOPUNTO 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
Trasmettitore K
Ricevitore K
1.
DEFINIZIONE DI SISTEMA DI
TELECOMUNICAZIONE
1.3.1 ESEMPIO DI SISTEMA DI COMUNICAZIONE PUNTOMULTI-UTENTE A DUE VIE
Trasmettitore 1
UTENTE 1
Ricevitore
1
Ricevitore
Canale
2
UTENTE 2
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.
DEFINIZIONE DI SISTEMA DI
TELECOMUNICAZIONE
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;
L’accesso è il metodo con cui gli utenti residenziali si connettono alla rete.
Poiché gli utenti residenziali sono i nodi terminali della rete, essi
condividono il tratto finale della rete, in pratica quello che “penetra”
all’interno delle abitazioni.
Questo tratto è detto ultimo miglio di rete ed è generalmente condiviso da un
elevato numero di utenti che desiderano connettersi.
1.
DEFINIZIONE DI SISTEMA DI
TELECOMUNICAZIONE
1.5 ESEMPI DI SISTEMI DI COMUNICAZIONE MULTIUTENTE
Rete satellitare per la
trasmissione broadcast
(unidirezionale)
Rete satellitare di tipo “store
and forward” (bidirezionale)
1.
DEFINIZIONE DI SISTEMA DI
TELECOMUNICAZIONE
1.5.1 ESEMPI DI SISTEMI DI COMUNICAZIONE MULTIUTENTE: RETE TELEFONICA
Le tre tratte della rete telefonica
completamente in rame (1880-1975)
Le tre tratte della rete telefonica con accesso
misto doppino-wireless (1980-oggi)
1.
DEFINIZIONE DI SISTEMA DI
TELECOMUNICAZIONE
1.5.2 ESEMPI DI SISTEMI DI COMUNICAZIONE MULTIUTENTE: RETE TELEFONICA
•La rete telefonica, in entrambe le configurazioni viste in 1.5.1 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 - 3.4 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.
DEFINIZIONE DI SISTEMA DI
TELECOMUNICAZIONE
1.5.2bis ESEMPI DI SISTEMI DI COMUNICAZIONE
MULTI-UTENTE: RETE WIRELESS
1.
DEFINIZIONE DI SISTEMA DI
TELECOMUNICAZIONE
1.6 INTRODUZIONE ALLE TEMATICHE DEL CORSO
Il corso di Sistemi di Telecomunicazione si occupa
delle problematiche relative all’accesso degli utenti all’ultimo miglio di rete;
dei modelli di canale di trasmissione e delle tecniche di ricezione di
informazione rumorosa.
Il corso di Sistemi di Telecomunicazione si articola nei seguenti punti principali:
Tecniche di accesso multiplo (TDMA, FDMA, CDMA)
Modulo 1
Sistemi digitali di telecomunicazione
Modelli matematico/statistici dei canali di trasmissione
Modulo 2
Metodi con cui viene recuperata l’informazione
trasmessa (ricezione, teoria della stima)
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 (1876-1950);
L’era della rete (1950-1990);
L’era dell’accesso (1990 - ?).
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.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
2.2 L’ERA DELL’INTERCONNESSIONE (1876-1950)
•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.
2.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
2.2.1 SCHEMA GENERALE DELLA RETE TELEFONICA
NELL’ERA DELL’INTERCONNESSIONE (1876-1950)
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.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
2.3 L’ERA DELLA RETE (1950-1990)
•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;
2.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
2.3.1 SCHEMA GENERALE DELLA RETE TELEFONICA
NELL’EPOCA DELLA RETE (1950-1990)
Servizio telefonico ubiquo (interconnessione totale e trasparente)
2.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
2.4 L’ERA DELL’ACCESSO (1990 - ?)
•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.
2.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
2.4.1 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.
2.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
2.4.2 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 collegamenti su lunghe
distanze, troppo costosa per l’accesso locale);
trasmissione digitale wireless (telefonia cellulare: GSM, IS-95 e futuro
standard UMTS);
2.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
2.4.3 SCHEMA GLOBALE DELLA RETE TELEFONICA
DURANTE L’ERA DELL’ACCESSO (1990 - ?)
