Corso di Segnali II: lezione 12

Esercizio

Rete telefonica e rete di accesso

Per PSTN (Public Switched Telephone Network) si intende il sistema che permette di interconnettere tra loro i telefoni di rete fissa  presenti in ogni (?) casa, a partire dalla quale, si sono evoluti tutti gli sviluppi delle telecomunicazioni.

Mentre NON svilupperemo l'analisi dei metodi di commutazione ed instradamento con cui è individuato il percorso intrapreso da una comunicazione tra l'ingresso e l'uscita dalla rete di trasporto, al contrario discuteremo nelle prossime sezioni dei metodi di multiplazione con cui le singole comunicazioni  che terminano presso le interfacce utente/rete vengono aggregate da parte delle centrali locali per utilizzare un medesimo collegamento di giunzione interno alla rete di trasporto.

La rete di accesso è la parte più rilevante e dispendiosa della stessa, e consiste nel doppino che raggiunge la presa telefonica casalinga. Su questo sono disponibili servizi noti nel loro insieme come
Oltre a questi, sono ormai contemplati nella rete di accesso anche altri tipi di collegamento, come
Altri tipi di offerte invece non possono essere considerate di accesso alla rete, pur se realizzate sfruttando sia la rete di accesso che quella di trasporto, come nel caso di

Multiplazione a divisione di tempo

Multiplando più comunicazioni dirette alla medesima destinazione, in modo che condividano uno stesso mezzo trasmissivo, si conseguono i vantaggi di
Affrontiamo lo studio delle tecniche di multiplazione, approfondendo dapprima le differenze tra le problematiche associate ad una rete per trasmissione dati, e quelle più tipiche del mondo delle telecomunicazioni: A questo punto, facciamo esplicitamente notare che un risultato della teoria del traffico mostra come l'adozione di una strategia orientata al ritardo, ossia uno schema di multiplazione statistica in cui sono presenti delle code, migliori notevolmente l'efficienza di utilizzo del mezzo stesso.

Segnalazione nella rete di trasporto

Dopo aver discusso la segnalazione di utente che avviene in POTS ed in ISDN, notiamo in modo esplicito che le comunicazioni tra centrali di transito adottano altre soluzioni, idonee a descrivere lo stato del complesso delle comunicazioni multiplate che giungono sui collegamenti di giunzione, e che vengono instradate su diversi collegamenti uscenti.

Gerarchie di multiplazione

Via via che la rete di trasporto è interconnessa mediante centrali di livello gerarchico superiore, associate ad aree di influenza geografica più estesa, i collegamenti di giunzione trasportano un numero di tributari sempre più elevato, ottenuti raggruppando assieme tutte le conversazioni contemporaneamente dirette verso la stessa destinazione. Considerando allo stesso tempo anche le problematiche legate al dover svolgere nelle centrali la funzione di commutazione, ci si pone di fronte il problema di individuare dei metodi efficienti di raggruppare assieme più tributari, anche a velocità diverse, facendo anche in modo che l'operazione di inserimento/rimozione di un singolo tributario sia relativamente agevole.

POTS

Il servizio telefonico di base consiste nel collegamento audio, nella banda del canale telefonico, con un terminale di utente remoto, e nella segnalazione (indicata come segnalazione di utente) necessaria ad instaurare il collegamento.

Quando la centrale locale deve far squillare il telefono, invia sul doppino una tensione alternata che ne attiva la suoneria. Quando la cornetta dell'apparecchio telefonico viene sollevata, nel telefono si chiude un interruttore che determina lo scorrimento di una corrente continua nel subscriber loop, indicando la risposta da parte del chiamato.

All'interno del telefono troviamo un particolare trasformatore a quattro porte, in grado di separare il segnale in ingresso da quello in uscita, in modo da inviare il primo all'altoprlante, e di inviare al secondo quello del microfono.

Per comporre il numero, fino agli anni 80 erano in uso i dischi combinatori, che aprendo e chiudendo l'interruttore, determinavano una forma d'onda impulsiva, in cui il numero degli impulsi corrispondeva alla cifra immessa. Questo meccanismo è in diretta relazione alla presenza, nelle centrali telefoniche di prima generazione, di motori passo-passo che derminavano l'azionamento dei commutatori di centrale.

