Sistemi e Tecnologie della Comunicazione

1. Sistemi e Tecnologie della Comunicazione Lezione 8: strato fisico: multiplexing FDM, WDM, TDM e gerarchie di multiplexing

2. Multiplexing • Il multiplexing e’ una tecnica utilizzata per trasportare piu’ comunicazioni indipendenti sullo stesso mezzo trasmissivo • questa necessita’ si ha quando c’e’ bisogno di trasmettere molte comunicazioni ciascuna delle quali ha una piccola occupazione di banda, e si dispone di un mezzo trasmissivo capace di una banda molto piu’ ampia • La porzione della banda occupata da una singola comunicazione e’ detta canale • Vedremo tre modalita’ di multiplexing: • FDM (multiplexing a divisione di frequenza) • WDM (multiplexing a divisione di lunghezza d’onda) • TDM (multiplexing a divisione di tempo)

3. FDM (Frequency Division Multiplexing) • Come visto in precedenza, l’effetto della modulazione analogica si un segnale sinusiodale a frequenza f si traduce nella generazione di un segnale il cui spettro ha la stessa forma dello spettro del segnale modulante ma traslato attorno alla frequenza f della portante • Se ipotizziamo di disporre di una serie di segnali ciascuno con banda B, e di un mezzo trasmissivo che ha una capacita’ di banda limitata dai valori F1 e F2 (con F2-F1 >> B), possiamo utilizzare ciascun segnale per modulare segnali sinusoidali alle frequenze F1+B, F1+2B, F1+3B, etc. • I segnali modulati occuperanno porzioni distinte entro la banda trasmissiva del mezzo, e potranno essere trasmessi contemporaneamente senza interferire. • In ricezione, opportune operazioni di demodulazione e filtraggio permetteranno di separare i diversi traffici.

4. Banda nella modulazione di frequenza

5. Schema di modulazione di frequenza

6. Generazione e ricezione del segnale • I diversi segnali da trasmettere (analogici, o digitali trasformati in analogici via modem) modulano portanti a diverse frequenze, dette sottoportanti • I segnali modulati vengono sommati, generando un segnale composito in banda base; le frequenze delle sottoportanti vengono scelte in modo da minimizzare la sovrapposizione dei segnali sommati • Il segnale composito (che e’ analogico) puo’ essere a sua volta utilizzato per modulare una portante per traslare il segnale ad una frequenza adatta al mezzo trasmissivo • In ricezione si demodula, riportando il segnale composito in banda base • Utilizzando ulteriori demodulatori (adattati alle sottoportanti) e filtri si separano infine i segnali originari

7. Occupazione di banda • Se ipotizziamo di generare la modulazione con la sola banda laterale, la larghezza di banda occupata dal segnale composito sara’: • In realta’ la banda occupata e’ in genere leggermente superiore, per mantenere una separazione tra i diversi canali in modo da non avere interferenza e per tenere in conto la non idealita’ dei filtri in fase di demodulazione

8. Gerarchia FDM per la telefonia • Una applicazione molto diffusa e’ il multiplexing di canali fonici per la trasmissione delle telefonate attraverso le dorsali a larga banda in coassiale o ponte radio • Il canale fonico e’ posto a 4 KHz (per distanziare i diversi canali multiplexati) • Sono definiti gli standard per diversi livelli di multiplexing, per adattarsi alla capacita’ di diversi mezzi: • gruppo: 12 canali fonici, banda di 48 KHz tra 60 e 108 KHz • supergruppo: 5 gruppi, 60 canali, 240 KHz tra 312 e 552 KHz • gruppo master: 10 supergruppi, 600 canali, 2.52 MHz tra 564 KHz e 3.084 MHz • … esistono standard fino a 230.000 canali fonici