Accesso alla rete multi-servizio con differenti modalità
2.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
2.4.4 ESEMPIO: LA RETE TELEFONICA TELECOM ITALIA
La piattaforma della rete per il trasporto della voce di TELECOM
ITALIA utilizza:
•5 centri internazionali;
•33 aree gateway;
•66 centrali di transito (SGT);
•628 centrali locali (SGU);
•10.400 centrali di accesso (SL).
2.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
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.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
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.
2.
CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE
DELLA RETE TELEFONICA
2.6 DALLA TRASMISSIONE COMPLETAMENTE ANALOGICA
ALLA TRASMISSIONE COMPLETAMENTE DIGITALE
•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. - 3.4 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), che sfruttano tutta
la banda disponibile del canale telefonico per la trasmissione ad alto bit-rate.
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.
Rete monoservizio a banda stretta
Reti multiservizio a banda larga
(reti multimediali)
3.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA
BANDA PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD
UTENTI RESIDENZIALI
3.1.1 ESEMPIO DI RETE A LARGA BANDA MULTISERVIZIO
3.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA
BANDA PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD
UTENTI RESIDENZIALI
3.1.2 ESEMPIO: LA RETE DATI DI TELECOM ITALIA
La struttura di rete dati è costituita da:
•Oltre 200 Point of presence distribuiti sul territorio nazionale;
•Circa duemila nodi terminali;
•Circa 200 nodi di backbone (ATM o IP);
•Una disponibilità infrastrutturale di banda sulla rete nazionale
di 60 Gbits;
•Una disponibilità di banda sulla rete internazionale di circa 3 Gbits.
3.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA
PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD UTENTI
RESIDENZIALI
3.2 CONCETTO DI AUTOSTRADA INFORMATICA
WAN
Wide Area Network
MAN
Regional or Metropolitan Network
LAN
Local Distribution (last mile)
End - user
IP
Rete di accesso
Locale
End - user
3.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA
PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD UTENTI
RESIDENZIALI
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: e-mail, 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.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA
PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD UTENTI
RESIDENZIALI
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): 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.
Sistemi di comunicazione wireless (Wireless LAN, reti cellulari).
3.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA
PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD UTENTI
RESIDENZIALI
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)
3.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA
BANDA PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD
UTENTI RESIDENZIALI
3.5 RETE DI ACCESSO IN EUROPA E SVILUPPO ACCESSI A
LARGA BANDA PREVISTI DA TELECOM ITALIA
3.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA
PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD UTENTI
RESIDENZIALI
3.5.1 SCHEMA A BLOCCHI DEL MODELLO GENERALE DI
ACCESSO ALLA RETE
3.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA
PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD UTENTI
RESIDENZIALI
3.5.2 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.
3.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA
PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD UTENTI
RESIDENZIALI
3.5.3 SCHEMA A BLOCCHI DI UN TERMINALE
3.
RETI MULTIMEDIALI A LARGA BANDA
PER LA FORNITURA DI SERVIZI AD UTENTI
RESIDENZIALI
3.5.4 SCHEMA A BLOCCHI DI UNA STAZIONE-BASE
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.1 IL CONCETTO DI ACCESSO MULTIPLO
•Attualmente i sistemi di telecomunicazione sono per lo più caratterizzati
dall’accesso multiplo al canale di trasmissione. Solo i sistemi più vecchi
prevedevano l’accesso singolo;
•L’accesso singolo impone un vincolo pesante: un utente che trasmette interdice
l’accesso al canale a tutti gli altri utenti, finchè non ha terminato il suo
messaggio. Inoltre i messaggi trasmessi vengono ascoltati anche da utenti non