Il disco combinatore è stato poi soppiantato dalla attuale tastiera numerica DTMF (Dual Tone Multi Frequency), in cui ad ogni tasto sono associate due frequenze che individuano la cifra (od il simbolo * e #) premuta, come descritto dalla figura in basso a sinistra. Viceversa, la segnalazione di utente nella direzione centrale -> utente avviene per mezzo di un codice basato su toni udibili, le cui durate sono descritte nella figura in basso a destra.

Segnalazione di utente
Utente -> Centrale Centrale -> utente

Il risultato dei messaggi di segnalazione di utente è esemplificato nella figura a fianco, in cui è evidenziato come ogni conversazione è in realtà composta da tre fasi imprescindibili:
Il passaggio dalla telefonia analogia a quella numerica, in cui il segnale vocale è campionato e quantizzato come PCM, non ha di fatto alterato la presenza di queste tre fasi.

ISDN

La Integrated Service Data Network è una modalità di accesso numerico alla rete telefonica, definito da una serie di standard reperibili presso l'ITU. In ISDN la conversione A/D avviene presso l'utente, il quale può collegare allo stesso bus ISDN (interfaccia S a quattro fili, utilizzante un codice di linea AMI), diversi dispositivi numerici, oppure anche analogici, interponendo per questi ultimi un dispositivo detto Terminal Adapter (TA).

L'accesso alla rete da parte del dispositivo NT (Network Termination) connesso al doppino, corrisponde alla Interfaccia U, su cui è trasmesso un segnale a quattro livelli noto come 2B1Q, per il quale sono standardizzate due diverse velocità di trasmissione. Nella modalità cosiddetta di Accesso Base (BRI, Basic Rate Interface), si ha a disposizione un collegamento numerico di banda base a 144 kbps, in cui trova posto una struttura di trama che ospita due canali voce (B1 e B2, da Bearer, con dati PCM) a 64 kbps, in cui la trasmissione avviene in modo ininterrotto, e un canale dati (D) a 16 kbps, in cui la trasmissione avviene in modalità a pacchetto, ed in cui trovano posto le informazioni di segnalazione, come il protocollo Q.931. 

Nella modalità di Accesso Primario (PRI, Primary Rate Interface), adatta al collegamento di centralini, si hanno a disposizione 30 canali B (voce) a 64kbps, ed un canale D (dati) di segnalazione a 64 kbps.

Dato che l'accesso ISDN preserva il flusso binario inviato sui canali B da estremo a estremo della rete, su quegli stessi canali posso essere inviate anche informazioni niente affatto vocali, ma bensì nativamente numeriche, purché il ricevente condivida le stesse modalità di interpretazione dei bit in arrivo. Struttando tale possibilità, sono ad esempio stati definiti i primi standard di videotelefonia H.320.

Multiplazione statistica

Nel caso della trasmissione dati a pacchetto, non è necessario impegnare il mezzo trasmissivo in modo esclusivo, ma la trasmissione può avvenire in modalità sporadica, ed i dati inviati ad intervalli irregolari. Questo motivo, assieme alla dimensione variabile delle singole comunicazioni, porta a suddividere la comunicazione in unità autonome indicate come pacchetto dati.

La trasmissione dei pacchetti può avvenire in forma multiplata (ovvero, condividendo lo stesso mezzo trasmissivo tra più comunicazioni) in modo statistico, ovvero senza riservare con esattezza risorse a questo o quel tributario. Infatti, in questo caso il multiplatore si limita ad inserire i pacchetti ricevuti in apposite code, da cui li preleva per poterli trasmettere in sequenza. La presenza di code, comporta
Per contro, se ogni pacchetto reca con sé le informazioni necessarie al suo recapito, la rete di trasmissione non necessita di una apposita fase di setup dell'instradamento: nel caso della commutazione di pacchetto a datagramma, ogni pacchetto fa caso a sè.

Commutazione di circuito

La rete telefonica pubblica (PSTN), è storicamente basata sui principi della commutazione di circuito, e sulla multiplazione a divisione di tempo con struttura di trama.