9. Trasmissione radio/TV • L’esempio piu’ comune di FDM e’ la trasmissione radiotelevisiva. Questa utilizza diverse bande di frequenza, ciascuna delle quali viene suddivisa in canali di una certa capacita’, idonea a trasmettere i segnali delle diverse stazioni trasmittenti • trasmissioni a modulazione di ampiezza (AM) nella banda MF (Medium Frequency): 300-3000 KHz , con canali da 4 KHz per radio commerciali • trasmissioni AM nella banda HF (High Frequency): 3-30 MHz, con canali fino a 4 KHz (radio onde corte) • trasmissioni AM o FM nella banda VHF (Very High Frequency): 30-300 MHz, con canali fino a 5 MHz (radio FM e TV VHF) • trasmissioni FM nella banda UHF: 300-3000 MHz con canali fino a 20 MHz (TV UHF, ponti radio) • trasmissioni FM nella banda SHF: 3-30 GHz con canali fino a 500 MHz (microonde terrestri e satellitari) • …

10. ADSL • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) e’ lo standard per fornire all’abbonato un accesso digitale a banda piu’ elevata di quanto non sia possibile con il modem • La linea telefonica terminale e’ costituita da un doppino su cui viene normalmente trasmessa la voce. Questa trasmissione si realizza applicando un filtro passa basso a 4 KHz • Tuttavia il doppino ha una capacita’ di banda che raggiunge il MHz (dipende dalla lunghezza del tratto terminale, che puo’ variare in base alla situazione tra poche centinaia di metri a diversi Km) • Lo spettro disponibile viene suddiviso in 256 canali da 4 KHz (fino a 60 Kbps ciascuno): • Il canale 0 viene riservato per la telefonia • I successivi 4 canali non vengono utilizzati per evitare problemi di interferenza tra la trasmissione dati e quella telefonica • I restanti canali vengono destinati al traffico dati. Alcuni per il traffico uscente (upstream), altri per il traffico entrante (downstream) • Il modem ADSL riceve i dati da trasmettere e li splitta in flussi paralleli da trasmettere sui diversi canali, genera un segnale analogico in banda base per ciascun flusso (con una modulazione QAM fino a 15 bit/baud a 4000 baud/s) e li trasmette sui diversi canali utilizzando la modulazione di frequenza

11. Suddivisione dei canali nell’ADSL • In teoria l’ampiezza di banda disponibile consente un traffico pari a 13.44 Mbps, ma non tutti i canali sono capaci di trasmettere a piena banda. L’operatore decide quale servizio offrire. • Generalmente vengono dedicati alcuni canali per il traffico entrante, ed altri (meno) per il traffico uscente (da qui il termine Asymmetric)

12. WDM (Wavelength Division Multiplexing) • La fibra ottica trasmette segnali elettromagnetici a lunghezza d’onda intorno a 850, 1300 o 1550 nm • Ognuna di queste bande puo’ trasmettere segnali a lunghezze d’onda che variano di circa 100 nm • In termini di frequenze si ha:quindi una banda enorme a disposizione

13. WDM (cont.) • E’ stata sviluppata una tecnologia per poter trasmettere canali differenti su lunghezze d’onda differenti, chiamata WDM (Wavelength Division Multiplexing) • Si utilizza in multiplexing un combinatore ottico che mette insieme segnali alle diverse lunghezze d’onda • In ricezione un sistema analogo separa le diverse lunghezze d’onda • Sostanzialmente e’ una tecnica FDM, con la differenza che in questo caso il sistema sfrutta la diffrazione delle onde da reticolo, ed utilizza sistemi passivi, quindi altamente affidabili e che non introducono rumore • Con questa tecnologia e’ possibile gia’ ora trasmettere decine di canali a 10 Gbps su una sola fibra • Questo meccanismo permette di incrementare notevolmente la capacita’ trasmissiva ottenibile sulla fibra senza dover aumentare la frequenza della generazione degli impulsi ottici (cosa che oggi costituisce il fattore limitante per la velocita’ di trasmissione dati sulla fibra ottica)

14. Schema del multiplexing WDM

15. TDM (Time Division Multiplexing) • Il multiplexing a divisione di tempo e’ utilizzato quando si dispone di un canale digitale capace di un elevato tasso di trasmissione dati in cui poter trasmettere contemporaneamente un insieme di comunicazioni a tasso inferiore • Invece che mettere insieme i segnali a frequenze differenti (FDM) si mischiano i dati delle diverse comunicazioni, inframezzando i bit delle diverse trasmissioni • Di fatto si divide la disponibilita’ del canale in periodi temporali, e si dedicano a turno i diversi periodi a diversi flussi trasmissivi