interessati alla loro ricezione (broadcast). Questo vecchio sistema è usato tuttora
dai radiotaxi e dalla polizia;
•L’accesso multiplo è basato, invece, su politiche di condivisione del canale di
trasmissione. In realtà non viene condiviso fisicamente il mezzo di trasmissione
(ciò è possibile solo usando il CDMA puro). La condivisione avviene in senso lato,
con modalità trasparenti per gli utenti i quali “vedono” effettivamente una
trasmissione simultanea dei loro messaggi.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.2 MIGLIORAMENTI INTRODOTTI DALL’ACCESSO
MULTIPLO RISPETTO ALL’ACCESSO SINGOLO
•I sistemi ad accesso multiplo sono progettati per consentire la trasmissione
simultanea (in senso lato, vedi slide precedente) ad un numero ragionevole di
utenti;
•I sistemi ad accesso multiplo consentono una comunicazione privata tra utente
ed utente (non ascoltata da utenti non interessati). In pratica viene assegnato un
circuito virtuale tra due utenti privati che si connettono;
•I circuiti virtuali sono tronchi, nel senso che non c’è un pre-assegnamento di
alcun circuito ad alcun utente. Ogni utente può ottenere l’accesso a qualsiasi
circuito e può usare differenti circuiti per differenti chiamate;
•I circuiti virtuali sono generalmente “demand assignment”, cioè attribuiti agli
utenti con la filosofia del “primo venuto-primo servito”.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.3 PRINCIPALI METODI DI ACCESSO MULTIPLO
•I principali metodi di accesso multiplo che consentono ai diversi utenti di gestire
la condivisione del canale di trasmissione sono i seguenti:
Accesso multiplo a DIVISIONE DI FREQUENZA (FDMA - Frequency
Division Multiple Access);
Accesso multiplo a DIVISIONE DI TEMPO (TDMA - Time Division
Multiple Access);
Accesso multiplo a DIVISIONE DI CODICE (CDMA - Code Division
Multiple Access);
•Esistono anche metodi ibridi, che sfruttano la combinazione di due o anche di
tutte e tre le tecniche sopra menzionate (un esempio è il GSM che utilizza un
metodo di accesso multiplo che è un ibrido tra TDMA/FDMA).
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.4 ACCESSO MULTIPLO A DIVISIONE DI FREQUENZA
(FDMA)
•E’ storicamente il primo metodo di accesso multiplo. E’ usato soprattutto nelle
trasmissioni analogiche (tuttora impiegato nella trasmissione analogica del
segnale radio e TV), ma trova anche limitate applicazioni nelle trasmissioni
digitali;
•Il metodo FDMA si basa su un concetto molto semplice: lo spettro totale
disponibile viene suddiviso in un gran numero di canali separati. Ogni canale
è in grado di supportare un circuito virtuale;
•Ogni utente può accedere ad ognuno di questi canali, dietro la supervisione di
un controller del sistema;
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.4.1 ESEMPIO DI ARCHITETTURA FDMA PER LA
TRASMISSIONE DEL SEGNALE VOCALE
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.4.2 CARATTERISTICHE PECULIARI DI UN SISTEMA
FDMA PER LA TRASMISSIONE DIGITALE
Agilità in frequenza: ogni utente deve essere in grado di sintonizzarsi
automaticamente su una qualsiasi dei canali disponibili, dietro la supervisione del
controller del sistema, in modo da evitare collisioni;
Trasmissione continua: Un sistema FDMA trasmette in continuità fino a che il
messaggio non è ultimato;
Trasmissione e ricezione simultanea: Un sistema FDMA deve trasmettere e
ricevere simultaneamente. Ciò comporta la necessità una circuiteria di duplexer
installata sia a livello di terminale che di stazione-base;
 Bassa ridondanza nell’informazione trasmessa: la trasmissione digitale multiutente con modalità FDMA richiede pochi bit di header nel messaggio trasmesso,
poiché il controller deve effettuare poche e semplici operazioni (non deve
effettuare recuperi di sincronismo come, ad esempio, avviene nel TDMA)
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.4.2 CARATTERISTICHE PECULIARI DI UN SISTEMA FDMA
PER LA TRASMISSIONE DIGITALE (CONTINUAZIONE)
Elevato costo delle infrastrutture hardware: tale costo è dovuto alla necessità di
di garantire un singolo canale per ogni portante. Quindi, per ognuno dei canali è
necessario avere un sistema separato di trasmissione e ricezione a livello di
stazione-base;
Vulnerabilità nei confronti dell’interferenza di co-channel: per conseguire la
massima efficienza spettrale, è necessario che la larghezza di banda dei singoli