Agli albori della telefonia, ossia nell'epoca dei telefoni a manovella, con la cornetta appesa al muro, la comunicazione si basava sulla creazione di un vero proprio circuito elettrico, grazie all'operato di un centralinista umano, che collegava fisicamente tra loro le terminazioni dei diversi utenti. Nel caso in cui intervengano più centralinisti in cascata, la chiamata risulta instradata attraverso più centralini. Da allora, il termine commutazione di circuito individua il caso in cui
Le cose non sono cambiate di molto (da un punto di vista concettuale) con l'avvento della telefonia numerica: in tal caso, più segnali vocali sono campionati e quantizzati in modo sincrono, ed il risultato (numerico) è multiplato in una trama PCM, in cui viene riservato un intervallo temporale per ognuno dei flussi tributari.


La segnalazione nelle reti telefoniche

In una centrale telefonica gli organi di governo elaborano le informazioni di segnalazione allo scopo di comandare i dispositivi di commutazione, in modo che le comunicazioni in transito vengano instradate verso la porta di uscita che si affaccia sulla linea di giunzione corretta. Quindi, nel caso della segnalazione associata al canale, le informazioni di segnalazione sono re-immesse nella trama di uscita che trasporta la comunicazione instradata, in modo da poterle utilizzare anche nell'ambito delle successive centrali di transito.

Nel caso di segnalazione a canale comune invece, i messaggi di segnalazione viaggiano in modo dissociato dalle corrispondenti comunicazioni, e sono trasmessi su di una rete di segnalazione distinta da quella su cui viaggiano le comunicazioni, con una modalità di trasmissione a pacchetto.

Architettura della rete telefonica

Sistema di Segnalazione No. 7

Il Signaling System #7 (SS7) è un insieme di protocolli di segnalazione telefonica a canale comune, usato per controllare la maggior parte delle chiamate telefoniche della PSTN mondiale, che in questo caso prende il nome di Intelligent Network (IN). Oltre ad gestire la fasi di instaurazione e abbattimento della chiamata, permette altri servizi come reindirizzamento, carte prepagate, SMS, numero verde, conferenza, richiamata su occupato...

L'SS7 è descritto dalla serie di raccomandazioni ITU-T Q.700, a cui aderiscono anche le varianti regionali descritte da altri enti normativi. I messaggi SS7 sono trasferiti mediante connessioni numeriche tra entità di segnalazione, ospitate nelle centrali telefoniche, indicate con i termini di

Oltre alle entità che prendono parte alla architettura, SS7 è definito anche nei termini della gerarchia protocollare che descrive la stratificazione delle funzioni necessarie allo svolgimento dei serizi richiesti. Il semplice scambio dei messaggi tra le entità è basato su di una rete a commutazione di pacchetto, ed avviene in base alle procedure collettivamente indicate come Message Transfer Part (MTP), responsabile della consegna affidabile dei messaggi SS7 tra le parti in comunicazione. Le funzioni di MTP sono stratificate su tre livelli, che dal basso in alto, si occupano degli aspetti di trasmissione tra le entità, della gestione degli errori in modo da garantire una comunicazione affidabile, e dell'instradamento dei messaggi tra le entità. 

Al disopra della MTP possono operare diversi procolli indicati come User Part, come ad esempio il Signalling Connection Control Part (SCCP), che arricchisce le funzionalità di rete, offrendo ulteriri capacità di indirizzamento, ed un servizio orientato alla conessione anziché a pacchetto; attraverso SCCP possono operare processi applicativi basati sul Transaction Capabilities Application Part (TCAP).

Altri esempi di User Part sono la Telephone User Part (TUP) e la ISDN User Part (ISUP). TUP è stata la prima UP ad essre definita, ed offre il supporto all'offerta di servizi PSTN mediante la rete SS7. Attualmente è quasi ovunque rimpiazzato da ISUP, che offre altri servizi, come ad esempio l'identificazione del chiamante, e che può dialogare con l'MTP anche per il tramite di SCCP.

Qualora la rete di interconnessione tra le entità della IN sia una rete IP, allora sono da considerare gli ulteriori protocolli indicati come SIGTRAN.