16. Slot e frame • Ogni intervallo temporale si chiama slot e puo’ contenere uno o piu’ bit relativi ad un flusso indipendente • Il flusso dei dati e’ organizzato in trame (frame) • Una trama e’ l’insieme di slot temorali che contiene almeno un bit per ciascuna trasmissione • Anche in questo caso il flusso relativo ad una singola trasmissione e’ detto canale

17. Schema del TDM

18. Sorgenti di ingresso per il TDM • I dati in ingresso non debbono necessariamente essere tutti digitali: puo’ essere un ingresso analogico che viene convertito in segnale digitale tramite campionamento, con relativa generazione del codice PCM • I segnali in ingresso non debbono nemmeno essere tutti ad uguale tasso trasmissivo • Ad esempio, possiamo fare multiplexing TDM di due canali a 1200 bps ed uno a 2400 bps su un canale a 4800 bps, costruendo un frame di 4 bit (di 833 microsecondi) e dedicando una slot (1 bit) ciascuno ai canali a 1200 bps, e due slot (2 bit) al canale a 4800 bps

19. TDM sincrono • Il TDM sincrono prevede di avere in ingresso un certo numero di trasmissioni a cui e’ staticamente allocato un canale, cioe’ ogni slot temporale e’ dedicata ad una particolare trasmissione • Quando un ingresso non ha dati da trasmettere, la trasmissione continua e le slot dedicate a quel canale non trasporteranno dati

20. Sincronizzazione e framing • Poiche’ i frame sono trasmessi in continuazione, il ricevente deve poter identificare l’inizio dei frame e mantenere il sincronismo • Per fare cio’ il frame conterra’ alcuni bit dedicati allo scopo: in genere si dedicano uno o piu’ bit di controllo che assumono valori ben definiti e difficilmente presenti nel campo dei dati • All’inizio il ricevente cerca di identificare i bit di sincronizzazione: quando li trova in un certo numero di frame consecutivi, assume di avere agganciato il sincronismo e inizia a gestire il traffico dei dati • Durante il traffico, il ricevente continua a verificare i bit di sincronizzazione • Se si perde la sincronizzazione, il ricevente ritorna in modalita’ di sincronizzazione fino a che non identifica nuovamente i limiti dei frame

21. Pulse stuffing • Uno dei problemi principali e’ la sincronizzazione dei diversi canali da trasmettere, che essendo indipendenti non necessariamente hanno un clock in comune • Una variazione relativa dei diversi clock puo’ far perdere la sincronizzazione nella costruzione del frame • Diversamente, si potrebbe avere un insieme di trasmissioni i cui tassi trasmissivi non sono multipli uno dell’altro • Per ovviare a questi problemi si usa una tecnica detta pulse stuffing: • il tasso trasmissivo in uscita e’ leggermente superiore alla somma dei tassi in ingresso • i bit in eccesso in ogni slot vengono riempiti con bit fittizi di giustificazione, per allineare i diversi ingressi • qualora si rendesse necessario, questi spazi possono essere utilizzati per risincronizzare gli ingressi • esisteranno bit di controllo nella trama per gestire le diverse eventualita’

22. Esempio

23. Gerarchie digitali • Anche per il TDM esistono gerarchie di multiplexing definite come standard per la trasmissione a diversi tassi in funzione delle possibilita’ trasmissive del mezzo • Il Nord America ed il Giappone utilizzano una gerarchia (nata prima) diversa da quella standardizzata dall’ISO ed adottata in Europa • Entrambi utilizzano come base di durata temporale del frame quella necessaria alla trasmissione di un canale vocale (8000 campionamenti al secondo = 125 microsecondi di tempo per il frame)