canali sia il più possibile ridotta. Canali di dimensione ridotta sono maggiormente
vulnerabili rispetto all’interferenza di co-channel;
Complessità dell’operazione di hand-off: poichè la trasmissione FDMA è
continua, un’operazione di hand-off (cioè far passare un utente da un circuito ad un
altro durante la trasmissione di un messaggio) è assai difficile senza interrompere
brevemente la comunicazione. Un’interruzione del servizio può essere fatale nelle
operazioni di trasmissione-dati digitale.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.4.2 CARATTERISTICHE PECULIARI DI UN SISTEMA FDMA
PER LA TRASMISSIONE DIGITALE (CONTINUAZIONE)
Mancanza di flessibilità dell’hardware nei confronti delle nuove tecnologie: il
maggiore problema delle architetture FDMA è, oltre al costo dell’hardware,
l’impossibilità di adattamento dell’hardware medesimo nei confronti
dell’evoluzione tecnologica (per effettuare degli upgrade è necessario sostituire tutto
l’hardware in blocco);
Mancanza di flessibilità nei confronti dei nuovi servizi: i sistemi FDMA digitali
consentono di trasmettere ad un bit-rate piuttosto modesto (sono ottimizzati per i
servizi di trasmissione vocale). Soluzioni teoricamente possibili, come quella di
affasciare insieme un certo numero di canali FDMA per trasmettere a più alto rate,
sono assolutamente da scartare per l’eccessiva complessità richiesta ai terminali.
CONCLUSIONE
FDMA non è una tecnologia adatta
ai i requisiti imposti dalla nuove
tecniche di trasmissione digitale
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.5 ACCESSO MULTIPLO A DIVISIONE DI TEMPO (TDMA)
•L’accesso multiplo a divisione di tempo si basa sul concetto di allocare l’intera
larghezza di banda disponibile ad un solo link di comunicazione tra due utenti per
un certo periodo di tempo (detto slot).
•Il TDMA è in pratica un’estensione del concetto di commutazione di circuito,
che in questo caso avviene in maniera virtuale e non per tutta la durata della
comunicazione;
•L’utente, quando attiva un link di comunicazione, in realtà trasmette i suoi dati in
maniera “burst” (intermittente), poiché, periodicamente, il collegamento viene
“staccato” a lui ed “attaccato” ad altri utenti che ne fanno richiesta;
PROBLEMA
Come si fa a gestire una trasmissione
di questo genere, senza che l’utente si
accorga delle interruzioni ?
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.5.1 TRASMISSIONE SINCRONA “BUFFER AND BURST”
•E’ stata questa la soluzione adottata dai primi sistemi TDMA;
•Ad ogni utente ricevente viene assegnata una determinata slot temporale. I dati
trasmessi all’interno di tale slot sono detti burst. Il ricevitore di tale utente si
sincronizza con il trasmettitore della stazione-base e “conta” il numero di slot
temporali finchè non raggiunge la slot temporale assegnata;
•Dopodichè l’utente attiva il suo ricevitore allo scopo di demodulare e
decodificare il messaggio contenuto all’interno del suo burst;
•Analogamente, un utente trasmittente inserisce in un buffer i dati da
trasmettere e si sincronizza con la stazione-base attendendo la sua slot temporale.
Quando raggiunge la slot temporale assegnatagli, il trasmettitore scarica i dati
sul canale ad alta velocità ed intanto ricarica il buffer per il burst successivo.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.5.2 SCHEMA DI UN SISTEMA DI TRASMISSIONE
SINCRONA “BUFFER AND BURST” (TDMA PURO)
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.5.3 ACCESSO MULTIPLO FD/TDMA (TDMA A DIVISIONE
DI FREQUENZA)
•Nei sistemi attuali, si preferisce ricorrere ad una combinazione tra TDMA ed
FDMA, per sfruttare insieme i vantaggi delle due tecniche, compensandone gli
svantaggi. Infatti, al giorno d’oggi, quando si parla di TDMA, ci si riferisce non
tanto al TDMA puro, ma al TDMA a divisione di frequenza (FD/TDMA);
•Un sistema FD/TDMA può essere rappresentato da una matrice in tempofrequenza (vedere slide successiva), dove ad ogni canale corrisponde un insieme
di circuiti virtuali di comunicazione, ognuno dei quali attivato ad una determinata
slot temporale. Il protocollo di trasmissione con cui vengono gestiti i singoli
circuiti è di tipo sincrono “buffer and burst”;
•La larghezza di banda di ogni canale è tipicamente variante tra i 20 ed i 300 KHz;
•Ogni canale può supportare da 2 a 30 (o anche più) circuiti virtuali.