Plesiochronous Digital Hierarchy

(Tratto da Wikipedia)

Paesi diversi hanno definito velocità diverse per i livelli della gerachia di multiplazione PDH, ed anche se questi risultano confrontabili tra loro, se ne rende problematica l'interoperabilità, come riportato nella tabella seguente, in cui sono indicati i codici di classificazione dei diversi casi:

Livello Nordamerica Europa Giappone
Mbit/s Classificazione Mbit/s Classificazione Mbit/s Classificazione
1 1,544 (T1) 2,048 (E1) 1,544 (J1)
2 6,312 (T2) 8,448 (E2) 6,312 (J2)
3 44,736 (T3) 34,368 (E3) 32,064 (J3)
4 274,176 (T4) 139,264 (E4) 97,728 (J4)
5 564,992 (E5) 397,200 (J5)

Add and Drop Multiplexer (ADM)

L'operazione di aggiungi e togli è una funzione basilare in un sistema di multiplazione, e consiste nell'inserire e/o estrarre un singolo tribuario dal flusso multiplato.

Lo svantaggio principale di un sistema PDH è che per estrarre un singolo tributario da un flusso multiplato di gerarchia superiore, è necessario eseguire un'operazione inversa a quella di multiplazione, ovvero demultiplare l'intero flusso, compresi gli altri tributari (passanti), e successivamente ri-multiplare di nuovo il tutto.


 
Questa caratteristica limita notevolmente la flessibilità nelle configurazioni di rete che si possono ottenere con questa tecnologia, e per i tributari passanti comporta l'aggiunta di un tempo di ritardo addizionale dovuto alle operazioni di demultiplazione e multiplazione.

Nella pratica, oggi si usano solo flussi di tipo E1, E3 ed E4, che sono quelli più adatti per essere trasportati nella gerarchia sincrona SDH, multiplando direttamente sedici tributari a 2 Mbit/s all'interno di un unico flusso a 34 Mbit/s.

Synchronous Digital Hierarchy

Al contrario di PDH, l'SDH ha solo una variante (nel Nord America), denominata SONET (Synchronous Optical Network), i cui livelli sono siglati STS oppure OC nel caso in cui ci si riferisca al segnale ottico corrispondente, e che interopera abbastanza bene con SDH. La tabella seguente elenca le velocità associate ai diversi livelli della gerarchia di multiplazione SDH/SONET:
SONET Frame Format SDH level and Frame Format Payload bandwidth (kbit/s) Line Rate (kbit/s)
STS-1 48,960 51,840
STS-3 STM-1 150,336 155,520
STS-12 STM-4 601,344 622,080
STS-24 STM-8 1,202,688 1,244,160
STS-48 STM-16 2,405,376 2,488,320
STS-96 STM-32 4,810,752 4,976,640
STS-192 STM-64 9,621,504 9,953,280
STS-768 STM-256 38,486,016 39,813,120
STS-1536 STM-512 76,972,032 79,626,120
La differenza strutturale rispetto a PDH, è che in SDH i tributari usano tutti lo stesso clock, da cui deriva la possibilità di aggiungere e togliere un singolo tributario senza alterare il flusso in cui è immerso, come esemplificato  nella figura seguente.



SDH nasce allo scopo di consentire il trasporto di dati di diversa origine (PCM telefonico, ISDN, pacchetti Ethernet ed IP, celle ATM), come illustrato nella figura a fianco, che rappresenta impilate le diverse elaborazioni che i tributari devono subire per essere immessi nel flusso SDH.

SDH si basa su di una struttura di trama di durata di 125 usec, durante i quali sono trasmessi in modalità byte interleaved una sequenza di ottetti provenienti da diversi tributari a 64kbps che condividono la medesima sorgente di temporizzazione, cosicché ogni tributario può essere inserito/prelevato semplicemente scrivendo/leggendo sempre nello stesso punto (con la stessa fase) un ottetto ogni trama.