24. Gerarchia Nordamericana • Il frame del livello primario e’ costituito dall’unione di 24 canali vocali • Un frame contiene un campionamento per canale (24 canali * 8 bit = 192 bit) piu’ un bit di sincronizzazione di frame • Il tasso di trasmissione sara’ quindi 1.544 Mbps • Per la trasmissione di dati numerici si utilizza lo stesso frame, in cui vengono messi insieme 23 canali dati, mentre un byte viene riservato ad un ulteriore dato di sincronizzazione

25. Gerarchia Nordamericana (cont.) • Il formato descritto si chiama DS-1, o T1 • Il livelli gerarchici successivi sono: • T2: 4*T1 a 6.312 Mbps • T3: 7*T2 a 44.736 Mbps • T4: 6*T3 a 274.176 Mbps • Si puo’ osservare come ad ogni livello successivo il tasso trasmissivo reale e’ superiore a quello utile, in quanto ad ogni passaggio si devono introdurre nella trama bit di controllo (per il framing, per la gestione della linea, per identificare gli errori)

26. Gerarchia digitale europea • L’ITU-T ha prodotto uno standard differente da quello nordamericano, adottato in Europa ed altrove • Questo standard si basa come quello americano sul canale fonico, con tempo di frame di 125 microsecondi • La gerarchia prevede i seguenti livelli di aggregazione: • E1: 32 canali vocali (2 dedicati a controllo) a 2.048 Mbps • E2 = 4*E1 a 8.448 Mbps • E3 = 4*E2 a 34.368 Mbps • E4 = 4*E3 a 139.264 Mbps • E5 = 4*E4 a 565.148 Mbps

27. Sonet e SDH • Sonet (Synchronous Optical NETwork) ed SDH (Sinchronous Digital Hierarchy) sono due standard di multiplexing gerarchico sviluppati per la trasmissione su fibra ottica • L’obiettivo e’ quello di sfruttare l’ampia banda trasmissiva della fibra per poter ospitare le trasmissioni delle gerarchie digitali gia’ viste • I due standard (AT&T e ITU-T) sono leggermente differenti • STS-1/OC-1: 51.84 Mbps (ospita un T3) • STS-3/OC-3 e STM-1: 155.52 Mbps (ospita un E4) • … fino a STS-192/OC-192 e STM-64 a 9.9 Gbps

28. Frame del Sonet • Il frame e’ costituito da 810 byte (di durata temporale 125 microsecondi, da cui i 51.84 Mbps), e si descrivono come una matrice di 9 righe e 90 colonne • Le prime tre colonne vengono dedicate ad informazioni di controllo • i primi due byte assumono sempre lo stesso valore e sono utilizzati per il framing • un byte viene utilizzato come puntatore per indicare l’inizio dei dati validi sul frame, in modo da poter inviare dati utili anche se questi si presentano mentre si sta preparando un frame, senza dover attendere il frame successivo • alcuni byte nel campo di controllo sono utilizzati per costruire un singolo canale dati per il management, o anche un canale vocale • altri byte di controllo sono usati per informazioni di parita’, allineamento delle singole trame ed informazioni sul loro contenuto

29. Schema del frame in Sonet

30. TDM asincrono • Un limite del TDM sincrono e’ che quando un canale in ingresso non trasmette, la capacita’ di banda assegnata a quel canale non viene utilizzata (le slot dedicate al canale non trasportano dati utili) • Una soluzione talvolta adottata e’ quella di accettare in input un insieme di canali per cui il tasso totale e’ superiore al tasso trasmissivo del canale in uscita • L’ipotesi e’ che non tutti trasmetteranno contemporaneamente a piena banda • Si utilizzano dei buffer per poter gestire gli intervalli in cui la banda in uscita non e’ sufficiente a gestire i dati in ingresso • va pero’ considerato che maggiore e’ la dimensione dei buffer, maggiore e’ il ritardo introdotto in trasmissione, quindi non si puo’ eccedere; d’altra parte minore e’ la dimensione dei buffer, minore e’ il margine oltre il quale si perdono dati • In questa modalita’ di multiplexing, non essendoci una assegnazione statica tra canale e trasmittente, si dovranno introdurre informazioni di controllo per identificare la trasmissione associata alle slot