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PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.5.4 SCHEMA DI UN SISTEMA DI TRASMISSIONE FD/TDMA
(TDMA A DIVISIONE DI FREQUENZA)
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.5.5 CARATTERISTICHE PECULIARI DI UN SISTEMA
FD/TDMA PER LA TRASMISSIONE DIGITALE
Trasmissione intermittente: il terminale dell’utente residenziale trasmette (e
riceve) dati in maniera intermittente, invece che in maniera continua come
avveniva per i sistemi FDMA. Questo fatto ha pesanti implicazioni nella
progettazione e nell’implementazione dell’hardware richiesto;
Maggiore larghezza di banda a disposizione: l’efficienza spettrale di un sistema
FD/TDMA è maggiore di quella di un corrispondente sistema FDMA di un fattore
approssimativamente uguale al numero di circuiti supportati da ogni portante;
Elevata ridondanza nell’informazione trasmessa: un formato di trasmissione
burst-TDMA richiede al ricevitore di riacquistare la sincronizzazione ad ogni slot.
Sono pertanto necessarie guardie temporali (che sono bytes aggiunti) per
garantire che, ad ogni slot, vengano tra loro distanziati utenti che arrivano a
richiedere di trasmettere insieme sul canale a causa di ritardi di propagazione
dovuti alle differenti distanze a cui essi si trovano dalla stazione-base.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.5.5 CARATTERISTICHE PECULIARI DI UN SISTEMA
FD/TDMA PER LA TRASMISSIONE DIGITALE (CONTINUA)
Costo delle infrastrutture: rispetto al caso FDMA, la drastica riduzione delle
apparecchiature operanti in radiofrequenza (tipicamente oscillatori e simili),
compensa l’aumento di costo dovuto all’introduzione della circuiteria TDMA per
ogni singola portante, avantaggiando, seppure di poco, l’architettura FD/TDMA;
Hand-off: un sistema FD/TDMA può essere progettato per effettuare un
perfetto hand-off senza alcuna perdita di informazione, poiché l’hand-off può
avvenire durante l’intervallo di attesa della slot assegnata;
Maggiore flessibilità: il TDMA è un’architettura principalmente gestita a
livello software (al contrario del FDMA pesantemente basato sull’hardware). E’
possibile, ad esempio, cambiare le configurazioni dei valori del bit-rate assegnato
ad ogni utente, ridefinendo semplicemente il software di assegnamento delle slot,
senza alterare in alcun modo la struttura dell’hardware. Per questo motivo il
TDMA si adatta meglio alla richiesta di nuovi servizi digitali emergenti.
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PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.5.6 CONCLUSIONI SU FDMA E TDMA
Metodo intensivamente basato sull’ hardware e
quindi poco flessibile e riconfigurabile.
FDMA
TDMA
(FD/TDMA)
Adatto per trasmissioni analogiche broadcast,
non per trasmissione digitale nell’ambito di
servizi multimediali, basati sull’attribuzione del
bit-rate “on demand”.
Metodo intensivamente basato sul software e
quindi assai più flessibile ed adattivo.
Per la sua flessibilità può essere sfruttato
convenientemente per la trasmissione digitale a
bit-rate variabile. E’ alla base dei più usati
standard di trasmissione digitale (es. GSM).
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PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.6 ACCESSO MULTIPLO A DIVISIONE DI CODICE (CDMA)
•La filosofia che sta alla base del CDMA è totalmente diversa rispetto a quella
vista per i sistemi TDMA e FDMA;
•I primi due metodi analizzati avevano come obiettivo quello di tenere distinte o
nel dominio del tempo o nel dominio della frequenza, o in entrambi i domini le
trasmissioni dei singoli utenti, gestendo la condivisione del canale in maniera
virtuale;
•Il CDMA si basa sulla reale condivisione del canale in senso fisico, senza alcuna
restrizione temporale o in frequenza.