Il livello più basso della gerarchia è indicato come STM-1 (Synchronous Transport Module), ed opera ad una velocità di 155.52 Mbit/s, equivalente alla multiplazione di 270 flussi PDH E1. STM-1 è caratterizzato infatti da una trama composta da 2430 ottetti, di cui 81 di segnalazione e 2349 di dati, ovvero usando un ottetto di segnalazione ogni 30 totali, quasi come avviene per il flusso PDH E1 (in cui c'è un intervallo di segnalazione, il 16°, ogni 31 ottetti). Gli ottetti di segnalazione sono però ora raggruppati a gruppi di nove, seguiti da 29*9=261 ottetti di dati, ed il risultato è tradizionalmente rappresentato incolonnando le 9 sotto-sequenze di 270 ottetti come in figura, rappresentando così una trama come una matrice di 9 righe per 270 colonne.

Le prime 9 colonne prendono il nome di Overhead della trama, mentre la parte dati è indicata come Payload (o carico pagante). L'Overhead contiene informazioni di segnalazione strettamente inerenti al processo di multiplazione, ossia finalizzate all'espletamento di funzioni OAM (Operation, Administration, Maintenance), che sono ora associate ad un annidamento di sezioni di trasmissione: Path, Multiplazione e Rigenerazione. Infatti, il percorso (Path) compiuto da un singolo tributario, si snoda tra un unico multiplatore di ingresso ed un unico demultiplatore di uscita, ma ad ogni multiplatore Add and Drop (o commutatore) incontrato, viene definita una nuova sezione di multiplazione. Allo stesso modo, ad ogni ripetitore rigenerativo incontrato, è definita una nuova sezione di rigenerazione. Per ognuna di queste sezioni, è definito un OH specifico per le operazioni OAM associate.

Dato che un ADM è anche rigeneratore, e che i dispositivi di ingresso uscita del tributario sono anche ADM, si determina la stratificazione funzionale per la segnalazione raffigurata a fianco, in cui è evidenziato come l'Overhead associato alle sezioni  più esterne venga impilato su quello delle sezioni interne. Ma a differenza dell'incapsulamento  proprio dei formati di trasmissione a pacchetto, in questo caso i tre tipi di Overhead (Path POH, Multiplex Section MSOH, Regenerator Section RSOH) sono inseriti nella trama STM-1 in punti diversi, come mostrato dalla figura seguente.

Nelle prime tre righe dell'overhead della trama STM-1 trova posto l'RSOH, che viene scritto dai dispositivi di rigenerazione, e quindi letto e ri-scritto ad ogni rigeneratore successivo; in particolare, alla prima riga sono presenti i flag che consentono di acquisire il sincronismo di trama. Nelle ultime cinque righe dell'OH, troviamo il MSOH, scritto, letto e ri-creato dai dispositivi di multiplazione. Il POH trova posto all'interno del payload, e su questo torniamo tra brevissimo. Alla quarta riga dell'OH di trama, troviamo un puntatore (AU Pointer), che specifica la posizione di inizio del payload (chiamato ora AU, o Administrative Unit) nell'ambito della struttura di trama.

La presenza di questo puntatore deriva dalla volontà di ridurre al minimo l'uso di buffer e l'introduzione di ritardi di consegna; pertanto i dati da trasmettere NON vengono inseriti nella struttura di trama all'inizio della stessa, bensì al primo ottetto possibile al momento della disponibilità dei dati stessi. Quindi, è più che normale il caso in cui la AU inizi a metà di una trama, e termini a metà della trama successiva. La coppia AU ed AU Pointer prende quindi il nome di Administrative Unit Group (AUG).

Il riempimento della AU con i dati da trasmettere, avviene (vedi figura) seguendo una serie di passi successivi, che vedono prima la creazione di una struttura dati detta Container, a cui si aggiunge il POH per ottenere un Virtual Container, da cui deriva la AU, dopo l'aggiunta del puntatore.

Notiamo ora che non necessariamente la AU deve essere riempita da un unico tributario; al contrario, la multiplazione serve appunto ad ospitarne diversi!! A questo scopo, più VC a bassa velocità possono essere a loro volta multiplati in modalità byte interleaved, per produrre una struttura dati intermedia indicata TU (Tributary Unit), che a sua volta può essere inserita assieme ad altre TU, all'interno del VC di ordine superiore

Non approfondiamo oltre questo argomento, che richiede una buona dose di pazienza per essere analizzato a fondo, e ci limitiamo ad inserire un diagramma che mostra le possibilità di combinazione di tributari differenti, in accordo alle spcifiche di ETSI.