•In pratica si accetta che i diversi utenti trasmettano i loro messaggi
simultaneamente, sulla stessa porzione di banda disponibile. Un utente è
distinto da un altro sulla base di una codifica hardware dell’informazione di tipo
pseudo-causale. Questa “firma” indelebile sul messaggio trasmesso sopravvive
anche quando diverse trasmissioni sono miscelate insieme sul canale.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.6.1 RICEZIONE CDMA E INTERFERENZA DI CO-CHANNEL
•Un sistema CDMA richiede un tipo di ricevitore che conosca esattamente in
quale modo è stata codificata l’informazione in trasmissione;
•Per cui si dice che il ricevitore CDMA è adattato al pattern pseudo-casuale con
cui l’informazione viene trasmessa. In pratica, il ricevitore deve in qualche modo
replicare l’hardware di codifica dell’informazione, presente nel trasmettitore;
•Solo in questo modo è possibile recuperare l’informazione trasmessa da un dato
utente, rispetto a quella degli altri utenti.
•Un utente del sistema CDMA non può “leggere” quindi l’informazione spedita
ad un altro utente. La privatezza del messaggio è pertanto garantita;
•Il prezzo che bisogna pagare è imposto dall’interferenza di accesso multiplo
(MAI), che è una forma ineliminabile di interferenza di co-channel che tuttavia,
al contrario di quella propriamente detta, è possibile in qualche maniera mitigare.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.6.2 METAFORA CON CUI E’ POSSIBILE SPIEGARE I
METODI DI ACCESSO MULTIPLO TDMA ED FDMA
•Il concetto di accesso multiplo in modalità TDMA ed FDMA può essere
paragonato ad un insieme di tubi sottili e non comunicanti tra loro, attraverso i
quali ogni utente manda a destinazione delle palline, che hanno la stessa forma di
quelle mandate dagli altri utenti. Le palline rappresentano i bit di informazione ed
i tubicini i canali di trasmissione;
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.6.3 METAFORA CON CUI E’ POSSIBILE SPIEGARE IL
METODO DI ACCESSO MULTIPLO CDMA
•Il concetto di accesso multiplo in modalità CDMA può essere paragonato ad un
insieme di pacchi di formato diverso che contengono in realtà oggetti di
uguale formato (le palline della metafora precedente).
•Tutti i diversi pacchi (ad esempio a forma di sfera, di cubo di stella) vengono
mandati insieme in un unico tubo di sezione molto più grande rispetto a
quella dei tubicini dell’esempio precedente;
•All’uscita del tubo vi è un insieme di crivelli, adattati ognuno alla forma di
un solo pacco. Ogni crivello lascia passare solo i pacchi che hanno la forma
coincidente con quella prevista;
•Ovviamente le palline sono, al solito, i bit trasmessi. I pacchi di diversa forma
rappresentano la codifica hardware pseudo-casuale in trasmissione ed i crivelli
rappresentano i ricevitori adattati.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.6.3 (BIS) METAFORA CON CUI E’ POSSIBILE SPIEGARE IL
METODO DI ACCESSO MULTIPLO CDMA (DISEGNO
ESPLICATIVO)
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.6.4 METAFORA CON CUI E’ POSSIBILE SPIEGARE IL
CONCETTO DI INTERFERENZA DI ACCESSO MULTIPLO
•Il problema dell’interferenza di accesso multiplo può essere ben rappresentato
dalla ben nota metafora dei tre televisori nella stessa stanza;
•Supponiamo che vi siano tre televisori, uno sintonizzato su un canale della TV
araba, uno su un canale della TV inglese ed uno sul canale della TV giapponese;
•Un inglese, presente nella stanza comprenderà bene le trasmissioni della TV della
sua lingua, mentre considererà gli altri due televisori come fonti di puro rumore,
lo stesso avverrà per un arabo e quindi per un giapponese;
•Se i televisori sono tutti e tre a volume convenientemente basso e la stanza è
sufficientemente grande, i tre ascoltatori potranno seguire i loro programmi senza
disturbarsi tra loro e senza essere capiti gli uni dagli altri. I problemi sorgono se la
stanza è piccola e/o se il numero dei televisori è elevato. In tal modo è difficile, se
non impossibile, per gli interessati seguire i programmi indisturbati.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
LA METAFORA DELLE TRE TV NELLA STANZA (SCHEMA)
Salam Alaik !
Hallo !
Sayonara !
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.6.4 (BIS) METAFORA CON CUI E’ POSSIBILE SPIEGARE IL
CONCETTO DI INTERFERENZA DI ACCESSO MULTIPLO
•Ovviamente gli elementi della metafora rappresentano:
Televisori = trasmettitori
Uomini presenti nella stanza = ricevitori adattati
Lingua (inglese, arabo, giapponese) = codifica
Stanza = canale di trasmissione
Rumore emesso da televisori che trasmettono in lingua diversa da quella
conosciuta = Interferenza di accesso multiplo (MAI)
Volume dei televisori = Potenza di trasmissione
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.6.5 CDMA E SISTEMI DI COMUNICAZIONE A BANDA LARGA
(CENNO AL CONCETTO DI SPREAD SPECTRUM)
•Abbiamo detto in precedenza che la stanza ove si trovano i tre televisori deve essere
sufficientemente grande per consentire alle persone presenti di ascoltare il loro
programma, senza disturbarsi a vicenda;
•Inoltre si può notare dal disegno riportato in 4.6.3 BIS, che il tubo deve essere
abbastanza largo per contenere tutti i pacchi dei diversi formati;
•Ciò suggerisce che il canale di trasmissione deve occupare una porzione di spettro
di dimensioni adeguate per consentire a tutti gli utenti di trasmettere insieme senza
disturbarsi a vicenda;
•Per questo al concetto di CDMA è indissolubilmente legato il concetto di sistema
di comunicazione a banda larga basato sullo SPREAD SPECTRUM
(letteralmente “Spettro disperso”), dove si trasmette su una porzione di banda
molto più larga di quella effettivamente richiesta dal messaggio trasmesso.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.6.6 CARATTERISTICHE PECULIARI DEL METODO DI
ACCESSO MULTIPLO CDMA
Capacità del canale intesa in modo flessibile: in un sistema CDMA, il
concetto di capacità di canale è legato al numero di utenti che trasmettono
simultaneamente sul canale ed a quale potenza trasmettono, nonché alla
larghezza di banda disponibile (vedi esempio della stanza con le tre TV). Nei
sistemi CDMA la capacità non è quindi un parametro rigido, ma può essere
configurata in maniera flessibile, in funzione dei diversi parametri del sistema di
comunicazione;
Riduzione o cancellazione dell’interferenza grazie a codici ortogonali:
l’ineliminabile MAI può essere comunque ridotta, ed in casi particolari,
cancellata usando opportuni codici alquanto scorrelati tra loro. Ritornando
all’esempio delle tre TV, ciò corrisponde alla trasmissione di programmi in
lingue appartenenti a ceppi diversi (quali sono l’inglese, l’arabo ed il
giapponese). Codici con scarsa (o nulla) correlazione sono detti ortogonali.
4.
PRINCIPALI METODI DI ACCESSO
MULTIPLO
4.6.6 CARATTERISTICHE PECULIARI DEL METODO DI
ACCESSO MULTIPLO CDMA (CONTINUAZIONE)
•Controllo di potenza: è facile capire come un sistema CDMA dove i trasmettitori
parlano “lingue” molto diverse tra loro (usano codici ortogonali), funzioni bene se
i televisori sono più o meno equidistanti tra loro ed il livello del volume è
abbastanza simile (preferibilmente basso).
Se la TV che trasmette in arabo fosse molto vicina a quella che trasmette in
inglese ed il suo volume fosse molto alto, allora diventerebbe difficile capire
per l’utente inglese ciò che viene trasmesso nella sua lingua. Per cui il
volume della TV che trasmette in arabo dovrebbe essere convenientemente
abbassato, oppure il volume della TV inglese convenientemente alzato,
oppure (soluzione ottimale), regolare i due livelli di volume in modo che
entrambi gli utenti possano sentire e capire. Questa operazione, nella realtà
dei sistemi CDMA, si chiama controllo di potenza ed è fondamentale per
garantire buone prestazioni specie, in ambiente radiomobile.